如何利用KL27+ALC5658实现48kHz/24bits的USB音频设备

NXP管管

本文主要描述如何参考SDK的代码，通过KL27驱动ALC5658实现48kHz/24bits (48kHz采样率，24bits音频数据宽度)的设计要求。


拟实现的功能包括：


      1.通过USB连接该设备及PC，PC成功安装相应驱动后，该设备即可作为USB声卡使用；


      2.通过‘LINE IN’接口连接该设备及其它播放器，作为录音设备。

USB音频设备的实现

1、系统流程

图1. 音频数据传输过程

录音过程 →

   第1步，CODEC通过‘Line-In’采集模拟音频信号，

   第2步，CODEC(I2S Master)通过I2S接口将音频采样数据发送至MCU(I2S  Slave)，

   第3步，MCU将程序处理后的音频数据通过USB接口传输至PC。

接下来将简要叙述音频数据的格式及软件程序：

CODEC作为I2S主机设备，将 ‘LINE IN’输入的模拟音频进行处理并通过I2S接口传输至MCU。考虑到在CODEC配置中，设置有效音频数据的长度为24bits；在SAI配置中，设置音频数据采样的长度为32bits；因此使用者实际将获得32bits的音频采样数据，其中包含3字节有效音频数据及CODEC自动添加的1字节0x00，如下图所示：

图2. CODEC输出的音频采样数据

DMA通道会传输32bits音频数据至SAI Receive Data Register (I2Sx_RDRn)。
【编程注意: DMA并不支持搬运24位数据，因此，针对本文所提出的48khz/24bits的需求，应将24位数据补8位的0值以构成32位才行。】

开发者需要删除上述音频采样数据中的首字节0x00，然后将剩余3字节有效音频数据通过USB接口传输至PC。

【备注: 可参考SDK提供的API: USB_AudioRecorderGetBuffer】

图3. 原始4字节音频数据包含1字节0x00

图4. 删减1字节0x00后的音频数据

播放过程

    步骤1，PC通过USB接口向MCU发送音频数据，

    步骤2 MCU(I2S Slave)将音频数据进行处理，并通过I2S接口将处理后的音频数据发送至CODEC(I2S Master)。

    步骤3，Line-Out将音频数据输出，用户可连接耳机体验音频输出。

接下来将简要阐述音频数据的格式及软件程序的主要修改：

    PC通过USB接口向MCU发送3字节音频数据；

    在SAI配置中，设置音频数据采样的长度为4字节，可采取在现有的3字节音频数据起始位置补1字节0x00的方法构成4字节数据。

   【备注: 参考SDK提供的API: USB_AudioSpeakerPutBuffer】

图5.原始3字节音频数据

图6. 开头补1字节后的4字节音频数据

SDK的API USB_AudioSpeakerPutBuffer对于音频数据的处理过程如下表所示

上表中带下划线的0x00即表示软件添加的1字节数据。

通过DMA搬运修改后的音频采样数据至SAI Transmit Data Register (I2Sx_TDRn)

图7. CODEC输出添加1字节0x00后的音频采样数据

2、SAI及CODEC配置

   CODEC：音频数据的有效长度为24位。
   SAI：一个音频数据的采样包含32位数据。

下面将对主要的时钟信息进行描述，

1) 主时钟(MCLK)可以由PLL倍频或外部晶体提供，频率为24.567Mhz。

2) 串行时钟(BCLK/SCLK)可以通过MCLK得到，例如

如果时钟分频系数为16，则BLCK = MCLK / 16 = 24.567Mhz / 16 = 1.5035Mhz
这个值对应于48KHz的采样率，每个采样包括2个通道(立体声)和2个字节(16位)。

如果时钟分频系数为8，则BLCK = MCLK / 8= 24.567Mhz / 8=3.0709 Mhz
这个值对应于48KHz的采样率，每个采样包括2个通道(立体声)和4个字节(32位)。

音频数据传输相关的时序图及时钟信息，如下图所示，

TechSugar

图8. 音频数据采样时钟

Channel 2: BCLK / SCLK
I2S/SAI发送和接收机制支持异步位时钟(BCLKs)，它可以由主时钟分频得到或通过外部提供。

Channel 3: LRCK/WS
帧时钟WS(word select)/LRCK(left-right clock)，也被称为采样频率，用于切换左右通道的数据。

当LRCK为“1”时，表示所传输的数据为右通道的数据；

当LRCK为“0”时，表示所传输的数据为左通道的数据。

例如，本文所述的帧时钟 (LRCK/WS)为48kHz，经运算得到3.07MHz的串行时钟(BCLK / SCLK)(2 * 32bits/word * 48000Hz)。



3、硬件设计概述

引脚选择

USB音频设备所使用的引脚均需根据需要设置mux状态，包括I2C接口、I2S接口、UART接口、USB接口和音频时钟输出。引脚配置信息如下表所示：

外设功能

USB音频应用程序使用的每个外设或接口的功能如下表所示：

USB音频设备验证

若按照本文所述软件设计思路生成代码，且下载成功后，可通过USB接口连接至PC，此时USB同时将设备枚举为音频类设备，包括播放和录音设备，如下图所示：

图9. 播放设备

图10. 录音设备

下面是音频数据传输相关的时序图及时钟信息：

图11. 音频数据传输相关的时序图

总结

本文对所参考的SDK主要进行了以下一些修改：

1）播放功能是依据这个例程项目修改而来：SDK_2.4.1_TWR-KL43Z48M\ ...\usb_device_audio_speaker_lite

涉及到如下文件：

     usb_device_descriptor.h，需要对音频数据格式、音频数据包大小等信息进行重新配置，例如AUDIO_FORMAT_BITS、    AUDIO_FORMAT_SIZE、FS_ISO_OUT_ENDP_PACKET_SIZE等。

     audio_speaker.c，这部分代码中的DMA搬运音频数据量，及I2S中关于音频数据长度等信息均需要重新配置。

     CODEC: SDK代码的CODEC选型为WM8904，因此使用者需要根据所选CODEC的型号，对其进行重新配置。

2）录音功能是依据这个例程项目修改而来：SDK_2.6.0_FRDM-KL43Z\ ...\usb_device_audio_generator_lite

     需要使用者重新配置的内容与前面的播放功能相同原理。

总体来讲，本文主要阐述了一种USB音频数据的48khz/24bits解决方案，并对相关修改部分进行了简要说明，用户可以下载SDK代码并进行相应修改及验证。


作者：张启鹏     文章出处：恩智浦MCU加油站

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你好,大佬,我参考这个思路,用在 rt1176 上, 把 sai 24bit 的配置成 32bit, 8960 也配置为32bit, 目前基本播放有声音出来了,但是有破音 ,  读取 24bit 后转换为 32bit 数据进行播放的,

请教下大神, 有破音是哪里没有处理好造成的啊 ?

另外播放速度及播放完成时间是正确的
读取 24bit 转 32bit 的函数:


这个转换有没有什么问题呀 ??