摘要 USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是近年來得到大力發(fā)展和應用的計算機接口技術，它簡化了計算機外部接口連接過程，便于計算機擴展各種外部設備。USB在協議制定時，為了方便不同方向的設計者進行開發(fā)，定義了不同的USB設備類(USB Device Class)。本文針對使用USB_Audio_Class進行語音設備設計時需要解決的音頻信號同步問題進行了介紹，并給出了相應的解決方法和部分源代碼。
關鍵詞 USB總線 USB音頻設備類 軟件鎖相環(huán)

引 言
    USB總線協議經歷了從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產品大量上市?，F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設備已經達到數百個。
    在USB總線傳輸中，任何一次USB的數據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。現在市場上的USB產品，通過調查會發(fā)現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生一定的信號失真，影響音質。
    本文為了設計實現一個完全基于USB協議的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)者可以根據不同的需求對主機列舉自己的設備結構，主機則根據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，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／應答和握手協議。這很好地適應了音頻數據流量穩(wěn)定、對差錯相對不敏感的特點。

2 平臺介紹與系統架構
    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站http：／／www．hhcn． com/chinese/coldfire／HHCF52223-R1．htm。[!--empirenews.page--]
    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，所有數據傳輸都由主機(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。因此單聲道每幀數據量為：

          
    MCF52223通過USB D驅動在接收并解出USB數據包里的音頻數據后，存入內部開辟的緩存中。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可以根據不同的中斷信號對ML2308進行寫入新數據工作。
    因此，在設備的寫入端數據按照PC上的USB的時鐘進行傳輸，而在設備輸出端數據按照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部緩存的音頻數據不斷被消耗殆盡，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。而當低于某一門限時，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)式的插入或丟棄數據操作，產生不可接受的噪音。
    因而在算法設計時，重點考慮以下幾點。
    操作的穩(wěn)定性：不能有對數據突發(fā)性的操作。
    操作的分散性：要盡量平均的控制信號，把插入／丟棄產生的失真平均化。
    資源消耗量?。阂m應嵌入式系統成本低廉、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
    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，實現該功能的關鍵代碼如下：

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6 測 試
    (1)基本性能
    關閉軟件鎖相環(huán)，系統在緩存中存放240個sample開始播放。而每次當程序播放約45 s時，由于緩存消耗殆盡，語音會自動中斷，無法播放。
    開啟軟件鎖相環(huán)，程序可以無時間限制運行，達到設計目的。
    (2)緩存需求測試
    在播放至少10 min穩(wěn)定以后，利用變量rangel和range2跟蹤緩存內數據數量波動范圍，記錄最大值和最小值，分12次測試，如圖4所示。

    可見，在啟動軟件鎖相環(huán)以后，緩存中數據量最大浮動范圍在192～250 sample之間。因此，為保證數據不溢出，只需要約60字節(jié)空間作為緩存就能維持設備正常工作。
    (3)估算時鐘偏差測試
    在不同電腦上運行10 min以上，提取插入／丟棄數據間隔，取倒數可以得到穩(wěn)定后設備和USB時鐘偏差率。由圖5可見，總體偏差在0．001～0．003以內，基本符合預期。

    (4)穩(wěn)定性測試
    運行10 min以后，讀取當前設備緩存內數據量。由于每次寫入／讀取8個sample，而終止程序進行數據提取是隨機的，無法確定緩存剛才由USB寫入還是由 ML2308讀取，因此在240上下8個sample以內都是完全符合預期的。由圖6可見，程序能準確地將緩存中數據量控制在240個sample左右，完全達到設計目標。

結 語
    基于插值算法的自適應軟件鎖相環(huán)，適用于針對USB_Audio_Class_Device的時鐘同步需求。它在達到設計要求的前提下，對嵌入式系統內存和MIPS占用極低，非常適合在利用USB總線作為音頻數據傳輸，或通信雙方存在一定的不確定速率的誤差且需要設備自主完成數據同步的設備中使用。