基于 MCXN236 实现 UAC2.0 多通道 TDM Audio Bridge

小恩GG

1. 项目背景

在专业音频设备、会议系统、多通道采集设备以及 USB Audio Interface 产品中，经常需要实现 USB 与外部音频 Codec 之间的数据桥接。

某客户希望开发一款基于 USB Audio Class 2.0（UAC2.0）的多通道音频桥接设备，并提出以下要求：

USB侧要求

• USB Audio Class 2.0 Device
• Full-Duplex Audio
• Windows 原生驱动支持
• 无需安装任何自定义驱动
  

也就是说：

• MCU作为USB Device
• Windows PC作为USB Host
• 使用Windows自带UAC2.0驱动
• 同时支持播放与录音
  

音频格式要求

• 48 kHz Sampling Rate
• PCM Format
• 24-bit Valid Audio Data
• 32-bit Slot Alignment
  

Codec接口要求

MCU与Codec之间采用SAI TDM接口：

• TDM Mode
• 32-bit Slot Width
• 24-bit Valid Audio Data
• 48 kHz Sampling Rate
  

通道配置

客户的收发通道并不对称：

音频方向	通道数
Playback	2 Channels
Recording	6 Channels

即：
Playback路径

1. PC
   
2. ↓
   
3. USB OUT
   
4. ↓
   
5. MCU
   
6. ↓
   
7. TDM TX
   
8. ↓
   
9. Codec DAC
   
10. ↓
    
11. Speaker

复制代码

Recording路径

1. Microphone
   
2. ↓
   
3. Codec ADC
   
4. ↓
   
5. TDM RX
   
6. ↓
   
7. MCU
   
8. ↓
   
9. USB IN
   
10. ↓
    
11. PC

复制代码

与常见的Stereo USB Audio Demo相比，该项目需要同时解决：

• UAC2多通道Descriptor配置
• 非对称通道设计
• TDM多路音频传输
• USB与SAI实时桥接
  

等问题。

2. 硬件平台

本项目采用以下硬件平台：

MCU

FRDM-MCXN236

MCXN236集成：

USB Device Controller

Flexcomm SAI Interface

eDMA Controller

Cortex-M33 Core

能够满足本项目对音频实时传输的需求。

Audio Codec

CS42448

本项目采用CS42448作为外部Codec。

CS42448能够提供：

多通道ADC

多通道DAC

TDM接口

适合多路音频采集与播放场景。

Audio Expansion Board

AUD-EXP-42448 Rev B

用于提供：

Audio Codec

Mic输入

Headphone输出

TDM接口

Adapter Board

MCXN FRDM Adapter Board

由于FRDM-MCXN236不能直接连接AUD-EXP-42448，因此需要增加一个转接板完成音频信号引出与连接。

硬件连接

项目最终硬件组成如下：

1. FRDM-MCXN236
   
2.         │
   
3.         │
   
4. MCXN FRDM Adapter Board
   
5.         │
   
6.         │
   
7. AUD-EXP-42448
   
8.         │
   
9.         │
   
10. Speaker / Microphone

复制代码

根据README说明，FRDM-MCXN236默认配置面向电机控制应用，需要调整SJ3焊盘配置后才能启用SAI接口。

3. 方案选型

项目最终基于两个SDK示例实现。

USB部分

来自FRDM-MCXN236 SDK：

dev_composite_hid_audio_unified_bm

提供：USB Device Stack
UAC2 Framework
Audio Endpoint
Windows兼容Descriptor


TDM部分


来自RT1170 SDK：
sai_edma_tdm_record_playback
提供：

TDM配置参考
EDMA传输框架
Codec初始化参考
多Slot管理方式


项目主要工作包括：


3.1. 修改USB Audio Descriptor


实现：

Playback 2 Channel
Recording 6 Channel
24-bit Audio

3.2. 移植TDM实现


将RT1170示例中的：

SAI
eDMA
TDM

3.3. 调整通道映射

原参考工程：

8 Channels

修改为：

Playback 2ch
Recording 6ch

满足客户实际需求。

4. 系统架构

整体软件架构如下：

               Windows PC
        +------------------------+
        | Native UAC2 Driver     |
        +------------+-----------+
                     |
               USB OUT / IN
                     |
    +--------------------------------+
    |            MCXN236             |
    |                                       |
    | USB RX  ------>  TDM TX   |
    | USB TX  <------  TDM RX    |
    +--------------------------------+
                     |
                    TDM
                     |
    +--------------------------------+
    |            CS42448             |
    |                                      |
    | Playback DAC (2ch)         |
    | Recording ADC (6ch)        |

    +--------------------------------+

5. 音频数据格式设计

整个系统采用统一音频格式：

参数	配置
Sampling Rate	48 kHz
Format	PCM
Valid Bits	24
Slot Width	32
TDM Slots	8

虽然实际音频数据仅24 bit：
+----------------------------+
| 24-bit Audio | Padding     |
+----------------------------+
            32-bit Slot


但采用32-bit Slot能够保证：

TDM对齐
DMA效率
USB数据组织简单

6. UAC2 Descriptor修改

SDK默认Audio Demo配置为：

Playback : 2ch
Recording: 2ch
16-bit

客户需求则为：

Playback : 2ch
Recording: 6ch
24-bit

因此需要修改：

Playback Descriptor

Channel Count = 2
Bit Resolution = 24

Recording Descriptor

Channel Count = 6
Bit Resolution = 24

Streaming Format

配置：

PCM
48kHz
24-bit

完成后Windows自动加载UAC2驱动，无需安装任何额外软件。

7. SAI TDM实现

项目采用：

1. 8 Slots per Frame
   
2. 32-bit Slot Width

复制代码

TDM结构如下：

Frame
├─ Slot0
├─ Slot1
├─ Slot2
├─ Slot3
├─ Slot4
├─ Slot5
├─ Slot6
└─ Slot7

Playback映射

Slot0 → Left
Slot1 → Right

Recording映射

Slot0 → Mic1
Slot1 → Mic2
Slot2 → Mic3
Slot3 → Mic4
Slot4 → Mic5
Slot5 → Mic6

剩余Slot保留。

8. eDMA双向音频传输

为了保证实时性，USB与SAI均通过eDMA搬运数据。

Playback

USB OUT
    ↓
Ping-Pong Buffer
    ↓
eDMA
    ↓
SAI TX
    ↓
CS42448 DAC

Recording

CS42448 ADC
    ↓
SAI RX
    ↓
eDMA
    ↓
Ping-Pong Buffer
    ↓
USB IN

通过双缓冲机制实现连续音频流传输，避免：

Underflow
Overflow
Audio Drop

9. 测试结果
Windows设备枚举

设备成功被Windows识别为：

USB Speaker

2 Channel
24-bit
48 kHz

USB Microphone

6 Channel
24-bit
48 kHz
``

与项目目标一致。

Playback测试

连接耳机至AUD-EXP-42448：

Windows Media Player
        ↓
USB Speaker
        ↓
MCXN236
        ↓
TDM TX
        ↓
CS42448 DAC
        ↓
Headphone

能够正常播放音频。

Recording测试

通过Windows录音机进行测试：

MIC
↓
CS42448 ADC
↓
TDM RX
↓
MCXN236
↓
USB IN
↓
Windows Recorder

能够正常录制和回放音频。

10. 总结

本文介绍了基于MCXN236实现UAC2.0多通道音频桥接方案的过程，通过整合MCXN236 SDK中的USB Audio框架与RT1170 SDK中的SAI TDM参考设计，实现了一个支持Windows原生驱动的Full-Duplex Audio Bridge。

该方案具备以下特性：

USB Audio Class 2.0
Windows Native Driver
Full-Duplex Audio
Playback 2 Channel
Recording 6 Channel
24-bit PCM
48 kHz Sampling Rate
SAI TDM Interface
eDMA Streaming

最终实现了PC与多通道音频Codec之间的实时音频桥接，可广泛应用于：

USB Audio Interface
多通道录音设备
会议音频系统
工业音频采集设备
音频网关产品

作为后续扩展，该架构还可以进一步支持更多TDM通道、更高采样率以及Audio DSP处理功能，为多通道音频应用提供参考设计。