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)展過程，在USB不斷發(fā)展完善的同時,，越來越多的USB產(chǎn)品大量上市?，F(xiàn)在的PC機通過USB Hub設備和多個USB控制器,，能同時支持擴展的USB設備已經(jīng)達到數(shù)百個。

　　在USB總線傳輸中,，任何一次USB的數(shù)據(jù)傳輸都必須由主機來發(fā)起和控制,，所有的USB外設都只能和主機建立連接，任何兩個外設之間或者兩個主機之間無法直接通信,。目前,，扮演主機角色的大多是個人電腦(PC)。

　　USB協(xié)議制定時,，為了方便不同設備的開發(fā)商基于USB進行設計,，定義了不同的設備類來支持不同類型的設備。現(xiàn)在市場上的USB產(chǎn)品,，通過調(diào)查會發(fā)現(xiàn)它們主要應用了以下設備類：

　　USB_DEVICE_CLASS_HUMANINTERFACE 鍵盤,、鼠標等

　　USB_DEVICE_CLASS_STORAG U盤、活動硬盤,、數(shù)碼相機等

　　USB_DEVICE_CLASS_PHYSICAL_INTERFACE力回饋游戲桿,、方向盤等

　　USB_DEVICE_CLASS_POWER 風扇、LED臺燈,、手機充電等

　　USB_DEVICE_CLASS_PRINTER 打印機

　　從市場上看,，雖然在USB標準中定義了USB_DE-VICE_CLASS_AUDIO，但是很少有此類設備問世,。目前稱為USB音箱的設備,，大都使用 USB_DEVICE_CLASS_POWER,，僅僅將USB接口作為電源使用。信號仍然需要3.5 mm立體聲音頻線連接使用,，連接相對復雜,。這樣沒有體現(xiàn)USB設備連接簡單，操作方便的優(yōu)勢,，且采用模擬信號傳送會產(chǎn)生一定的信號失真,，影響音質。

　　本文為了設計實現(xiàn)一個完全基于USB協(xié)議的USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設備,，采用一根USB連接線,，在設備中不同的端點 (endpoint)實現(xiàn)音頻信號的輸入，輸出包括相關按鍵控制,，并重點討論如何解決由于USB特殊的總線拓撲結構造成的信號同步問題,。

　　1 USB_DEVICE_CLASS_AUDIO介紹

　　為簡化USB設備的開發(fā)過程，USB提出了設備類的概念,。其中的音頻設備類(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USB音頻設備定義的一種專用類別，它不僅定義了音頻輸入/輸出端點的標準,，還提供了音量控制,、混音器配置、左右聲道平衡,，甚至包括對支持杜比音效解碼設備的支持,，功能相當強大。不同的開發(fā)者可以根據(jù)不同的需求對主機列舉自己的設備結構,，主機則根據(jù)列舉的不同設備結構提供相應的服務,。

　　USB_DEVICE_CLASS_AUDIO設備采用USB傳輸模式中的Isochronous transfers模式，Isochronous trans-fers傳輸模式是專門針對流媒體特點的傳輸方法,。它依照設備在鏈接初始化時列舉的參數(shù),，保證提供穩(wěn)定的帶寬給采用該模式的設備或端點。由于對實時性的要求,，它不提供相應的接收/應答和握手協(xié)議,。這很好地適應了音頻數(shù)據(jù)流量穩(wěn)定、對差錯相對不敏感的特點,。

　　2 平臺介紹與系統(tǒng)架構

　　開發(fā)平臺采用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主頻下達到76Dhrystone 2.1 MIPS,，同時板載ML2308作為音頻播放模塊,。詳細資料可以參閱其官方網(wǎng)站http：//www.hhcn. com/chinese/coldfire/HHCF52223-R1.htm,。

　　主要硬件模塊結構和軟件模塊結構分別如圖1、圖2所示,。

　　3 同步問題

　　由于USB總線拓撲結構的特殊性,，所有數(shù)據(jù)傳輸都由主機(PC)發(fā)起，在設備插上USB接口并完成初始化,、列舉等步驟以后,，主機會按照設備列舉的要求進行流量分配。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USB D驅動在接收并解出USB數(shù)據(jù)包里的音頻數(shù)據(jù)后，存入內(nèi)部開辟的緩存中,。ML2308每個聲道具有64字節(jié)緩存,，當緩存滿、緩存一半和緩存為空時會分別發(fā)送中斷信號Full,、Mid,、Empty給MCF52223，而MCF52223可以根據(jù)不同的中斷信號對ML2308進行寫入新數(shù)據(jù)工作,。

　　因此,，在設備的寫入端數(shù)據(jù)按照PC上的USB的時鐘進行傳輸，而在設備輸出端數(shù)據(jù)按照ML2308的時鐘進行操作,。ML2308時鐘來自板載晶振,，這兩個時鐘不可避免存在一定誤差，而且根據(jù)測試,，不同PC的USB總線時鐘也有微小差別,。這些差異會造成設備內(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,，需要一個易于實現(xiàn)且對資源消耗量較小的方法來同步輸入與輸出信號。由于這種差異是不確定的,，該算法需要一定的自適應能力,。

　　 4 自適應軟件鎖相環(huán)設計

　　之前采用簡單的緩存門限控制方法判斷是否需要插值，即當緩存高于某門限時,，丟棄一個PCM樣點,。而當?shù)陀谀骋婚T限時，插入一個PCM樣點,，由于時鐘速度差異的長期固有性,，在插入/丟棄一個PCM樣點后,，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,。

　　因而在算法設計時，重點考慮以下幾點,。

　　操作的穩(wěn)定性：不能有對數(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，把插入/丟棄產(chǎn)生的失真平均化,。

　　資源消耗量?。阂m應嵌入式系統(tǒng)成本低廉、片上存儲,、運算資源不是很富裕的客觀條件,。

　　音頻的實時性：聲音對實時性要求較高，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模糊控制算法進行設計,。

　　針對兩次插值/丟棄操作之間的樣點數(shù)進行控制,，而非對樣點本身，在每次插值/丟棄操作后進行速率匹配判斷,，修改插值/丟棄間隔,。由于通常這種時鐘差異在千分之一量級，插入/丟棄操作間隔也在千樣點量級,，大大減少了頻繁的判斷操作,。算法結構如圖3所示。

　　5 算法實現(xiàn)

　　由于每臺電腦以及每塊開發(fā)板的時鐘都有誤差,，所以每次連接設備都需要檢查兩者時鐘速率關系,，實現(xiàn)該功能的關鍵代碼如下：