SSI接口技術及其在音頻處理中的應用

1 同步串行接口SSI的工作原理
    Synchronous SerialInterface(SSI)是一個全雙工的串行接口，允許芯片與多種串行設備通信。它是高精度絕對值角度編碼器中一種較常用的接口方式，它采用主機主動式讀出方式，即在主控者發出的時鐘脈沖的控制下，從最高有效位(MSB)開始同步傳輸數據。SSI模塊結構如圖1所示。

    從圖中可看出，SSI模塊由發送電路、接收電路、串行時鐘和幀同步時鐘產生電路組成。發送電路和接收電路相互獨立，但是共用串行時鐘和幀同步時鐘。
1．1 SSI模塊引腳信號描述
    SSLCLKIN：SSI時鐘輸入信號。
    SSLBCLK：SSI串行比特時鐘。
    SSLMCLK：SSI串行主時鐘信號，在SSI主模式下，
    該信號也作為過采樣時鐘信號。
    SSI_FS：SSI串行幀同步信號。
    SSLRXD：SSI串行接收數據信號。
    SSI_TXD：SSI串行發送數據信號。
1．2 SSI的操作模式
    SSI有3種基本同步操作模式：普通模式、網絡模式和門時鐘模式。
    普通模式是最簡單的模式，一幀內只能傳輸一個字，而且每一幀都需要幀同步信號來控制同步；網絡模式主要用于多時隙的情況下，一幀內可以傳輸2個字到32個字不等；門時鐘SSI_BCLK模式下，串行比特時鐘SSI_BCLK指示了發送引腳或接收引腳上的有效數據，所以不需要幀同步信號。
    除了上述3種基本模式外，針對音頻上的應用，SSI還支持兩種衍生模式——I2S模式和AC97模式，分別用于傳輸I2S和AC97音頻格式數據。
1．3 SSI的初始化
    初始化SSI模塊的正確順序：
    ①上電或重啟SSI(SSI_CR[SSI_EN]=0)，即關閉SSI模塊功能。
    ②配置SSI模塊。涉及的寄存器包括控制寄存器SSI_CR、中斷允許寄存器SSI_IER、發送配置寄存器SSI_TCR、接收配置寄存器SSI_RCR和時鐘控制寄存器SSI_CCR。
    ③通過SSI_IER寄存器設置必要的中斷或DMA。
    ④設置SSI_CR[SSI_EN]=1允許SSI模塊功能。
    ⑤設置SSI_CR[TE／RE]，開始發送／接收數據。
1．4 SSI的工作過程
    (1)發送數據
    單通道時，數據從串行發送數據寄存器SSI_TX0中傳到發送移位寄存器TXSR中，再通過串行發送引腳SSI_TXD發送出去，然后根據用戶設置情況決定是否產生發送中斷。如果發送緩沖區TXFIFOO被允許，則SSI_TX0繼續從TXFIFOO中取數據，直到TXFIFOO中的數據全部被發送，再通過用戶設置情況決定是否產生發送中斷。雙通道時，發送移位寄存器TXSR交替從SSI_TX0
和SSI_TXl中取出數據。
    (2)接收數據
    單通道時，數據從串行接收引腳SSI_RXD進來，由接收移位寄存器RXSR傳輸給接收數據寄存器SSI_RX0，再根據用戶設置情況決定是否產生接收中斷。如果接收緩沖區RXFIFOO被允許，則SSI_RX0將數據寫入RXFIFOO，并繼續從接收移位寄存器中獲取數據。雙通道時，接收移位寄存器RXSR交替將數據傳輸給SSI_RX0和SSI_RXl。

2 音頻編解碼芯片簡介
    TLV320DAC23是TI公司推出的一顆高性能立體聲音頻處理芯片(CODEC芯片)，采用了多比特sigma-delta過采樣技術，采樣率可以從8 kHz到96 kHz，傳輸字長可選擇為16位、20位、24位或32位；最大輸出信噪比可達到100 dB；控制端口可兼容SPI、2-wire等協議；回放模式下功率為18 mw，省電模式下小于15μW；適用于便攜式的數字音頻處理。其功能模塊框圖如圖2所示。

2．1 控制接口
    控制接口用于對器件TLV320DAC23的寄存器編程，設置音頻芯片的工作參數。它兼容兩種模式：SPI三線模式和2一wire模式。
    MODE：模式選擇引腳。為0時，采用2一wire模式；為1時，采用SPI模式。
    SCLK：控制端口串行數據時鐘。
    SDI：控制端口串行數據輸入。
    CS：控制端口輸入鎖存／地址選擇。在SPI模式下，CS用于數據鎖存控制；在2一wire模式下，CS定義了器件地址域的第7位。SPI模式下，一個控制字為16位，分為兩部分：高7位為控制地址，低9位為控制字。16位的控制字由MSB位開始傳輸，每個比特在SCLK的上升沿被鎖存，整個16位的控制字在最低位被CS鎖存進TLV320DAC23。操作時序如圖3所示。其中，B[15：9]為控制地址，B[8：O]為控制字。

2．2 模擬接口
    模擬接口包括線輸入、線輸出和耳機輸出。耳機輸出可以驅動16Ω或32 Ω的耳機，音量增益為6 dB到一73 dB。
    LLINEIN、RLINEIN：左、右聲道輸入。
    LOUT、ROUT：左、右聲道輸出。
    LHPOUT、RHPOUT：左、右聲道耳機輸出
2．3 數字音頻接口
    數字音頻接口用于輸入TLV320DAC23的D／A數據。
    BCLK：I2S串行比特時鐘。主模式時BCLK為輸出，從模式時BCLK為輸入。
    DIN：I2S串行數據輸入。
    LRCIN：字時鐘信號(幀信號)，用于控制左、右聲道的數據。在主模式中，由TLV320DAC23產生該信號，在從模式中，由主設備(如DSP或MCU)產生該信號。
    TLV320DAC23支持4種音頻接口模式：右對齊模式、左對齊模式、I2S模式和DSP模式。這4種模式都是最高有效位MSB在前，16到32位不同的字長(右對齊除外，它不支持32位)。圖4是I2S模式下的數字音頻接口時序，數據的MSB在LRCIN下降沿后的第2個BCLK上升沿開始傳輸。

2．4 時鐘接口
    MCLK：芯片主時鐘信號。當TLV320DAC23作為主設備時，該信號由芯片自身產生；當TLV320DAC23作為從設備時，該信號由外部產生。
    CLKOUT：時鐘輸出信號。可以為MCLK或MCLK／2。

3 基于MCF5329的音頻驅動設計
3．1 硬件電路
    TLV320DAC23與MCF5329的接口有兩個：一個是控制接口，用于設置TLV320DAC23的寄存器，從而設置它的工作參數。由于MCF5329具有QSPI模塊，它兼容SPI接口格式，所以TLV320DAC23的控制接口采用SPI模式。另一個是數字音頻接口，用于傳輸TLV320DAC23的音頻數據并控制數據的時序。由于MCF5329的SSI模塊支持I2S音頻格式，所以TLV320DAC23的數字音頻接口采用I2S模式。
    在本設計中，由微控制器MCF5329提供時鐘信號，所以將MCF5329設為主設備，TLV320DAC23作為從設備。具體連接如圖5所示。

3．2 軟件設計
    音頻播放的過程如下：程序檢測到用戶空間有需要播放的音頻數據，便將音頻數據拷貝到所建立的緩沖區中；然后通過DMA將緩沖區的音頻數據傳輸到SSI模塊的發送引腳SSI_TXD，發送引腳將數據發送至TLV320DAC23中，通過耳機播放出來。
    軟件設計的流程如圖6所示。其中，音頻緩沖區被設置為一個固定大小的循環隊列，其設置如圖7所示。初始時，bufstart、audiostart、audiotail都指向緩沖區頭。當用戶空間有數據時，將數據拷貝到緩沖區并用audiotail指示數據尾部，數據的頭部通過DMA引擎連接到SSI_TXD引腳，隨著數據被SSI_TXD發送至TLV320DAC23，audiostart跟蹤數據的頭部。

結 語
    本文分析了同步串行接口SSI的工作原理及過程，并通過與編解碼芯片TLV320DAC23的通信詳細介紹了SSI在音頻處理中的應用。實踐表明，SSI接口簡單，使用靈活可靠。