基于Freescale MCU与Audio Codec的安卓音频附件设计

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概要

安卓音频附件是Android Open Accessory (AOA) protocol 2.0中新增的功能,它通过标准USB Audio Class Interface将来自安卓设备音频输出到附件中,将音频通过附件声卡播放出去;并且附件可以作为一个人机接口设备来控制安卓设备,比如媒体播放的简单 控制等。本文详细描述了基于Freescale MCU与Audio CODEC的安卓音频附件设计方案。

Freescale安卓音频附件简介

本安卓音频附件方案采用Freescale Kinetis K(Cortex-M4)系列的MCU MK70FN1M0VMJ12作为主控芯片,Freescale 的SGTL5000音频编解码器将音频输出。MCU与安卓设备通过USB接收原始音频数据,并通过I2S输出到SGTL5000音频编解码器。下面是 Freescale安卓音频附件的主要特点:

·安卓设备到附件采用44.1KHz 采样率、双声道、16比特原始PCM音频输入

·通过HID实现安卓设备音乐曲目切换与暂停控制

·通过I2C调节SGTL5000输出音量

·采用SGTL5000低功耗高性能立体声输出

·Xtrinsic Low-Power Touch-Sensing interface控制输入

1 安卓音频附件硬件介绍

1.1 硬件整体结构

硬件框图

图1 安卓音频附件硬件框图

安卓音频附件基本构成

1.2 硬件功能模块设计

Freescale Kinetis MCU MK70FN1M0VMJ12


Freescale Kinetis K系列是一款基于ARM Cortex-M4 的低功耗、高性能微控制器。本方案采用该系列中的MK70FN1M0VMJ12进行安卓音频附件设计,具备1MB Flash与128KB RAM容量,同时具备USB 2.0接口。安卓音频附件使用以下MCU功能:

·MCU工作平率120 MHz

·采用USB Full Speed 作为音频输入

·通过I2S 音频接口与SGTL5000 CODEC通讯传输音频信号

·通过I2C 与CODEC通讯传输控制信号

·使用Xtrinsic Low-Power Touch-Sensing Interface作为媒体控制输入

图 2 Kinetis MCU原理图

Freescale SGTL5000 CODEC

本方案采用Freescale SGTL5000高性能、低功耗立体声CODEC,支持I2S IN/OUT, SPI/I2C控制通道。支持主/从模式。HP输出-100dB 信噪比,-80dB谐波失真。支持8KHz~96KHz采样率,16/20/24/32位宽。

在安卓音频附件设计中,MCU与SGTL5000交互主要有以下几个方面:

·MCU作为I2S 主机,SGTL5000作为设备,由MCU提供SCLK;

·MCU通过I2C配置SGTL5000工作模式以及输入输出配置;

·SGTL5000输出音频过程中,支持MCU对其进行音量、音质等配置;

图3 SGTL5000接口

USB模块

  Freescale Kinetis K70 MCU集成了OTG模块,OTG实现了USB 2.0全速/低速的HOST和DEVICE功能,并且通过主机交换协议实现主机与设备之间的角色转换。在AOA 协议2.0中规定安卓设备为device,附件为主机,所以 本方案中使用MCU USB 全速HOST功能。

 图4: USB模块

I2S模块

  Freescale Kinetis MCU K系列I2S模块提供同步音频接口 (SAI总线),它支持I2S、AC97、CODEC/DSP等全双工同步串行接口。本方案中,I2S模块主要负责将从来自安卓设备的音频流传输给 SGTL5000 CODEC。MCU作为I2S主机,SGTL5000作为设备。

 图5 I2S模块

触摸感应输入(TSI)模块

  Kinetis系列MCU提供高灵敏度、高稳定性的电容触摸感应检测功能。每个TSI引 脚实现一个电极的电容测量。TSI来源主要有两部分,一个为 TWRK70板上的4个模拟按钮的电极,另外12个按钮连接到了触摸Tower开发板上;本方案使用板上的4个触摸按钮作为音频附件人机输入接口来控制安 卓设备媒体播放。TSI模块支持边缘和范围检测,并且在触摸板短路时发生中断。

 图6 TSI模块

2 安卓音频附件软件设计

软件架构

  本方案基于Freescale 实时操作系统MQX。在Freescale USB HOST STACK 上实现了AOA 2.0协议栈,并在MQX RTOS上实现了音频输出接口模块。数据流经由USB Host模块流入AOA 2.0协议栈,再由应用程序传递给音频输出接口,通过调用MQX I2S 驱动,将音频数据发送到SGTL5000 CODEC。对于来自TSI的操作命令,分为两种情况处理:音量操作输入经应用处理后直接通过音频输出接口控制I2C来调节SGTL5000输出音量;而 媒体曲目切换及播放/暂停命令,经应用处理后,发送给 HID,通过AOA 2.0 Stack发送给安卓设备。

图7 软件架构框图

程序在Flash的布局

  程序在flash中的布局如图8所示,0x0000 0000~0x0000 6000空间分配给boot loader,用于对安卓音频附件固件进行SD卡升级,剩下部分为应用程序空间。

图 8 MCU Flash 布局

软件功能

  ·支持AOA Protocol 2.0 audio profile及HID*

  ·支持USB同步音频输入(44.1kHz采样率,16位,双声道)*

  ·支持I2S 立体声音频输出*

  ·支持TSI触摸板控制输入,进行音量调节、曲目切换与暂停/播放操作*

  ·支持I2S0的DMA传输以减少CPU负载*

  ·支持I2C与CODEC进行控制传输*

  ·支持SD卡升级固件功能,简单方便*

编译环境

  采用 CodeWarrior Freescale Tool Chain编译

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