SSI接口技术及其在音频处理中的应用

引 言
    随着嵌入式系统的广泛应用，系统内串口通信的需求越来越高，串行数据传输的协议也多样化，常用的有SSI、SPI、I2C、UART等。其中，SSI是一种带有帧同步信号的串行数据协议。微处理器MCF5329中的SSI接口除了能用作一般的串行数据传输外，由于它带有的帧同步信号可用作左右声道数据的同步，支持两种音频总线接口(I2S和AC97接口)，所以它还能用作音频数据的传输。
    TLV320DAC23是TI公司推出的高性能立体声高端编解码芯片，支持多种采样率和多种音频格式，并具有功耗低、封装小的特点，广泛应用于便携式数字音频处理系统中。

1 同步串行接口SSI的工作原理
    Synchronous SerialInterface(SSI)是一个全双工的串行接口，允许芯片与多种串行设备通信。它是高精度绝对值角度编码器中一种较常用的接口方式，它采用主机主动式读出方式，即在主控者发出的时钟脉冲的控制下，从最高有效位(MSB)开始同步传输数据。SSI模块结构如图1所示。

    从图中可看出，SSI模块由发送电路、接收电路、串行时钟和帧同步时钟产生电路组成。发送电路和接收电路相互独立，但是共用串行时钟和帧同步时钟。
1．1 SSI模块引脚信号描述
    SSLCLKIN：SSI时钟输入信号。
    SSLBCLK：SSI串行比特时钟。
    SSLMCLK：SSI串行主时钟信号，在SSI主模式下，
    该信号也作为过采样时钟信号。
    SSI_FS：SSI串行帧同步信号。
    SSLRXD：SSI串行接收数据信号。
    SSI_TXD：SSI串行发送数据信号。
1．2 SSI的操作模式
    SSI有3种基本同步操作模式：普通模式、网络模式和门时钟模式。
    普通模式是最简单的模式，一帧内只能传输一个字，而且每一帧都需要帧同步信号来控制同步；网络模式主要用于多时隙的情况下，一帧内可以传输2个字到32个字不等；门时钟SSI_BCLK模式下，串行比特时钟SSI_BCLK指示了发送引脚或接收引脚上的有效数据，所以不需要帧同步信号。
    除了上述3种基本模式外，针对音频上的应用，SSI还支持两种衍生模式——I2S模式和AC97模式，分别用于传输I2S和AC97音频格式数据。
1．3 SSI的初始化
    初始化SSI模块的正确顺序：
    ①上电或重启SSI(SSI_CR[SSI_EN]=0)，即关闭SSI模块功能。
    ②配置SSI模块。涉及的寄存器包括控制寄存器SSI_CR、中断允许寄存器SSI_IER、发送配置寄存器SSI_TCR、接收配置寄存器SSI_RCR和时钟控制寄存器SSI_CCR。
    ③通过SSI_IER寄存器设置必要的中断或DMA。
    ④设置SSI_CR[SSI_EN]=1允许SSI模块功能。
    ⑤设置SSI_CR[TE／RE]，开始发送／接收数据。
1．4 SSI的工作过程
    (1)发送数据
    单通道时，数据从串行发送数据寄存器SSI_TX0中传到发送移位寄存器TXSR中，再通过串行发送引脚SSI_TXD发送出去，然后根据用户设置情况决定是否产生发送中断。如果发送缓冲区TXFIFOO被允许，则SSI_TX0继续从TXFIFOO中取数据，直到TXFIFOO中的数据全部被发送，再通过用户设置情况决定是否产生发送中断。双通道时，发送移位寄存器TXSR交替从SSI_TX0
和SSI_TXl中取出数据。
    (2)接收数据
    单通道时，数据从串行接收引脚SSI_RXD进来，由接收移位寄存器RXSR传输给接收数据寄存器SSI_RX0，再根据用户设置情况决定是否产生接收中断。如果接收缓冲区RXFIFOO被允许，则SSI_RX0将数据写入RXFIFOO，并继续从接收移位寄存器中获取数据。双通道时，接收移位寄存器RXSR交替将数据传输给SSI_RX0和SSI_RXl。

2 音频编解码芯片简介
    TLV320DAC23是TI公司推出的一颗高性能立体声音频处理芯片(CODEC芯片)，采用了多比特sigma-delta过采样技术，采样率可以从8 kHz到96 kHz，传输字长可选择为16位、20位、24位或32位；最大输出信噪比可达到100 dB；控制端口可兼容SPI、2-wire等协议；回放模式下功率为18 mw，省电模式下小于15μW；适用于便携式的数字音频处理。其功能模块框图如图2所示。

2．1 控制接口
    控制接口用于对器件TLV320DAC23的寄存器编程，设置音频芯片的工作参数。它兼容两种模式：SPI三线模式和2一wire模式。
    MODE：模式选择引脚。为0时，采用2一wire模式；为1时，采用SPI模式。
    SCLK：控制端口串行数据时钟。
    SDI：控制端口串行数据输入。
    CS：控制端口输入锁存／地址选择。在SPI模式下，CS用于数据锁存控制；在2一wire模式下，CS定义了器件地址域的第7位。SPI模式下，一个控制字为16位，分为两部分：高7位为控制地址，低9位为控制字。16位的控制字由MSB位开始传输，每个比特在SCLK的上升沿被锁存，整个16位的控制字在最低位被CS锁存进TLV320DAC23。操作时序如图3所示。其中，B[15：9]为控制地址，B[8：O]为控制字。

2．2 模拟接口
    模拟接口包括线输入、线输出和耳机输出。耳机输出可以驱动16Ω或32 Ω的耳机，音量增益为6 dB到一73 dB。
    LLINEIN、RLINEIN：左、右声道输入。
    LOUT、ROUT：左、右声道输出。
    LHPOUT、RHPOUT：左、右声道耳机输出
2．3 数字音频接口
    数字音频接口用于输入TLV320DAC23的D／A数据。
    BCLK：I2S串行比特时钟。主模式时BCLK为输出，从模式时BCLK为输入。
    DIN：I2S串行数据输入。
    LRCIN：字时钟信号(帧信号)，用于控制左、右声道的数据。在主模式中，由TLV320DAC23产生该信号，在从模式中，由主设备(如DSP或MCU)产生该信号。
    TLV320DAC23支持4种音频接口模式：右对齐模式、左对齐模式、I2S模式和DSP模式。这4种模式都是最高有效位MSB在前，16到32位不同的字长(右对齐除外，它不支持32位)。图4是I2S模式下的数字音频接口时序，数据的MSB在LRCIN下降沿后的第2个BCLK上升沿开始传输。

2．4 时钟接口
    MCLK：芯片主时钟信号。当TLV320DAC23作为主设备时，该信号由芯片自身产生；当TLV320DAC23作为从设备时，该信号由外部产生。
    CLKOUT：时钟输出信号。可以为MCLK或MCLK／2。

3 基于MCF5329的音频驱动设计
3．1 硬件电路
    TLV320DAC23与MCF5329的接口有两个：一个是控制接口，用于设置TLV320DAC23的寄存器，从而设置它的工作参数。由于MCF5329具有QSPI模块，它兼容SPI接口格式，所以TLV320DAC23的控制接口采用SPI模式。另一个是数字音频接口，用于传输TLV320DAC23的音频数据并控制数据的时序。由于MCF5329的SSI模块支持I2S音频格式，所以TLV320DAC23的数字音频接口采用I2S模式。
    在本设计中，由微控制器MCF5329提供时钟信号，所以将MCF5329设为主设备，TLV320DAC23作为从设备。具体连接如图5所示。

3．2 软件设计
    音频播放的过程如下：程序检测到用户空间有需要播放的音频数据，便将音频数据拷贝到所建立的缓冲区中；然后通过DMA将缓冲区的音频数据传输到SSI模块的发送引脚SSI_TXD，发送引脚将数据发送至TLV320DAC23中，通过耳机播放出来。
    软件设计的流程如图6所示。其中，音频缓冲区被设置为一个固定大小的循环队列，其设置如图7所示。初始时，bufstart、audiostart、audiotail都指向缓冲区头。当用户空间有数据时，将数据拷贝到缓冲区并用audiotail指示数据尾部，数据的头部通过DMA引擎连接到SSI_TXD引脚，随着数据被SSI_TXD发送至TLV320DAC23，audiostart跟踪数据的头部。

结 语
    本文分析了同步串行接口SSI的工作原理及过程，并通过与编解码芯片TLV320DAC23的通信详细介绍了SSI在音频处理中的应用。实践表明，SSI接口简单，使用灵活可靠。