Windows CE下基于TSC2101的音频系统设计

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Windows CE是一个开放的、可裁剪的、32位的实时嵌入式操作系统。它具有可靠性好、实时性高、内核体积小的特点，所以被广泛用于各种嵌入式智能设备的开发，其应用涉及工业控制、信息家电、移动通信、汽车电子、个人电子消费品等各个领域，是当今应用最多、增长最快的嵌入式操作系统。而在这些嵌入式应用中，音频模块成为了大多数产品不可或缺的一部份。本文针对Windows CE操作系统，构造了基于Intel Xscale PXA272和TSC2101音频芯片的音频系统，并简要介绍了其实现方法。
音频系统的硬件实现

本设计中的音频驱动采用Unified Audio模型实现，基于Intel Xscale PXA272处理器和TI 的TSC2101音频芯片，使用了基于I2S（Inter-IC Sound）总线的音频系统体系结构，系统原理图如图1所示。Intel Xscale PXA272芯片集成了I2S控制器，通过I2S总线处理音频数据。其他信号（如控制信号）则需要单独传输，在本设计中将Xscale PXA272芯片的SSP串口配置为SPI串口以实现控制信号的传输。



图1  系统原理图

I2S是菲利浦公司提出的串行数字音频总线协议。PXA272的I2S控制器控制了I2S链接，I2S控制器由数据缓冲、状态和控制寄存器、计数器组成。它们将系统内存和外设的音频解码芯片（TSC2101）连接，产生同步音频。播放音频文件时，I2S控制器通过I2SLINK连接将系统内存中数字化的声音样本发送到外设的TSC2101音频解码芯片中，然后由TSC2101芯片的数模转换器将数字音频信号转换成模拟信号。对于录音来说，I2S控制器从外部的TSC2101音频芯片接收到数字信号，然后将它们存储到系统内存中。I2S提供了普通I2S和MSb-justified-I2S格式。通过5根引脚连接TSC2101芯片和PXA272的I2S控制器，形成音频数据传输的通道。I2S控制器必需的信号主要有：一个码率时钟，可以引用外部或者内部时钟源；一个控制信号提供“左/右”声道控制信息；两个串行音频引脚，一个输出一个输入；码率时钟，I2S控制器会将可选的系统时钟信号也发送到外部解码器中。

I2S控制器通过DMA方式来访问。DMA方式下，DMA控制器只能通过串行音频数据寄存器(SADR)访问FIFO。DMA控制器通常以8、16或32字节大小的块存取FIFO队列数据的。

本设计中采用的音频芯片TSC2101集成了立体声音频解码、触摸屏控制芯片，立体声DAC能以高达48Kb/s的采样率播放音频文件，专供PDA、PMP、智能手机和MP3播放机使用。TSC2101 将扬声器放大器、耳机放大器和四线触摸屏控制器与音频编解码器集成再一起，带有一个立体声头戴送受话器接口、一个手机送受话器接口、一个单声道8Ω扬声器放大器以及一个32Ω受话器驱动器，并集成有一个电池监控器和一个片上温度传感器。

TSC2101芯片的电路设计如图2所示。



图2  TSC2101芯片电路设计

本设计为TSC2101在智能手机中的运用，CP-IN为通信模块的语音输入，CP-OUT则为音频系统到通信模块的输出，在实际的应用中MIC1可以通过TSC2101的内部PGA（可编程增益放大）、AGC（自动增益控制）电路连接到CP-OUT，实现智能手机的话筒功能；同时，MIC1输入还可以通过内部的ADC将语音数据采样后经I2S总线传输到处理器存储空间实现录音功能。当然，在智能手机通话的同时，还可以实现通话录音功能。电路图中的38～41引脚为SPI接口，42～46引脚为I2S控制引脚，引脚9～12为触摸屏输入，引脚27和28为音频输出可以连接耳机，引脚26连接手机听筒，引脚33、35连接外置扬声器。

采用Unified Audio模型实现音频驱动

音频驱动的实现方式包括MDD-PDD分层模式和不分层的Unified Audio模型。MDD-PDD作为直接实现流接口的一种方法，使用微软提供的模型设备驱动程序（MDD）库——Wavemdd.dll。这个库根据音频设备驱动程序服务供应者接口（DDSI）函数来实现流接口函数，如果使用了Wavemdd.dll就必须生成一个匹配的平台依赖驱动程序（PDD）库，该库能实现音频DDSI函数，这个PDD库通常叫做Wavepdd.lib。然后把两个库连接起来形成Wavedev.dll。

作为音频驱动的另外一种方法，就是采用Unified Audio模型，即不分层的音频驱动模型，这种模型的音频驱动支持标准的波形驱动接口。在本设计中就是使用的这种方式来实现音频驱动（Platform builder的驱动目录下包括有基于这种模型驱动的实例代码）。在分层的音频驱动中，驱动程序由MDD和PDD组成，MDD层执行与硬件平台无关的功能，PDD层则是直接与硬件平台相关的操作，而在Unified Audio模型中，MDD和PDD的分层是不必要的，图3是Unified Audio模型的音频驱动结构。



图3  Unified Audio模型的音频驱动结构

在这种模型下，音频驱动仍然是以流接口的形式实现，分别实现了WAV-close（）、WAV-PowerDown（）、WAV-Deinit（）、 WAV-PowerUp（）、WAV-Init（）、WAV-Read（）、WAV-IOControl（）、WAV-Seek（）、WAV-Open（）、WAV-Write（）这几个标准的流接口函数。
DMA缓存区设计与实现

由于音频设备驱动程序设计对设备的实时性要求较高，所以DMA缓存区设计以及合理地利用缓存区加快对音频数据的处理，减少延时变得十分重要。

DMA控制器是使CPU处理其他与数据总线无关的处理，而由DMA控制器负责数据传输的机制，这种机制使得CPU从繁重的数据传输中解脱出来，可以执行其他计算，从而提高了系统运行速度。PXA272的DMA控制器提供了32个DMA通道，0～31。这些通道提供了flow-through 和fly by的数据传输方式。

在本设计中，使用双缓存区DMA通道设计，如图4所示，当CPU正在处理某一个缓存区数据的同时，DMA控制器可以完成另一个缓存区数据的传输，如此交替下去，则可以提高系统的并行能力，提高音频处理的实时性。

双缓存区驱动程序设计当中，以播音为例，新的音频数据在CPU的控制下先写到缓存1中，此时DMA控制器正在处理缓存2的数据传输。当缓存2的数据全部传完之后，会产生一个DMA中断，该中断通知CPU开始往缓存2里写新的音频数据，与此同时，DMA也继续处理缓存1的数据。这样，由于CPU和DMA没有处理同一段DMA缓存区，就减少了资源访问的冲突，并且能够最大程度上保证音频数据不丢失，提高音频处理的实时性，也提高了系统的并行能力。

本设计中使用MapDMAbuffers（）函数实现DMA音频数据缓存区的分配，函数主要实现的功能是：分配接收和发送音频数据的DMA缓存区。
结束语

本文分析了嵌入式Windows CE操作系统基于TSC2101音频芯片的音频系统实现的基本原理及其驱动程序模型，并结合具体程序重点描述了DMA双缓存区的实现方法和原理。本设计在实际运用中能够满足音频系统的实时性要求，在实际测试中，缓存区大小设置为0x1000（bytes），位时钟频率为    2.836MHz，DMA数据传送的数据大小分别在32b、16b、8b的情况下，播放效果均清晰无杂音，达到了预期的效果。