一种两线双向高速串行音频数据传输总线控制器的实现方法

一种两线双向高速串行音频数据传输总线控制器的实现方法瞿军武，薛骏，施彦（无锡中感微电子股份有限公司，江苏无锡，214135）摘要：本文提出了一种两线双向高速串行音频数据传输总线控制器在蓝牙耳机硬件系统中的应用，可以实现芯片间高速传输数据，实现同步发送和接收音频数据以及命令字。

同时，通过自定义数据格式，优化了数据格式，并降低了数据发送和接收的复杂度。

考虑到PAD的承受能力，目前传输速率最大可以达到18Mb/s。

仅使用两线完成了数据的传输，从而大大减少了芯片IO的使用。

关键字：蓝牙耳机；两线双向;高速；串行总线控制器；IO；FPGAA Realization Method of Two-wire Bidirectional High Speed SerialAudio Data Transmission Bus ControllerQU Jun-wu,XUE Jun，SHI Yan（Zgmicro co,.ltd,Wuxi214135,China）Abstract:This paper proposes a two-wire bidirectional high-speed serial audio data transmission bus controller applied in Bluetooth headset hardware system,which can realize high-speed data transmission between chips, synchronous transmission and reception of audio data and command words.By the self-defined data format,the data format is optimized and the complexity of data sending and receiving is reduced.Considering the bearing capacity of PAD,the maximum transmission rate can reach18Mb/s at present.Only two lines are used to complete data transmission,which greatly reduces the use of IO on chip.Key words:Bluetooth headset;two-wire bidirectional;high-speed;serial bus controller;IO;FPGA引言随着集成电路的系统时钟工作速度不断提高，芯片间高速传输音频数据就成为了可能。

从节省芯片I/O使用的角度和降低设计的复杂度，采用两线比较合理。

典型的两线传输就是I2C（Inter IC Bus）总线[1]，是当前通用的芯片间两线双向传输串行总线，在高速模式下可以达到3.4Mb/s。

但这个速度对于高速双向传输音频数据显得就不够了，对于大量数据传输和一些特殊的传输（传输音频数据流中插入读写控制字）无法实现。

本文设计了一种两线双向高速串行音频数据传输总线控制器，速度可以达到18Mb/s，大大提高了传输速度，实现同步发送和接收音频数据。

同时实现了在双向传输音频数据流中插入读写控制字，提高了系统的效率。

今天得益于蓝牙技术的发展[2]，蓝牙耳机已经被广泛应用，人们不但可以用它来打电话还可以用它来听音乐。

参考图1，本文应用的蓝牙耳机方案是双芯片，音频处理芯片（CHIP1）和音频接口芯片（CHIP2）。

在打电话时，耳机和手机蓝牙匹配后，语音通过麦克风PDM（脉冲密度调制）接口发送给音频接口芯片，两线双向高速串行总线控制器接收来自于音频接口芯片的音频数据，通过音频处理芯片处理后，通过蓝牙发送端将语音信号发送到手机蓝牙接收端。

接听电话时，将蓝牙耳机接收到的手机音频数据经音频处理芯片处理后，通过两线双向高速串行总线控制器发送给音频接口芯片，最后音频接口芯片将音频数据通过I2S（Inter-IC sound）接口经DAC转换后发送给耳机的两个喇叭播放。

听音乐时，处理方式和接听电话差不多，将手机播放的音乐用同样的方式发送给耳机。

参考图1，本文选用双芯片方案实现了一种两线双向高速串行音频数据传输总线控制器，控制器集成在音频处理芯片中。

其特点：①分别将音频处理芯片和音频接口芯片上的两个I/O脚（一个单向输出，一个双向输入输出）接成两线连接，参考SDIO 总线[3]，其中一根作为输出时钟线SCLK（单向输出），另外一根作为双向数据线SDIO（双向输入输出）。

②两线双向高速串行总线控制器有三种传输功能，即发送、接收和同时发送和接收。

发送：将蓝牙接收端音频数据经音频处理芯片处理后，通过两线双向高速串行总线控制器发送给音频接口芯片，最后音频接口芯片将音频数据通过I2S接口经DAC转换后发送给喇叭播放。

接收：将麦克风语音数据经PDM接口发送给音频接口芯片，两线双向高速串行总线控制器接收来自于音频接口芯片的音频数据，通过音频处理芯片处理后，发送到蓝牙发送端。

同时发送和接收：可以同时进行以上两种传输，一边发送一边接收，应用在打电话场景。

本文提出的设计可以在以上三种传输中实时插入读写控制字，不需要停下传输，大大提高了系统的效率。

而且通过高速串行的方式，大大减少了芯片IO的使用。

通过自定义数据格式，优化了数据格式，并降低了数据发送和接收的复杂度。

用Verilog实现了硬件模块和硬件仿真[4]，完成了FPGA测试，顺利实现了芯片量产。

1高速串行总线控制器1.1自定义串行数据格式自定义串行数据格式见图2，其中sclk为时钟线，sdio为数据线。

一共有三种格式：音频数据流帧格式、写控制字帧格式和读控制字帧格式。

其中，音频数据和控制字都是按照帧的格式发送的，一帧固定为90位数据，以10位为一个单元，一共9个单元，单元1到单元9。

1.1.1音频数据流帧格式（audio flow packet）●前2个单元为同步头图1蓝牙耳机系统结构示意图图2自定义串行数据格式sync word0表示10个1（10’b1111111111）sync word1表示10个0（10’b0000000000）这20位数据表示一帧的开始，CHIP2根据这个同步头来定位数据，获取命令和音频数据。

●第3单元为命令字其中C/D ：0表示音频数据；1表示控制字。

Dir ：表示传输方向，0表示CHIP1到CHIP2；1表示CHIP2到CHIP1。

R/W ：0表示当前写操作；1表示当前为读操作。

Busy ：0表示CHIP1不忙，可以发送数据，CHIP2可以接收数据。

1表示CHIP1忙，不能发送数据。

剩下位未被使用，Busy 前面一位用0表示。

最后一位固定为0，其余位将来扩展功能时可以被使用，比如实现多个从设备连接。

●第4到第9单元为2声道音频数据音频数据左右声道都是24位，总共48位，分别放在6个单元中。

每个单元中间放8位有效音频数据，最高位放有效位valid ，剩下最后一位补上0。

当有效位valid 为1时，传输数据为有效数据，0为无效数据。

第单元4left channel byte0第单元5left channel byte1第单元6left channel byte2第单元7right channel byte0第单元8right channel byte1图3两线双向高速串行控制器结构示意图第单元9right channel byte2除了同步字节外，其他字节最后一位都是0，防止在传输中数据出现和同步头一样的字节而找到错误的帧开始信号。

1.1.2写控制字帧格式（write control packet ）●前2个单元为同步头同音频数据流帧格式一样。

●第3单元为命令字同音频数据流帧格式一样。

●第4单元为写控制字寄存器地址控制器可以对CHIP2的寄存器进行修改，本单元给出CHIP2需要修改的寄存器地址。

●第5单元为控制字根据第4单元的地址，将8位写控制字写入CHIP2的对应寄存器。

●第6单元到第9单元为等待字节因为一次只写一个控制字，4个单元就可以完成操作，剩下的4个单元没有具体意义。

这里剩下的每个单元给出一个等待字，固定为10’b1010101010。

1.1.3读控制字帧格式（audio control packet ）●前2个单元为同步头同音频数据流帧格式一样。

●第3单元为命令字同音频数据流帧格式一样。

●第4单元为读控制字寄存器地址控制器可以对CHIP2的寄存器进行读操作，本单元给出CHIP2需要读的寄存器地址。

●第5单元到第8单元为等待字节因为一次只读一个控制字，4个单元就可以完成操作，剩下的4个单元没有具体意义。

这里剩下的每个单元给出一个等待字，固定为10’b1010101010。

●第9单元为读出控制字根据第4单元的地址，从CHIP2中对应的寄存器读出8位控制字。

1.2控制器实施方案两线双向高速串行控制器结构示意图参考图3，通过APB 总线（APB Bus ）[5]将高速串行控制器使能信号hd_enable 配置成1，写到控制寄存器（Reg-isters Block ）和启动控制器。

当hd_enable 为0时，控制器关闭，处在等待状态，默认值为1。

另外，高速串行控制器可以实现单独的控制字读写和音频数据读写以及控制字和音频控制字混合读写。

通过写控制字信号（cmd_wr_ctrl ）、读控制字信号（cmd _rd_ctrl ）、DMA 写信号（tx_en ）和DMA 读信号（rx_en ）来实现这个控制流程。

其中写控制字的优先级最高，然后依次为读控制字、DMA 音频数据同时读写，最后为DMA 音频数据读或写。

图4给出了整个状态流程图，其步骤：当控制器启动后（hd_enable=1），控制器会去查询cmd_wr _ctrl 、cmd_rd_ctrl 、tx_en 和rx_en 4个控制信号，当cmd_wr_ctrl 为1时，执行写控制字操作，直到一帧图5自定义串行时序图图4两线双向高速串行控制器实现状态图写控制字结束（trans_done=1），然后继续查询4个控制信号。

如果cmd_wr_ctrl 为0，则查询cmd_rd _ctrl 控制信号，如果为1，执行读控制字操作，直到一帧读控制字结束（trans _done=1），然后继续查询4个控制信号。

如果这两个控制信号都为0，则查询tx_en 和rx_en 控制信号。

如果tx_en 和rx_en 都为1，则执行DMA 先写后读操作，每次帧数据读写结束后（data _eop=1），继续查询4个控制信号。