USB音频设备类的音频信号同步解决方案.pdf

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1、USB音频设备类的音频信号同步解决方案本文针对使用USB_Audio_Class进行语音设备设计时需要解决的音频信号同步问题进行了介绍，并给出了相应的解决方法和部分源代码。引言USB总线协议经历了从USB1.1到USB2.0再到目前的USBOTG(USBOn-The-Go)的发展过程，在USB不断发展完善的同时，越来越多的USB产品大量上市。现在的PC机通过USBHub设备和多个USB控制器，能同时支持扩展的USB设备已经达到数百个。在USB总线传输中，任何一次USB的数据传输都必须由主机来发起和控

2、制，所有的USB外设都只能和主机建立连接，任何两个外设之间或者两个主机之间无法直接通信。目前，扮演主机角色的大多是个人电脑(PC)。USB协议制定时，为了方便不同设备的开发商基于USB进行设计，定义了不同的设备类来支持不同类型的设备。现在市场上的USB产品，通过调查会发现它们主要应用了以下设备类：USB_DEVICE_CLASS_HUMANINTERFACE键盘、鼠标等USB_DEVICE_CLASS_STORAGU盘、活动硬盘、数码相机等USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTE

3、RFACE力回馈游戏杆、方向盘等USB_DEVICE_CLASS_POWER风扇、LED台灯、手机充电等USB_DEVICE_CLASS_PRINTER打印机从市场上看，虽然在USB标准中定义了USB_DE-VICE_CLASS_AUDIO，但是很少有此类设备问世。目前称为USB音箱的设备，大都使用USB_DEVICE_CLASS_POWER，仅仅将USB接口作为电源使用。信号仍然需要3.5mm立体声音频线连接使用，连接相对复杂。这样没有体现USB设备连接简单，操作方便的优势，且采用模拟信号传送会产

4、生一定的信号失真，影响音质。本文为了设计实现一个完全基于USB协议的USB_DEVICE_CLASS_AUDIO设备，采用一根USB连接线，在设备中不同的端点(endpoint)实现音频信号的输入，输出包括相关按键控制，并重点讨论如何解决由于USB特殊的总线拓扑结构造成的信号同步问题。1USB_DEVICE_CLASS_AUDIO介绍为简化USB设备的开发过程，USB提出了设备类的概念。其中的音频设备类(USB_DEVICE_CLASS_AU-DIO)是目前为止使用比较少的类型。USB_DEVICE

5、_CLASS_AUDIO是专门针对USB音频设备定义的一种专用类别，它不仅定义了音频输入/输出端点的标准，还提供了音量控制、混音器配置、左右声道平衡，甚至包括对支持杜比音效解码设备的支持，功能相当强大。不同的开发者可以根据不同的需求对主机列举自己的设备结构，主机则根据列举的不同设备结构提供相应的服务。USB_DEVICE_CLASS_AUDIO设备采用USB传输模式中的Isochronoustransfers模式，Isochronoustrans-fers传输模式是专门针对流媒体特点的传输方法。它依

6、照设备在链接初始化时列举的参数，保证提供稳定的带宽给采用该模式的设备或端点。由于对实时性的要求，它不提供相应的接收/应答和握手协议。这很好地适应了音频数据流量稳定、对差错相对不敏感的特点。2平台介绍与系统架构开发平台采用ColdFireMCF52223作为控制MCU。该芯片提供32KBSRAM，256KBFlash，具备USB-OTG模块，80MHz主频下达到76Dhrystone2.1MIPS，同时板载ML2308作为音频播放模块。详细资料可以参阅其官方网站http：//www.hhcn.com/

7、chinese/coldfire/HHCF52223-R1.htm。主要硬件模块结构和软件模块结构分别如图1、图2所示。3同步问题由于USB总线拓扑结构的特殊性，所有数据传输都由主机(PC)发起，在设备插上USB接口并完成初始化、列举等步骤以后，主机会按照设备列举的要求进行流量分配。USB全速模式总线以1ms为1帧。由于采用Isoch-ronoustransfers模式，为测试方便，音频格式采用8k/s采样率，8位量化。因此单声道每帧数据量为：MCF52223通过USBD驱动在接收并解出USB数据包

8、里的音频数据后，存入内部开辟的缓存中。ML2308每个声道具有64字节缓存，当缓存满、缓存一半和缓存为空时会分别发送中断信号Full、Mid、Empty给MCF52223，而MCF52223可以根据不同的中断信号对ML2308进行写入新数据工作。因此，在设备的写入端数据按照PC上的USB的时钟进行传输，而在设备输出端数据按照ML2308的时钟进行操作。ML2308时钟来自板载晶振，这两个时钟不可避免存在一定误差，而且根据测试，不同PC的USB总线时钟也有微小差别。这些