i.MX RT600之I2S外设介绍及应用

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i.MX RT600之I2S外设介绍及应用

恩智浦的i.MX RT600是跨界处理器产品，同样也是i.MX RTxxx系列(三位数字)的开山之作。不同于i.MX RT1xxx系列单片机，i.MX RT600 采用了双核架构，将新一代Cortex-M33内核与高性能Cadence Tensilica HiFi 4 音频DSP内核相结合，适用于32位沉浸式音频播放和视频用户界面应用。
i.MX RT600旨在通过安全、功率优化的嵌入式处理器充分挖掘语音辅助终端节点的潜力，因此针对音频数据的采集、传输和处理，i.MX RT600都有丰富的硬件资源进行支持。其中，针对RT600的I2S外设，本文详细地进行了介绍，并基于i.MX RT600 EVK开发板，在RT600的DSP端（HiFi4）实现了一个音频数字回环的演示。

一、I2S介绍

I2S 接口
I2S总线为数字音频流的传输提供了标准的通信接口，由飞利浦制定。I2S总线规范定义了一种3线串行总线，分别是：

1.串行时钟SCK（也称位时钟BCLK），这是SDA线上数据的位时钟。对应SDA的每一个数据位，SCLK都有产生一个脉冲。

2.帧时钟WS（也称LRCK，或FSYNC），以大多数单一立体声格式的PDM数据来说，WS用于切换左右声道的数据；在DSP或TDM模式下用作帧定界符。此外，I2S的采样频率是由WS频率决定的。

3.串行数据（SDA），就是用二进制表示的音频数据流，单个SDA提供一个音频数据流，该数据流可能具有多种格式。

I2S接口除了以上3个信号线外，在实际应用中还需要MCLK（Master CLK）时钟。在某些I2S系统中，I2S从设备可能需要使用MCLK来构建位时钟。一般情况下，它是采样率（fs）的整倍数，例如256fs，64fs等。

RT600 I2S硬件架构

i.MX RT600一共包含8个可配置的通用串行接口模块（Flexcomm接口），Flexcomms 0至6可以配置为I2S接口用于数字音频数据的传输。
下图为I2S子系统的整体架构图，每个I2S模块都包含集成的FIFO和DMA支持， 每个I2S接口最多支持四个通道对的数据。

I2S帧格式

介绍完了I2S的接口定义，下面介绍在我们i.MX RT600上I2S外设提供了哪些帧格式。
首先是经典I2S模式（Classic I2S mode），经典I2S模式规范在SDA上定义了2声道立体声数据，其中WS状态标识左（低）声道和右（高）声道，并且在WS转换后，数据延迟1个SCK时钟。经典I2S模式的示意图如下所示。

第二种模式是DSP模式（DSP mode）。在DSP模式中，不使用WS来标识左右声道数据，而是将通道的音频数据打包成位流的模式。
在这种模式下，一包完整的音频数据流从WS帧的上升沿开始。通过WS的变化，DSP模式可以演变出如下图所示的三种模式，分别为DSP mode with 50% WS，DSP mode with 1 SCK pulsed WS和DSP mode with 1 slot pulsed WS。

第三种模式为TDM模式。TDM模式能够最多打包4个通道对（左右声道）的音频数据以位流的形式传输， 可以与DSP模式或经典I2S模式结合使用。
经典I2S模式下的TDM示意图如下图所示，一共有4对Slot音频数据（共8声道音频数据），通过如图所示的帧格式由一根SDA总线进行传输。

当然这边需要注意的是，RT600上I2S的SDA总线能发送最多4对Slot音频数据。
另外寄存器”Configuration 1“和 ”Configuration register 1 for channel pairs 1, 2, and 3“ 中的ONECHANNEL位，决定了I2S的数据通道是否为单通道模式。
例如：如果ONECHANNEL设置为0，那么该通道的I2S数据流会被I2S总线视为左右声道数据，如果ONECHANNEL设置为1，那么该通道对的I2S数据流被视为单个声道数据。以上所有举例的帧格式示意图都是以ONECHANNEL=0为基础的。

除了经典I2S模式下的TDM，还有在DSP模式下的TDM格式帧，下图展示的是TDM在DSP modes with 1 SCK pulsed WS模式下的帧格式。因此，RT600能够产生的I2S帧格式的种类是非常丰富的，用户可以根据自己的需求进行配置。

二、应用

系统架构

在此应用中，音频数字回环demo的整个架构如图所示。

WM8904编解码器通过音频数据线来接收音频信号。音频信号经过WM8904后会转变成PCM信号。HiFi4通过一路I2S接口连续不断地接收PCM信号，并使用另一个I2S接口将PCM信号发送回WM8904编解码器，最后WM8904编解码器输出的音频信号会给播放设备实时播放。另外，HiFi4利用一路I2C接口对WM8904进行初始化配置操作。

时钟配置及采样频率计算

在RT600上使用I2S外设做音频数字回环的关键一步是选择I2S外设的时钟源，以及配置I2S的采样频率。

首先需要确定MCLK和I2S的时钟源。如图所示，MCLK有两个时钟源，分别是48/60m_irc和audio_pll-clk，而I2S至少有5个时钟源。在此应用中,我们把MCLK和I2S的时钟源均设置为audio_pll_clk。

配置完MCLK和I2S外设的时钟源后，下一步就是根据实际应用需求配置MCLK的时钟频率和I2S的时钟频率。I2S的采样频率通常有两大类，下表列出了这两类典型的I2S采样频率。一旦I2S的采样频率确定了，那WS信号的频率也就确定了。

对于RT600来说，I2S采样频率是由I2S的时钟源分频得到的，而WS采样频率有上表所列的两大类，为了能够精确地通过时钟分频系数来计算得到这些典型的采样频率，笔者根据经验总结，将I2S的时钟输入源配置为11.289MHz和24.576MHz是比较容易和推荐的。如果I2S的时钟源为11.289MHz，那么44.1KHz可以通过对其分频得到；如果I2S的时钟源为24.576MHz，那么96KHz或者48KHz也可以通过对其分频得到。

在音频数字回环的demo中，选择的信号源为PC端48KHz，16bit的立体声（左右声道）音频信号。我们以此来计算并配置时钟，过程如下：

将时钟源audio_pll_clk配置为24.576MHZ，即audio_pll_clk = 24.576MHZ

WS = 48KHz

MCLK = audio_pll_clk = 24.576MHz

BCLK = WS  * 声道数 * 声道位宽 = 48KHz * 2 * 16 = 1.536MHz

I2S_DIV(I2S分频系数) = audio_pll_clk / BCLK = 24.576MHz / 1.536MHz = 16

此外，在本应用中还需要将I2S模式配置为经典I2S模式。

以下代码给出了I2S时钟的具体配置：

1. #define DEMO_AUDIO_BIT_WIDTH (16)
   
2. #define DEMO_AUDIO_SAMPLE_RATE (48000)
   
3. #define DEMO_I2S_CLOCK_DIVIDER 24576000/2/16/48000
   
4. /* attach AUDIO PLL clock to FLEXCOMM1 (I2S1) */
   
5. CLOCK_AttachClk(kAUDIO_PLL_to_FLEXCOMM1);
   
6. /* attach AUDIO PLL clock to FLEXCOMM3 (I2S3) */
   
7. CLOCK_AttachClk(kAUDIO_PLL_to_FLEXCOMM3);
   
8. /* attach AUDIO PLL clock to MCLK */
   
9. CLOCK_AttachClk(kAUDIO_PLL_to_MCLK_CLK);
   
10. CLOCK_SetClkDiv(kCLOCK_DivMclkClk, 1);
    
11. SYSCTL1->MCLKPINDIR = SYSCTL1_MCLKPINDIR_MCLKPINDIR_MASK;
    
12. /* Set shared signal set 0: SCK, WS from Flexcomm1 */
    
13. SYSCTL1->SHAREDCTRLSET[0] = SYSCTL1_SHAREDCTRLSET_SHAREDSCKSEL(1) | SYSCTL1_SHAREDCTRLSET_SHAREDWSSEL(1);
    
14. /* Set flexcomm3 SCK, WS from shared signal set 0 */
    
15. SYSCTL1->FCCTRLSEL[3] = SYSCTL1_FCCTRLSEL_SCKINSEL(1) | SYSCTL1_FCCTRLSEL_WSINSEL(1);
    
16. s_TxConfig.divider = DEMO_I2S_CLOCK_DIVIDER;
    
17. s_RxConfig.divider = DEMO_I2S_CLOCK_DIVIDER;

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WM8904 Codec介绍

WM8904是为便携式音频应用而优化的高性能超低功耗立体声编解码器。WM8904使用标准的I2C总线控制接口，提供对WM8904所有功能的软件配置。

在本应用中，WM8904作为I2C从设备，HiFi4可以通过I2C接口与编解码器通信，并且可以使用I2C进行编解码器初始化和配置。WM8904的单个寄存器的读写操作时序图如下所示。为了允许在同一接口上仲裁多个从机（或多个主机），WM8904通过使SDA引脚处于三态（而不是将其拉高）来发送逻辑1，因此需要一个外部上拉电阻来将SDA拉高。

同样WM8904也需要被配置为经典I2S模式，其示意图如下所示。可以对比发现，与我前文介绍的经典I2S模式是一致的。在检测到LRCLK边沿后，MSB在BCLK的第二个上升沿可用。然后按顺序传输直到最低位。另外，可以看到在一个采样的LSB和下一个采样的MSB之间有可能会存在未使用的BCLK时钟信号，这个跟WM8904被配置的采样位有关。

以下代码给出了WM8904的具体配置：

1. <font size="3" face="微软雅黑">wm8904_config_t wm8904Config = {
   
2.     .i2cConfig          = {.codecI2CInstance = BOARD_CODEC_I2C_INSTANCE, .codecI2CSourceClock
   
3.                         = 19000000U},
   
4.     .recordSource       = kWM8904_RecordSourceLineInput,
   
5.     .recordChannelLeft  = kWM8904_RecordChannelLeft2,
   
6.     .recordChannelRight = kWM8904_RecordChannelRight2,
   
7.     .playSource         = kWM8904_PlaySourceDAC,
   
8.     .slaveAddress       = WM8904_I2C_ADDRESS,
   
9.     .protocol           = kWM8904_ProtocolI2S,
   
10.     .format             = {.sampleRate = kWM8904_SampleRate48kHz, .bitWidth
    
11.                             = kWM8904_BitWidth16},
    
12.     .mclk_HZ            = 24576000U,
    
13.     .master             = false,
    
14. };
    
15. static void I2C_Config(void)
    
16. {
    
17.   PRINTF("Configure WM8904 codec\r\n");  /* protocol: i2s * sampleRate: 48K  * bitwidth:16*/
    
18.   if (CODEC_Init(codecHandle, &boardCodecConfig) != kStatus_Success)
    
19.   {
    
20.     PRINTF("WM8904_Init failed!\r\n");
    
21.   }  /* Initial volume kept low for hearing safety. */
    
22.   CODEC_SetVolume(codecHandle, kCODEC_PlayChannelHeadphoneLeft         |kCODEC_PlayChannelHeadphoneRight, 0x0020);
    
23. }</font>

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DMA和中断配置


在RT600上做音频数据的处理推荐用DMA，从而减少对CPU资源的消耗。DMA在RT600上推荐的用法是CM33核使用DMA0，而HiFi4使用DMA1。此外，在HiFi4中使用DMA与在CM33端是有一定区别的，这个主要体现在以下几点：


需要在XOS或XTOS中注册并启用HiFi4中断。


在HiFi4中DMA操作的SRAM地址必须是non-cacheable。


需要使用INPUTMUX注册HiFi4中断。


这些注册的中断与HiFi4的连接关系如下表所示。表中除了提供所需的中断选择之外，还显示了各个中断的中断优先级。L1中断的优先级最低，而L3中断的优先级最高。

以下代码给出了HiFi4 DMA和中断的具体配置：

1. <font size="3" face="微软雅黑">DMA_Init(DMA1);/* XCHAL_EXTINT19_NUM, intlevel 2 */INPUTMUX_AttachSignal(INPUTMUX, 18U, kINPUTMUX_Dmac1ToDspInterrupt);
   
2. xos_register_interrupt_handler(XCHAL_EXTINT19_NUM,
   
3.                                    (XosIntFunc *) DMA_IRQHandle,
   
4.                                      DMA1);
   
5. xos_interrupt_enable(XCHAL_EXTINT19_NUM);       
   
6. DMA_EnableChannel(DMA1, DEMO_I2S_TX_CHANNEL);
   
7. DMA_SetChannelPriority(DMA1, DEMO_I2S_TX_CHANNEL, kDMA_ChannelPriority3);
   
8. DMA_CreateHandle(&s_DmaTxHandle, DMA1, DEMO_I2S_TX_CHANNEL);
   
9. DMA_EnableChannel(DMA1, DEMO_I2S_RX_CHANNEL);
   
10. DMA_SetChannelPriority(DMA1, DEMO_I2S_RX_CHANNEL, kDMA_ChannelPriority2);
    
11. DMA_CreateHandle(&s_DmaRxHandle, DMA1, DEMO_I2S_RX_CHANNEL);</font>

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音频数据流的处理


MCU在同时接收和发送PCM数据并进行播放的应用场景中，容易出现播放音乐卡顿的情况，为了避免出现这种卡顿，一个好的传输机制是必不可少的，下图就给出了一个处理PCM数据的思路。

如图示，总共3个缓冲区用于PCM数据发送（TX）和接收（RX），数据的发送和接收都是通过I2S通道触发DMA请求完成的，这3个缓冲区构成一个闭环。每当一个缓冲区中的PCM数据接收满时，下一个缓冲区将立即开始接收，发送也同理，而且数据的接收和发送是同步的。通俗易懂的讲，I2S的TX永远追不上I2S的RX，并且TX和RX之间永远有个缓冲区是准备好的。从初始框图中可以看到，一开始连续两次提交了I2S的TX和RX的DMA请求，这是为了能够使PCM发送和接收的DMA请求之间从一开始就是无缝衔接的，这能够保证PCM传输不出现时延。
当然，缓冲区的数量取决于用户的实际需求。当缓冲区为2时，这就构成了一个典型的乒乓缓冲区（ping-pong buffer）。为什么我这里采用了3个缓冲区构成1个ring buffer而不采用简单的ping-pong buffer呢？肯定有人很疑惑，这是因为当PCM数据较为复杂时，例如我介绍的另一篇"RT600之DMIC外设介绍及应用"的文章中，就需要ring buffer的机制。
在本应用中，1帧PCM数据的位宽为32bit（左右声道各16bit），每个缓冲区设置有8帧PCM数据，也就是说每个缓冲区的PCM数据长度为256bit。每个缓冲区的PCM数据长度也对应了I2S通道每次传输的数据长度，在RT600中I2S一次能够传输的音频数据长度最大支持2048bits，所以不能超过这个范围。


三、RT600硬件演示平台搭建


为了演示I2S音频数字回环的demo，需要有一块如下图所示的RT600 EVK RevE板子，然后还需要注意以下几点：
JP7.1连接到JP7.2。


JP8.1连接到JP8.2。


J3口作为音频信号的输入，可以连接到PC端。


J4口作为音频信号的输出，连到扬声器。


将ISP开关（SW5）切换成0b010，即ON，OFF，ON


将USB插入板上J6口。

至此，RT600之I2S外设介绍完毕。





作者：范乔丹@NXP              文章出处：恩智浦MCU加油站

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