I2S总线.doc

1、I2S编 辑 本 段 I2S 总 线 概 述音 响 数 据 的 采 集 、 处 理 和 传 输 是 多 媒 体 技 术 的 重 要 组 成 部 分 。 众 多 的 数 字 音 频 系 统已 经 进 入 消 费 市 场 ， 例 如 数 字 音 频 录 音 带 、 数 字 声 音 处 理 器 。 对 于 设 备 和 生 产 厂 家 来 说， 标 准 化 的 信 息 传 输 结 构 可 以 提 高 系 统 的 适 应 性 。 I2S(InterIC Sound)总 线 是 飞 利浦 公 司 为 数 字 音 频 设 备 之 间 的 音 频 数 据 传 输 而 制 定 的 一 种 总 线 标 准 ， 该

2、 总 线 专 责 于 音 频设 备 之 间 的 数 据 传 输 ， 广 泛 应 用 于 各 种 多 媒 体 系 统 。 它 采 用 了 沿 独 立 的 导 线 传 输 时 钟 与数 据 信 号 的 设 计 ， 通 过 将 数 据 和 时 钟 信 号 分 离 ， 避 免 了 因 时 差 诱 发 的 失 真 ， 为 用 户 节 省了 购 买 抵 抗 音 频 抖 动 的 专 业 设 备 的 费 用 。 编 辑 本 段 I2S 总 线 规 范在 飞 利 浦 公 司 的 I2S 标 准 中 ， 既 规 定 了 硬 件 接 口 规 范 ， 也 规 定 了 数 字 音 频 数 据 的格 式 。 I2S 有

3、3 个 主 要 信 号 ： 1.串 行 时 钟 SCLK， 也 叫 位 时 钟 （ BCLK） ， 即 对 应 数字 音 频 的 每 一 位 数 据 ， SCLK 都 有 1 个 脉 冲 。 SCLK 的 频 率 =2采 样 频 率 采 样 位 数 2. 帧 时 钟 LRCK， (也 称 WS)， 用 于 切 换 左 右 声 道 的 数 据 。 LRCK 为 “1”表 示 正 在传 输 的 是 左 声 道 的 数 据 ， 为 “0”则 表 示 正 在 传 输 的 是 右 声 道 的 数 据 。 LRCK 的 频 率 等于 采 样 频 率 。 3.串 行 数 据 SDATA， 就 是 用 二 进

4、 制 补 码 表 示 的 音 频 数 据 。有 时 为 了 使 系 统 间 能 够 更 好 地 同 步 ， 还 需 要 另 外 传 输 一 个 信 号 MCLK， 称 为 主时 钟 ， 也 叫 系 统 时 钟 （ Sys Clock） ， 是 采 样 频 率 的 256 倍 或 384 倍 。串 行 数 据 （ SD）I2S 格 式 的 信 号 无 论 有 多 少 位 有 效 数 据 ， 数 据 的 最 高 位 总 是 出 现 在 LRCK 变 化 （也 就 是 一 帧 开 始 ） 后 的 第 2 个 SCLK 脉 冲 处 。 这 就 使 得 接 收 端 与 发 送 端 的 有 效 位 数 可

5、以 不 同 。 如 果 接 收 端 能 处 理 的 有 效 位 数 少 于 发 送 端 ， 可 以 放 弃 数 据 帧 中 多 余 的 低 位 数 据； 如 果 接 收 端 能 处 理 的 有 效 位 数 多 于 发 送 端 ， 可 以 自 行 补 足 剩 余 的 位 。 这 种 同 步 机 制 使得 数 字 音 频 设 备 的 互 连 更 加 方 便 ， 而 且 不 会 造 成 数 据 错 位 。随 着 技 术 的 发 展 ， 在 统 一 的 I2S 接 口 下 ， 出 现 了 多 种 不 同 的 数 据 格 式 。 根 据 SDATA 数 据 相 对 于 LRCK 和 SCLK 的 位 置

6、 不 同 ， 分 为 左 对 齐 （ 较 少 使 用 ） 、 I2S 格 式（ 即 飞 利 浦 规 定 的 格 式 ） 和 右 对 齐 （ 也 叫 日 本 格 式 、 普 通 格 式 ） 。为 了 保 证 数 字 音 频 信 号 的 正 确 传 输 ， 发 送 端 和 接 收 端 应 该 采 用 相 同 的 数 据 格 式 和 长度 。 当 然 ， 对 I2S 格 式 来 说 数 据 长 度 可 以 不 同 。字 段 （ 声 道 ） 选 择 （ WS） 命 令 选 择 线 表 明 了 正 在 被 传 输 的 声 道 。WS=0， 表 示 正 在 传 输 的 是 左 声 道 的 数 据 。WS=

7、1， 表 示 正 在 传 输 的 是 右 声 道 的 数 据 。WS 可 以 在 串 行 时 钟 的 上 升 沿 或 者 下 降 沿 发 生 改 变 ， 并 且 WS 信 号 不 需 要 一 定 是对 称 的 。 在 从 属 装 置 端 ， WS 在 时 钟 信 号 的 上 升 沿 发 生 改 变 。 WS 总 是 在 最 高 位 传 输前 的 一 个 时 钟 周 期 发 生 改 变 ， 这 样 可 以 使 从 属 装 置 得 到 与 被 传 输 的 串 行 数 据 同 步 的 时 间， 并 且 使 接 收 端 存 储 当 前 的 命 令 以 及 为 下 次 的 命 令 清 除 空 间 。电

8、气 规 范 ：输 出 电 压 :VL 2.4V 输 入 电 压VIL=0.8V VIH=2.0V注 ： 目 前 使 用 的 TTL 电 平 标 准 ， 随 着 其 他 IC（ LSI） 的 流 行 ， 其 他 电 平 也 会 支 持。时 序 要 求 ：在 I2s 总 线 中 ， 任 何 设 备 都 可 以 通 过 提 供 必 需 的 时 钟 信 号 成 为 系 统 的 主 导 装 置 ， 而从 属 装 置 通 过 外 部 时 钟 信 号 来 得 到 它 的 内 部 时 钟 信 号 ， 这 就 意 味 着 必 须 重 视 主 导 装 置 和数 据 以 及 命 令 选 择 信 号 之 间 的 传

9、播 延 迟 ， 总 的 延 迟 主 要 由 两 部 分 组 成 ：外 部 时 钟 和 从 属 装 置 的 内 部 时 钟 之 间 的 延 迟内 部 时 钟 和 数 据 信 号 以 及 命 令 选 择 信 号 之 间 的 延 迟对 于 数 据 和 命 令 信 号 的 输 入 ， 外 部 时 钟 和 内 部 时 钟 的 延 迟 不 占 据 主 导 地 位 ， 它 只 是延 长 了 有 效 的 建 立 时 间 (setup time)。 延 迟 的 主 要 部 分 是 发 送 端 的 传 输 延 迟 和 设 置接 收 端 所 需 的 时 间 。T 是 时 钟 周 期 ， Tr 是 最 小 允 许 时

10、 钟 周 期 ， TTr 这 样 发 送 端 和 接 收 端 才 能 满 足 数据 传 输 速 率 的 要 求 。对 于 所 有 的 数 据 速 率 ， 发 送 端 和 接 收 端 均 发 出 一 个 具 有 固 定 的 传 号 空 号 比 (markspace ratio)的 时 钟 信 号 ， 所 以 t LC 和 tHC 是 由 T 所 定 义 的 。 t LC 和 tHC 必 须大 于 0.35T， 这 样 信 号 在 从 属 装 置 端 就 可 以 被 检 测 到 。延 迟 (tdtr)和 最 快 的 传 输 速 度 (由 Ttr 定 义 )是 相 关 的 ， 快 的 发 送 端 信

11、 号 在 慢 的 时 钟上 升 沿 可 能 导 致 tdtr 不 能 超 过 tRC 而 使 thtr 为 零 或 者 负 。 只 有 tRC 不 大 于 tRCmax的 时 候 (tRCmax： 0.15T)， 发 送 端 才 能 保 证 thtr 大 于 等 于 0。为 了 允 许 数 据 在 下 降 沿 被 记 录 ， 时 钟 信 号 上 升 沿 及 T 相 关 的 时 间 延 迟 应 该 给 予 接收 端 充 分 的 建 立 时 间 (set-up time)。数 据 建 立 时 间 (set-up time)和 保 持 时 间 (hold time)不 能 小 于 指 定 接 收 端

12、 的 建 立 时间 和 保 持 时 间 。 编 辑 本 段 I2S 总 线 结 构 配 置随 着 WS 信 号 的 改 变 ， 导 出 一 个 WSP 脉 冲 信 号 ， 进 入 并 行 移 位 寄 存 器 ， 从 而 输出 数 据 被 激 活 。 串 行 数 据 的 默 认 输 入 是 0， 因 此 所 有 位 于 最 低 位 (LSB)后 的 数 据 将 被设 置 为 0。随 着 第 一 个 WS 信 号 的 改 变 ， WSP 在 SCK 信 号 的 下 降 沿 重 设 计 数 器 。 在 “1 out of n”译 码 器 对 计 数 器 数 值 进 行 译 码 后 ， 第 一 个 串

13、 行 的 数 据 (MSB)在 SCK 时 钟 信 号的 上 升 沿 被 存 放 进 入 B1， 随 着 计 数 器 的 增 长 ， 接 下 来 的 数 据 被 依 次 存 放 进 入 B2 到Bn 中 。 在 下 一 个 WS 信 号 改 变 的 时 候 ， 数 据 根 据 WSP 脉 冲 的 变 化 被 存 放 进 入 左 (声道 )锁 存 器 或 者 右 (声 道 )锁 存 器 ， 并 且 将 B2 一 Bn 的 数 据 清 除 以 及 计 数 器 重 设 ， 如 果有 冗 余 的 数 据 则 最 低 位 之 后 的 数 据 将 被 忽 略 。 注 意 ： 译 码 器 和 计 数 器 (

14、虚 线 内 的 部 分 )可 以 被 一 个 n 比 特 移 位 寄 存 器 所 代 替 。IIS 总 线 接 口 可 作 为 一 个 编 码 解 码 接 口 与 外 部 8/16 位 的 立 体 声 音 频 解 码 电 路 （ CODEC IC） 相 连 ， 从 而 实 现 微 唱 片 和 便 携 式 应 用 。 它 支 持 IIS 数 据 格 式 和 MSB-Justified 数 据 格 式 。 IIS 总 线 接 口 为 先 进 先 出 队 列 FIFO 的 访 问 提 供 DMA 传 输 模 式 来 取代 中 断 模 式 ， 可 同 时 发 送 和 接 收 数 据 ， 也 可 只 发

15、 送 或 接 收 数 据 。I2S（Inter-IC Sound Bus）是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。在飞利浦公司的 I2S 标准中，既规定了硬件接口规范，也规定了数字音频数据的格式。I2S 有 3 个主要信号：1. 串行时钟 SCLK，也叫位时钟（BCLK ），即对应数字音频的每一位数据，SCLK 都有 1 个脉冲。SCLK 的频率=2采样频率 采样位数 2. 帧时钟 LRCK，用于切换左右声道的数据。LRCK 为“1” 表示正在传输的是左声道的数据，为“0”则表示正在传输的是右声道的数据。LRCK 的频率等于采样频率。3.串行数据 SDATA，就是用二

16、进制补码表示的音频数据。有时为了使系统间能够更好地同步，还需要另外传输一个信号 MCLK，称为主时钟，也叫系统时钟（Sys Clock），是采样频率的 256 倍或 384 倍。一个典型的 I2S 信号见图3。（图 3 I2S 信号）图 格式的信号无论有多少位有效数据，数据的最高位总是出现在 LRCK 变化（也就是一帧开始）后的第 2 个 SCLK 脉冲处。这就使得接收端与发送端的有效位数可以不同。如果接收端能处理的有效位数少于发送端，可以放弃数据帧中多余的低位数据；如果接收端能处理的有效位数多于发送端，可以自行补足剩余的位。这种同步机制使得数字音频设备的互连更加方便，而且不会造成数据错位。

17、随着技术的发展，在统一的 I2S 接口下，出现了多种不同的数据格式。根据 SDATA 数据相对于 LRCK 和 SCLK 的位置不同，分为左对齐（较少使用）、I2S 格式（即飞利浦规定的格式）和右对齐（也叫日本格式、普通格式）。这些不同的格式见图 4 和图 5。（图4 几种非 I2S 格式）图 4（图 5 几种 I2S 格式）图 5 I2S 格式来说数据长度可以不同。一、SPI 总线说明串行外围设备接口 SPI（serial peripheral interface）总线技术是 Motorola公司推出的一种同步串行接口，Motorola 公司生产的绝大多数 MCU（微控制器）都配有 SPI

18、 硬件接口，如 68 系列 MCU。SPI 用于 CPU 与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI 可以同时发出和接收串行数据。它只需四条线就可以完成 MCU 与各种外围器件的通讯，这四条线是：串行时钟线（CSK）、主机输入/从机输出数据线（MISO）、主机输出/从机输入数据线（MOSI）、低电平有效从机选择线 CS。这些外围器件可以是简单的 TTL 移位寄存器，复杂的 LCD 显示驱动器，A/D、D/A 转换子系统或其他的 MCU。当 SPI 工作时，在移位寄存器中的数据逐位从输出引脚（MOSI）输出（高位在前），同时从输入引脚（MISO）接收的数据逐位移到移位寄存器（高位在前）。发送

19、一个字节后，从另一个外围器件接收的字节数据进入移位寄存器中。主 SPI 的时钟信号（SCK）使传输同步。其典型系统框图如下图所示。SPI 主要特点有: 可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作; 提供频率可编程时钟; 发送结束中断标志; 写冲突保护; 总线竞争保护等。 图 2 示出 SPI 总线工作的四种方式，其中使用的最为广泛的是 SPI0 和 SPI3 方式(实线表示):SPI 模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果 CPOL=“0“，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=

20、1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果 CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果 CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI 主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。SPI 总线接口时序如图所示。-CAN 总线 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种

21、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多 RS-485 基于 R 线构建的分布式控制系统而言， 基于CAN 总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先，CAN 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且 CAN 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得 CAN 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用 RS-485 只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮

22、询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差；其次，CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 82C250 的两个输出端 CANH 和CANL 与物理总线相连，而 CANH 端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在 RS-485 网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。而且，CAN 具有的完善的通信协议可由 CAN 控制器芯片及其接口芯

23、片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的 RS-485 所无法比拟的。另外，与其它现场总线比较而言，CAN 总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN 总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。CAN (Controller Area Network)即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN 总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造

24、厂商，如 BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和 JAGUAR(美洲豹)等都采用了 CAN 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于 CAN 总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 200

25、0 等。什么是 CAN 总线？CAN 意为 Controller Area Network 的缩写，意为控制区域网络。是国际上流行的现场总线中的一种。是一种特别适合于组建互连的设备网络系统或子系统。2 CAN 总线特点？l CAN 是到目前为止为数不多的有国际标准的现场总线l CAN 通讯距离最大是 10 公里（设速率为 5Kbps）,或最大通信速率为1Mbps(设通信距离为 40 米)。CAN 总线上的节点数可达 110 个。通信介质可在双绞线，同轴电缆，光纤中选择。CAN 采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点同时发送数据时，优先级低的节点会主动退出发送，高优先级的节点可继续发送，节省总线仲裁时间。CAN 是多主方式工作，网上的任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息。CAN 采用报文识别符识别网络上的节点，从而把节点分成不同的优先级，高优先级的节点享有传送报文的优先权。报文是短帧结构，短的传送时间使其受干扰概率低，CAN 有很好的效验机制，这些都保证了 CAN 通信的可靠性。3 CAN 总线应用领域CAN 总线最初是德国 BOSCH 为汽车行业的监测，控制而设计的。现已应用到铁路、交通、国防、工程、工业机械、纺织、农用机械、数控、医疗器械机器人、楼宇、安防等方面。