环绕立体声(5.1声道)的USB传输、播放与实现

eefishing · 发表于 2019-1-24 21:52:03

5.1环绕声是六声道环绕声音响系统的通用名称，是家庭影院中最常用的布局。它使用五个全带宽声道和一个低频效果，包括左前、右前、中前、低频增强、左环绕和右环绕，共六个声道。

随着人们对音乐质量和体验的要求越来越高，为了有效地控制成本，使用微控制器实现5.1声道音频的传输和播放，成为很多音箱控制系统的首选。

那么，小编就在这里和大家分享一下，在微控制器上实现5.1声道环绕立体声通过USB传输和播放的知识。

5.1声道环绕立体声音响的最小系统如下图所示，USB主机通过USB连接USB设备(音响)，按照USB音频协议传输音频数据。音响通过I2S总线时分复用，将音频数据输出至音频CODEC(DAC)，经过模数转换，输出到扬声器。

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按照音频数据流动的顺序，小编首先介绍USB主机和作为USB设备节点的5.1声道音频的USB传输，然后介绍通过I2S将5.1声道音频输出到扬声器。

5.1声道音频USB传输

说起音频通过USB传输，不得不提起USB 音频类。

USB 音频类(USB Audio Class)由USB-IF定义，用于所有处理USB设备(Device)或复合设备中嵌入音频功能(Audio Function)，常见的应用包括USB音响、USB麦克风、USB耳机等。

USB音响最小系统配置，包含一个音频控制接口和一个音频流接口。

音频控制接口用于处理音频功能中的所有音频控制，如音量控制、声道增强/均衡、延时及静音等。

而音频流接口用于将音频数据流传入USB设备。

属于同一功能的音频控制接口、音频流接口以及MIDI流接口的集合，称为音频接口集(AIC)。

为了能描述USB音频设备的功能属性，USB音频类协议将每个设备中的各个部件，按功能分解为可寻址的实体(Entity)。

USB音频类协议定义了两种通用的实体，分别叫做单元(Unit)和终端(Terminal)。

单元提供了完整地描述大多数音频功能的基本构建模块，音频功能正是通过连接多个单元来构建的。

每个单元有一个或多个输入终端和一个输出终端。

USB音响的最小系统有一个输入终端，一个特征单元或处理单元，及一个输出终端。

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输入终端是音频功能外部模块到内部其它单元的接口，是流入音频信息的入口；当数据从原始音频流中正确解析至各逻辑声道后，输入终端作为其它单元的数据源，将由逻辑声道组成声道簇，通过单一输出节点输出。

所有声道的音频信息是紧密相关且互相同步的，它们的组合称作声道簇。声道簇中各声道的音频信息有相同的特性(如采样率、采样精度等)。声道簇中的声道编号范围为1至声道个数。

5.1声道USB音响与传统单声道或者双声道USB音响的区别，在于声道簇的变化。根据USB音频类协议，输入终端描述声道簇的构成和拓扑，具体上讲，声道簇描述符包括bNrChannels域和BmChannelConfig域。

bNrChannels域描述了声道簇中逻辑声道的数量，对于5.1声道环绕立体声，bNrChannels为6。

BmChannelConfig域描述了声道簇中各个声道的空间位置关系，简单地说就是各扬声器的摆放位置，5.1声道环绕立体声包括左前、右前、中前、低频增强、左环绕，右环绕六个声道。

除了输入节点的变化，音频流接口描述和音频流端点包大小，也需要根据声道进行调整。

5.1声道音频的播放

上面简单介绍了USB音频传输中的基本概念，以及5.1声道传输的特殊性，下面讨论一下在实现USB音频传输时，一些需要考虑的要点。

5.1声道音频的播放需要特定音频CODEC(音频数模转换器)的支持，这些音频CODEC一般通过I2C总线配置控制参数，通过I2S总线接收来自微控制器的音频数据。

一个简单的USB设备音响的软件架构如下图所示。

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全速USB以1ms为单位进行数据传输，USB主机每1ms传输的音频数据量，可以通过声道数、音频采样率和采样精度相乘得出。

这些音频数据被放入音频缓冲区中。音频缓冲区的作用在于防止偶然的传输延迟导致的音频破音。一般情况下，软件上应该保证只有当音频缓冲区到达一定水平时，才开始将数据取出缓冲区送向I2S外设。

为了保持音频数据持续高效地从音频缓冲区送向I2S设备，I2S DMA通常是音频播放的不二选择，通过两个相互连接的DMA描述符，双缓冲区DMA交替从音频缓冲区读取数据和向I2S外设输出数据，当ARM内核完成一个缓冲区的填充时，DMA控制器操控另一个缓冲区将数据发射到外设。

音频缓冲区的大小和DMA缓冲区的大小，都正比于音频声道的数量，对于5.1声道音频，缓冲区内存通常会占用较大的SRAM空间。

I2S外设控制器需要配置成为TDM模式以支持5.1声道音频的传输，这个配置对于LPC5460x系列微控制器来讲简单的难以置信，只需要2步3行程序即可。

设置I2S传输帧长为(16bits每采样点每声道)

1s_TxConfig.frameLength = 16 * AUDIO_FORMAT_CHANNELS;

复制代码

设置I2S子通道1/2的帧偏移

<p> 2I2S_EnableSecondaryChannel(I2S_TX, kI2S_SecondaryChannel1, false, 32); </p><p> 3I2S_EnableSecondaryChannel(I2S_TX, kI2S_SecondaryChannel2, false, 64); </p>

复制代码

在LPC5460x SDK中，双声道USB音频播放的实例是usb_device_audio_speaker。该例子实现了上述软件框架中的所有部分，借用它小编只改了不到十行的代码，就成功地实现了5.1声道音频的USB传输和播放。注：音频播放需要外部音频CODEC支持，原开发板上的WM8094不支持5.1声道音频播放，须替换合适的CODEC。

当代码修改完成后，就可以将USB音响设备连接到笔记本电脑进行测试了。USB音响连接到电脑后，Windows可以自动安装默认USB音频设备驱动，并枚举USB设备。当USB 5.1声道音响设备枚举成功后，可以通过WINDOWS音频控制台来进行基本测试。

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