使用i.MX RT1010 FlexIO模拟I2S

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使用i.MX RT1010 FlexIO模拟I2S

本文主要介绍如何使用FlexIO模块，模拟I2S接口进行音频数据的发送和接收。使用FlexIO模块模拟的I2S接口可以代替传统的I2S/SAI外设来传输音频数据，节省CPU资源。


i.MX RT1010处理器基于Arm Cortex-M7平台，具有很高的CPU性能和最佳的实时响应，且拥有丰富的外设资源。本文通过一个简单的例程，来演示FlexIO模块模拟I2S总线接口的过程，并进行了验证。
文中的例程使用模拟的I2S接口，将音频数据接收到SRAM缓冲区中进行处理，再将音频数据传输到音频播放设备，实现音频数据的数字回环，音频数据的处理都基于i.MX RT1010 EVK板上的Codec芯片实现。

硬件平台

FlexIO模拟I2S接口的例程基于i.MX RT1010 EVK板，实际硬件平台下图所示。

为了例程能够成功演示，需要注意以下几点：


音频扬声器的数字接口插入RT1010 EVK板的J11端口。


将ISP拨码开关SW8更改为0b0010。


将USB插到板上的J9口进行供电。


将J1-3和J1-4引脚用短路帽连接。


对i.MX RT1010EVK板需要进行修改：


去掉板上的R85，R87，R88，R20这几个电阻。


将FLEXIO用到的引脚按如下关系进行硬件连接：

应用

本节介绍了使用FlexIO模拟I2S接口的一些设计要点，重点是FlexIO模块配置介绍。


1. 系统架构
例程的整个架构和I2S接口的连接关系如下图所示。

i.MX RT1010作为I2S的从机设备，利用FlexIO模拟了四根引脚，它们分别是I2S接口的SDA_RX、SDA_TX、FSYNC（WS）以及BLCK。


WM8960编解码器作为I2S的主机设备，从麦克风接收音频信号，然后通过SDA_RX引脚将音频数据传输到RT1010。RT1010将接收的音频数据处理后，再通过SDA_TX引脚发送给WM8960，WM8960将PCM数据转成模拟信号交由扬声器播放。
此外，RT1010通过I2C接口对WM8960进行初始化配置操作。
2. 时钟及采样频率配置
与MCU做为I2S主机不同的是，当MCU作为I2S从机时，FSYNC和BLCK信号是由WM8960产生的，因此第一步要把WM8960配置成master模式。


WM8960的MCLK时钟可以由RT1010提供，也可以由WM8960提供。本应用中，我们利用RT1010产生MCLK信号比较方便，并把MCLK配置为6.144MHz。
常见的I2S采样频率通常有两组，如下所示。

本应用中，I2S采样频率配置为16kHz，同样WM8960的采样频率也需要被配置为16kHz。一旦I2S的采样频率确定了，那FSYNC信号的频率也就确定了，也为16kHz。


为了能够模拟I2S接口作为slave模式，FlexIO的时钟配置是有一定要求的，它必须是采样频率的某个倍数，这样FlexIO的定时器才能匹配这个频率。在本应用中，FlexIO时钟被配置为6.144MHz，FlexIO模拟的I2S接口基于这个时钟来实现。
下一步，需要对WM8960进行一系列配置，使其从板载麦克风采集的音频信号在传输给RT1010时，是16KHz，32bit的立体声（左右声道）音频数据。
接着，我们需要计算并配置FlexIO的各个引脚时钟，BCLK时钟信号是由WM8960产生的，MCLK作为WM8960的参考时钟，经过分频得到BCLK时钟，过程如下：
FSYNC = 16KHz


MCLK = 6.144MHz


BCLK = FSYNC * 声道数 * 声道位宽 = 16KHz * 2 * 32 = 1.024MHz


BCLK_DIV （BLCK分频系数） = MCLK / BCLK =6.144MHz / 1.024MHz = 6


下面示例给出了WM8960编解码芯片的部分配置代码：

1. <font size="3" face="微软雅黑">wm8960_config_t wm8960Config = {
   
2.     .i2cConfig             = {.codecI2CInstance = BOARD_CODEC_I2C_INSTANCE,
   
3.                                 .codecI2CSourceClock = BOARD_CODEC_I2C_CLOCK_FREQ },
   
4.     .route                = kWM8960_RoutePlaybackandRecord,
   
5.     .rightInputSource = kWM8960_InputDifferentialMicInput2,
   
6.     .playSource         = kWM8960_PlaySourceDAC,
   
7.     .slaveAddress      = WM8960_I2C_ADDR,
   
8.     .bus                    = kWM8960_BusI2S,
   
9.     .format                = {.mclk_HZ = 6144000U,
   
10.         .sampleRate          = kWM8960_AudioSampleRate16KHz,
    
11.         .bitWidth            = kWM8960_AudioBitWidth32bit},
    
12.     .master_slave       = true,
    
13. };
    
14. codec_config_t boardCodecConfig = {
    
15.     .codecDevType      = kCODEC_WM8960,
    
16.     .codecDevConfig    = &wm8960Config
    
17. };
    
18. /* Init codec */
    
19. CODEC_Init(&codecHandle, &boardCodecConfig);</font>

复制代码

3. FlexIO 模拟
FlexIO是一个具有多种功能，高度可配置的模块，具有以下特点：

支持多种串行/并行通信协议的仿真，例如UART，I2C，SPI，I2S等。
灵活的16位定时器，支持多种触发，复位，使能和禁止条件。
可编程逻辑块，允许在片上实现数字逻辑功能以及内部和外部模块的可配置交互。
可编程状态机，用于不依赖CPU而实现基本的系统控制功能。
在i.MX RT1010上，FlexIO共有27个引脚。


本应用一共使用了4个FlexIO引脚（FlexIO03引脚，FlexIO21引脚，FlexIO22引脚，FlexIO26引脚）分别模拟I2S接口的SDA_RX引脚，BCLK引脚，FSYNC引脚和SDA_TX引脚。下图显示了FlexIO模拟I2S接口的内部连接。

Timer0和定时Timer2连接的FlexIO引脚分别用于产生BCLK信号和FSYNC信号，而SHIFTER0和SHIFTER2的FlexIO引脚分别用于产生SDA_TX信号和SDA_RX信号。


下面分别介绍SHIFTER和Timer使用方法和配置。
通过配置SHIFTCTL寄存器，可以将SHIFTER配置成6种模式，本应用中只需要关注Transmit模式和Receive模式就行。
先对SHIFTER0进行配置。将SHIFTER0配置为Transmit模式，SHIFTER0在移位时钟的上降沿将SHIFTBUF0中的数据从TX引脚输出。SHIFTER2被配置为Receive模式，同样SHIFTER2在移位时钟的下降沿从RX引脚上获取数据并放入SHIFTBUF2。当数据从SHIFTER加载到SHIFTBUF寄存器中或数据从SHIFTBUF寄存器加载到SHIFTER中时，如果已经将SHIFTER状态标志位（SHIFTSDEN SSDE）置1，就可以产生一个DMA请求。
整个 SHIFTER的微体系结构如下图所示，它充分展示了SHIFTER中各个模块之间的关系以及IO引脚输入输出的关系。

下面需要对Timer0和Timer2进行配置。


当Timer2检测到FSYNC的上升沿时使能，当其检测到trigger事件的下降沿时禁用。Timer0的使能发生在BLCK的上升沿以及Timer2的trigger事件检测为高电平时，Timer0的关闭发生在其自身的比较事件产生时。此外，Timer0和Timer2的时钟状态需要被初始化为逻辑1。Timer2的时钟模式需要被配置为16位计数模式，其比较事件产生的值设置为0，并使用FSYNC引脚的输入作为递减量，使用BCLK引脚的输入作为trigger事件。Timer0的时钟模式需要被配置为16位计数器，并使用BCLK引脚的输入作为递减量。在此应用中，Timer2的比较事件产生的值设置为127（32 * 4-1），这是根据64bit一帧的音频数据位宽长度计算得到的。
下面给出了详细的寄存器配置：
FlEXIO01.SHIFTCTL[0] = 0x00031A02


FlEXIO01.SHIFTCTL[2] = 0x00800301


FlEXIO01.TIMCTL[0] = 0x0B401583


FlEXIO01.TIMCTL[2] = 0x2A401683


FlEXIO01.TIMCFG[0] = 0x00202500


FlEXIO01.TIMCFG[2] = 0x00206400


FlEXIO01.TIMCMP[0] = 0x0000007F


FlEXIO01.TIMCMP[2] = 0x00000000


4. 音频数据流处理
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，下图给出了一种处理PCM数据的方法。

每当FlexIO中的SHIFTER有DMA请求产生时，应立即从SHIFTBUF读取或写入音频数据。图中两个缓冲区用于PCM数据的发送和接收，这两个缓冲区构成了ping-pong buffer。PCM数据帧的位宽为64位（左通道和右通道），每个缓冲区被设置为256bit，即存放4帧PCM数据，每当一个缓冲区中的PCM数据接收满或发送时，下一个缓冲区将立即开始接收或发送。

总结


本文介绍了利用i.MX RT1010的FlexIO模块来模拟I2S接口的方法和例程。当CPU硬件资源不足，FlexIO可以模拟I2S接口以很好地传输音频数据。使用FlexIO模块模拟I2S接口时，有两个注意事项：


由于FlexIO同步延迟，当FlexIO用来模拟I2S从设备时，串行数据的输出有效时间是FlexIO时钟周期的2.5倍。因此，I2S的BCLK最大时钟频率应当是FlexIO时钟频率的六分之一。


FlexIO是一个功能强大，非常灵活的模块，除了本文给出的Timer和SHIFTER的配置外，读者也可以利用其它配置模拟出I2S接口。

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