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RT600 I2S外设介绍及应用

范乔丹 2020-02-14 16:42:00 阅读数:83 评论数:0 点赞数:0 收藏数:0

恩智浦的i.MX RT600是跨界处理器产品,同样也是i.MX RTxxx系列的开山之作。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demo。

一、I2S介绍

1.1 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个总线外,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。

1.2 RT600 I2S硬件架构

i.MX RT600一共包含7个可配置的通用串行接口模块(Flexcomm接口),Flexcomms 0至5可以配置为I2S接口用于数字音频数据的传。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。

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1.3 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。

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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

2.1 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。

2.2 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。

Typical Sample Frequency (Hz) Typical Sample Frequency (Hz)
11025 8000
22050 16000
44100 24000
-------- 32000
-------- 48000
-------- 96000

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:

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

2.3 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。

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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:

wm8904_config_t wm8904Config = {
.i2cConfig = {.codecI2CInstance = BOARD_CODEC_I2C_INSTANCE, .codecI2CSourceClock
= 19000000U},
.recordSource = kWM8904_RecordSourceLineInput,
.recordChannelLeft = kWM8904_RecordChannelLeft2,
.recordChannelRight = kWM8904_RecordChannelRight2,
.playSource = kWM8904_PlaySourceDAC,
.slaveAddress = WM8904_I2C_ADDRESS,
.protocol = kWM8904_ProtocolI2S,
.format = {.sampleRate = kWM8904_SampleRate48kHz, .bitWidth
= kWM8904_BitWidth16},
.mclk_HZ = 24576000U,
.master = false,
};
static void I2C_Config(void)
{
PRINTF("Configure WM8904 codec\r\n");
/* protocol: i2s * sampleRate: 48K * bitwidth:16*/
if (CODEC_Init(codecHandle, &boardCodecConfig) != kStatus_Success)
{
PRINTF("WM8904_Init failed!\r\n");
}
/* Initial volume kept low for hearing safety. */
CODEC_SetVolume(codecHandle, kCODEC_PlayChannelHeadphoneLeft |kCODEC_PlayChannelHeadphoneRight, 0x0020);
}

2.4 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。
  • 需要由使用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。

Interrupt Description Priority Interrupt Description Priority Interrupt Description Priority
0 SYS IRQ NMI 11 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL6 L1 22 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL17 L2
1 SOFTWARE IRQ0 L2 12 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL7 L1 23 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL18 L2
2 INTERNAL RTOS TIMER0 L2 13 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL8 L1 24 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL19 L3
3 INTERNAL RTOS TIMER1 L3 14 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL9 L1 25 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL20 L3
4 PROFILING IRQ L3 15 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL10 L1 26 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL21 L3
5 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL0 L1 16 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL11 L2 27 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL22 L3
6 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL1 L1 17 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL12 L2 28 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL23 L3
7 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL2 L1 18 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL13 L2 29 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL24 L3
8 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL3 L1 19 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL14 L2 30 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL25 L3
9 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL4 L1 20 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL15 L2 31 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL26 L3
10 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL5 L1 21 Interrupt selected by DSP_INT0_SEL16 L2 ------ ------ ------

以下代码给出了HiFi4 DMA和中断的具体配置:

DMA_Init(DMA1);
/* XCHAL_EXTINT19_NUM, intlevel 2 */
INPUTMUX_AttachSignal(INPUTMUX, 18U, kINPUTMUX_Dmac1ToDspInterrupt);
xos_register_interrupt_handler(XCHAL_EXTINT19_NUM,
(XosIntFunc *) DMA_IRQHandle,
DMA1);
xos_interrupt_enable(XCHAL_EXTINT19_NUM);
DMA_EnableChannel(DMA1, DEMO_I2S_TX_CHANNEL);
DMA_SetChannelPriority(DMA1, DEMO_I2S_TX_CHANNEL, kDMA_ChannelPriority3);
DMA_CreateHandle(&s_DmaTxHandle, DMA1, DEMO_I2S_TX_CHANNEL);
DMA_EnableChannel(DMA1, DEMO_I2S_RX_CHANNEL);
DMA_SetChannelPriority(DMA1, DEMO_I2S_RX_CHANNEL, kDMA_ChannelPriority2);
DMA_CreateHandle(&s_DmaRxHandle, DMA1, DEMO_I2S_RX_CHANNEL);

2.5 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-pang 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-pang 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8通道DMIC采集的应用中,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。

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