引 言
USB總線協(xié)議經(jīng)歷了從USB1.1到USB2.0再到目前的USB OTG(USB On-The-Go)的發(fā)展過(guò)程，在USB不斷發(fā)展完善的同時(shí)，越來(lái)越多的USB產(chǎn)品大量上市?，F(xiàn)在的PC機(jī)通過(guò)USB Hub設(shè)備和多個(gè)USB控制器，能同時(shí)支持?jǐn)U展的USB設(shè)備已經(jīng)達(dá)到數(shù)百個(gè)。
在USB總線傳輸中，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機(jī)來(lái)發(fā)起和控制，所有的USB外設(shè)都只能和主機(jī)建立連接，任何兩個(gè)外設(shè)之間或者兩個(gè)主機(jī)之間無(wú)法直接通信。目前，扮演主機(jī)角色的大多是個(gè)人電腦(PC)。
USB協(xié)議制定時(shí)，為了方便不同設(shè)備的開(kāi)發(fā)商基于USB進(jìn)行設(shè)計(jì)，定義了不同的設(shè)備類來(lái)支持不同類型的設(shè)備?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的USB產(chǎn)品，通過(guò)調(diào)查會(huì)發(fā)現(xiàn)它們主要應(yīng)用了以下設(shè)備類：
USB_DEVICE_CLASS_HUMANINTERFACE 鍵盤、鼠標(biāo)等
USB_DEVICE_CLASS_STORAG U盤、活動(dòng)硬盤、數(shù)碼相機(jī)等
USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE力回饋游戲桿、方向盤等
USB_DEVICE_CLASS_POWER 風(fēng)扇、LED臺(tái)燈、手機(jī)充電等
USB_DEVICE_CLASS_PRINTER 打印機(jī)
從市場(chǎng)上看，雖然在USB標(biāo)準(zhǔn)中定義了USB_DE-VICE_CLASS_AUDIO，但是很少有此類設(shè)備問(wèn)世。目前稱為USB音箱的設(shè)備，大都使用 USB_DEVICE_CLASS_POWER，僅僅將USB接口作為電源使用。信號(hào)仍然需要3.5 mm立體聲音頻線連接使用，連接相對(duì)復(fù)雜。這樣沒(méi)有體現(xiàn)USB設(shè)備連接簡(jiǎn)單，操作方便的優(yōu)勢(shì)，且采用模擬信號(hào)傳送會(huì)產(chǎn)生一定的信號(hào)失真，影響音質(zhì)。
本文為了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全基于USB協(xié)議的USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設(shè)備，采用一根USB連接線，在設(shè)備中不同的端點(diǎn) (endpoint)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的輸入，輸出包括相關(guān)按鍵控制，并重點(diǎn)討論如何解決由于USB特殊的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成的信號(hào)同步問(wèn)題。
1 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO介紹
為簡(jiǎn)化USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程，USB提出了設(shè)備類的概念。其中的音頻設(shè)備類(USB_DEVICE_CLASS_AU-DIO)是目前為止使用比較少的類型。
USB_DEVICE_CLASS_AUDIO是專門針對(duì)USB音頻設(shè)備定義的一種專用類別，它不僅定義了音頻輸入/輸出端點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，還提供了音量控制、混音器配置、左右聲道平衡，甚至包括對(duì)支持杜比音效解碼設(shè)備的支持，功能相當(dāng)強(qiáng)大。不同的開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)不同的需求對(duì)主機(jī)列舉自己的設(shè)備結(jié)構(gòu)，主機(jī)則根據(jù)列舉的不同設(shè)備結(jié)構(gòu)提供相應(yīng)的服務(wù)。
USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設(shè)備采用USB傳輸模式中的Isochronous transfers模式，Isochronous trans-fers傳輸模式是專門針對(duì)流媒體特點(diǎn)的傳輸方法。它依照設(shè)備在鏈接初始化時(shí)列舉的參數(shù)，保證提供穩(wěn)定的帶寬給采用該模式的設(shè)備或端點(diǎn)。由于對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，它不提供相應(yīng)的接收/應(yīng)答和握手協(xié)議。這很好地適應(yīng)了音頻數(shù)據(jù)流量穩(wěn)定、對(duì)差錯(cuò)相對(duì)不敏感的特點(diǎn)。
2 平臺(tái)介紹與系統(tǒng)架構(gòu)
開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用ColdFire MCF52223作為控制MCU。該芯片提供32 KB SRAM，256 KB Flash，具備USB-OTG模塊，80 MHz主頻下達(dá)到76Dhrystone 2.1 MIPS，同時(shí)板載ML2308作為音頻播放模塊。詳細(xì)資料可以參閱其官方網(wǎng)站http：//www.hhcn. com/chinese/coldfire/HHCF52223-R1.htm。
主要硬件模塊結(jié)構(gòu)和軟件模塊結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。
3 同步問(wèn)題
由于USB總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，所有數(shù)據(jù)傳輸都由主機(jī)(PC)發(fā)起，在設(shè)備插上USB接口并完成初始化、列舉等步驟以后，主機(jī)會(huì)按照設(shè)備列舉的要求進(jìn)行流量分配。USB全速模式總線以1 ms為1幀。由于采用Isoch-ronous transfers模式，為測(cè)試方便，音頻格式采用8 k/s采樣率，8位量化。因此單聲道每幀數(shù)據(jù)量為：
MCF52223通過(guò)USB D驅(qū)動(dòng)在接收并解出USB數(shù)據(jù)包里的音頻數(shù)據(jù)后，存入內(nèi)部開(kāi)辟的緩存中。ML2308每個(gè)聲道具有64字節(jié)緩存，當(dāng)緩存滿、緩存一半和緩存為空時(shí)會(huì)分別發(fā)送中斷信號(hào)Full、Mid、Empty給MCF52223，而MCF52223可以根據(jù)不同的中斷信號(hào)對(duì)ML2308進(jìn)行寫(xiě)入新數(shù)據(jù)工作。
因此，在設(shè)備的寫(xiě)入端數(shù)據(jù)按照PC上的USB的時(shí)鐘進(jìn)行傳輸，而在設(shè)備輸出端數(shù)據(jù)按照ML2308的時(shí)鐘進(jìn)行操作。ML2308時(shí)鐘來(lái)自板載晶振，這兩個(gè)時(shí)鐘不可避免存在一定誤差，而且根據(jù)測(cè)試，不同PC的USB總線時(shí)鐘也有微小差別。這些差異會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部緩存的音頻數(shù)據(jù)不斷被消耗殆盡，或者不斷增加而最終溢出。因此，需要一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)且對(duì)資源消耗量較小的方法來(lái)同步輸入與輸出信號(hào)。由于這種差異是不確定的，該算法需要一定的自適應(yīng)能力。
4 自適應(yīng)軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)
之前采用簡(jiǎn)單的緩存門限控制方法判斷是否需要插值，即當(dāng)緩存高于某門限時(shí)，丟棄一個(gè)PCM樣點(diǎn)。而當(dāng)?shù)陀谀骋婚T限時(shí)，插入一個(gè)PCM樣點(diǎn)，由于時(shí)鐘速度差異的長(zhǎng)期固有性，在插入/丟棄一個(gè)PCM樣點(diǎn)后，緩存數(shù)量仍然可能繼續(xù)減少或增加，從而造成程序無(wú)規(guī)律的爆發(fā)式的插入或丟棄數(shù)據(jù)操作，產(chǎn)生不可接受的噪音。
因而在算法設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)。
操作的穩(wěn)定性：不能有對(duì)數(shù)據(jù)突發(fā)性的操作。
操作的分散性：要盡量平均的控制信號(hào)，把插入/丟棄產(chǎn)生的失真平均化。
資源消耗量?。阂m應(yīng)嵌入式系統(tǒng)成本低廉、片上存儲(chǔ)、運(yùn)算資源不是很富裕的客觀條件。
音頻的實(shí)時(shí)性：聲音對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，不能出現(xiàn)停頓、明顯延遲等情況。
因此，采用一種插入/丟棄樣本間隔平均化的自適應(yīng)模糊控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
針對(duì)兩次插值/丟棄操作之間的樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行控制，而非對(duì)樣點(diǎn)本身，在每次插值/丟棄操作后進(jìn)行速率匹配判斷，修改插值/丟棄間隔。由于通常這種時(shí)鐘差異在千分之一量級(jí)，插入/丟棄操作間隔也在千樣點(diǎn)量級(jí)，大大減少了頻繁的判斷操作。算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。
5 算法實(shí)現(xiàn)
由于每臺(tái)電腦以及每塊開(kāi)發(fā)板的時(shí)鐘都有誤差，所以每次連接設(shè)備都需要檢查兩者時(shí)鐘速率關(guān)系，實(shí)現(xiàn)該功能的關(guān)鍵代碼如下：
6 測(cè) 試
(1)基本性能
關(guān)閉軟件鎖相環(huán)，系統(tǒng)在緩存中存放240個(gè)sample開(kāi)始播放。而每次當(dāng)程序播放約45 s時(shí)，由于緩存消耗殆盡，語(yǔ)音會(huì)自動(dòng)中斷，無(wú)法播放。
開(kāi)啟軟件鎖相環(huán)，程序可以無(wú)時(shí)間限制運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。
(2)緩存需求測(cè)試
在播放至少10 min穩(wěn)定以后，利用變量rangel和range2跟蹤緩存內(nèi)數(shù)據(jù)數(shù)量波動(dòng)范圍，記錄最大值和最小值，分12次測(cè)試，如圖4所示。
可見(jiàn)，在啟動(dòng)軟件鎖相環(huán)以后，緩存中數(shù)據(jù)量最大浮動(dòng)范圍在192～250 sample之間。因此，為保證數(shù)據(jù)不溢出，只需要約60字節(jié)空間作為緩存就能維持設(shè)備正常工作。
(3)估算時(shí)鐘偏差測(cè)試
在不同電腦上運(yùn)行10 min以上，提取插入/丟棄數(shù)據(jù)間隔，取倒數(shù)可以得到穩(wěn)定后設(shè)備和USB時(shí)鐘偏差率。由圖5可見(jiàn)，總體偏差在0.001～0.003以內(nèi)，基本符合預(yù)期。
(4)穩(wěn)定性測(cè)試
運(yùn)行10 min以后，讀取當(dāng)前設(shè)備緩存內(nèi)數(shù)據(jù)量。由于每次寫(xiě)入/讀取8個(gè)sample，而終止程序進(jìn)行數(shù)據(jù)提取是隨機(jī)的，無(wú)法確定緩存剛才由USB寫(xiě)入還是由 ML2308讀取，因此在240上下8個(gè)sample以內(nèi)都是完全符合預(yù)期的。由圖6可見(jiàn)，程序能準(zhǔn)確地將緩存中數(shù)據(jù)量控制在240個(gè)sample左右，完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。
結(jié) 語(yǔ)
基于插值算法的自適應(yīng)軟件鎖相環(huán)，適用于針對(duì)USB_Audio_Class_Device的時(shí)鐘同步需求。它在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存和MIPS占用極低，非常適合在利用USB總線作為音頻數(shù)據(jù)傳輸，或通信雙方存在一定的不確定速率的誤差且需要設(shè)備自主完成數(shù)據(jù)同步的設(shè)備中使用。