基于CC8531的USB無(wú)線聲卡設(shè)計(jì)

趙 璐，吳 蒙

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

基于CC8531的USB無(wú)線聲卡設(shè)計(jì)

趙 璐，吳 蒙

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

在分析Purepath無(wú)線音頻協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于CC8531的高保真、低功耗的USB無(wú)線聲卡。結(jié)合系統(tǒng)需求擬定了以CC8531無(wú)線音頻流芯片為核心、TLV320AIC3254為音頻解碼器、輔以按鍵控制和LDO電源降壓電路等外圍模塊的硬件結(jié)構(gòu)，并分析了各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，通過使用Purepath無(wú)線配置平臺(tái)對(duì)CC8531芯片進(jìn)行參數(shù)配置和固件燒寫，實(shí)現(xiàn)了完整的系統(tǒng)。經(jīng)過測(cè)試，USB無(wú)線聲卡能穩(wěn)定傳輸CD級(jí)高保真音質(zhì)，距離最高達(dá)到130 m，并實(shí)現(xiàn)了條件配對(duì)組網(wǎng)、自動(dòng)功耗調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程音量控制等功能，可用于板載聲卡的替代，也可用作無(wú)線耳機(jī)、無(wú)線音響，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。

CC8531；Purepath；USB聲卡；高保真；低功耗

0 引 言

聲卡是實(shí)現(xiàn)數(shù)字/音頻信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件，其質(zhì)量好壞決定著聲音的表現(xiàn)力[1]。它經(jīng)歷了ISA、PCI等總線的演變，使用這些總線要求把聲卡插在電腦機(jī)箱內(nèi)部，這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問題：一是機(jī)箱內(nèi)的電磁噪聲對(duì)于聲卡這樣帶有模擬電路的設(shè)備很容易產(chǎn)生干擾，使聲音信噪比降低；二是板載聲卡很難做到注重保真的同時(shí)兼顧娛樂性[2]，難以滿足所有人對(duì)音頻播放的要求，當(dāng)前筆記本電腦已逐漸普及，而不能在筆記本電腦上通過加裝板卡式獨(dú)立聲卡來(lái)改善音質(zhì)[3]。

上述問題可以使用USB外置聲卡的方式來(lái)解決，同時(shí)結(jié)合近年來(lái)無(wú)線音頻產(chǎn)品逐漸滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域的情況[4-6]，文中設(shè)計(jì)了無(wú)線USB聲卡。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)聲卡的基本功能，也可用作無(wú)線揚(yáng)聲器等便攜式無(wú)線音頻傳輸器件。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)定位于電腦內(nèi)板載聲卡的替代產(chǎn)品，能提供CD級(jí)音質(zhì)的傳輸，注重保真的同時(shí)兼顧音效，主要以無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)聲音的錄音和回放功能，其整體組成如圖1所示。從結(jié)構(gòu)角度看，系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為一個(gè)與電腦USB相連的固定中心節(jié)點(diǎn)，和若干個(gè)獨(dú)立工作的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)端有模擬音頻I/O接口實(shí)現(xiàn)與耳機(jī)、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)等相連。從功能角度看，系統(tǒng)分為無(wú)線射頻通信模塊、音頻編解碼模塊和人機(jī)接口模塊。無(wú)線射頻通信模塊作為系統(tǒng)的核心采用了TI公司無(wú)線音頻流控制器CC8531，它內(nèi)嵌微處理器用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)、控制外圍模塊以及處理無(wú)線音頻流；音頻編解碼模塊使用TI公司的TLV320AIC3254芯片，用于將音頻信號(hào)編碼為適合傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)或者把數(shù)字信號(hào)解碼還原為模擬音頻，人機(jī)接口包括按鍵、LED燈等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

該USB無(wú)線聲卡主要功能包括：

(1)固定端/移動(dòng)端有選擇性的移動(dòng)端/固定端配對(duì)組網(wǎng)，對(duì)不符合條件的配對(duì)請(qǐng)求自動(dòng)過濾，配對(duì)成功后可進(jìn)行通信。

(2)PC播放音樂，固定端以廣播的方式將信號(hào)傳送給每個(gè)移動(dòng)端，與移動(dòng)端相連的耳機(jī)可以聽到PC所播放的CD級(jí)高保真音樂，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲卡中回放的功能；任意的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以麥克風(fēng)方式輸入音頻，固定端接收到該信號(hào)而其他移動(dòng)端不受干擾，實(shí)現(xiàn)聲卡錄音功能。

(3)固定端能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)移動(dòng)端音量，移動(dòng)端也能遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)固定端音量。

(4)USB無(wú)線聲卡屬于便攜式、移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品，有自動(dòng)功耗調(diào)節(jié)、電源電壓監(jiān)控的功能，若節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)沒有通信則自動(dòng)切換為待機(jī)模式，降低系統(tǒng)功耗；電源電量較低時(shí)，以LED閃爍方式提醒用戶充電或者自動(dòng)關(guān)機(jī)，以保證系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

(5)所有數(shù)據(jù)包括音頻、網(wǎng)絡(luò)信息均通過無(wú)線傳輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Purepath無(wú)線音頻協(xié)議

Purepath是德州儀器推出的低成本、低功耗、高保真的無(wú)線音頻協(xié)議，使用的是2.4 GHz技術(shù)，工作在免費(fèi)授權(quán)使用2.4～2.485 GHz ISM無(wú)線頻段上[7]。它是運(yùn)用先進(jìn)的誤差校正及隱藏技術(shù)的音頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過RF鏈路傳輸未壓縮的CD級(jí)音頻信號(hào)，能通過自適應(yīng)跳頻、可選的高質(zhì)量音頻壓縮等核心技術(shù)提高系統(tǒng)的魯棒性。Purepath網(wǎng)絡(luò)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括單個(gè)協(xié)議主機(jī)和多個(gè)協(xié)議從機(jī)，協(xié)議主機(jī)與協(xié)議從機(jī)間存在三類數(shù)據(jù)通信：音頻流、數(shù)據(jù)旁路信道、網(wǎng)絡(luò)信息。無(wú)線音頻流控制芯片CC8531是支持Purepath協(xié)議的芯片之一。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共分為固定的中心節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)的終端節(jié)點(diǎn)兩類，根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同硬件電路。

固定端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示[8-9]。CC8531用于處理音頻信號(hào)的無(wú)線通信：根據(jù)射頻收發(fā)的場(chǎng)景要求將音頻流調(diào)制成適合無(wú)線發(fā)射的已調(diào)信號(hào)或者對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，其無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5 Mbps，音頻延遲小于16 ms，可支持32 kHz、44.1 kHz和48 kHz等的采樣率，USB接口符合USB1.0標(biāo)準(zhǔn)。為了確保通信的可靠性，增加射頻前端芯片CC2590[10]，CC2590內(nèi)部集成了放大輸出功率的PA(Power Amplifier，功率放大器)以及可提高接收機(jī)敏感度的LNA(Low Noise Amplifier，低噪聲放大器)。CC8531有+3.5 dBm的可編程功率輸出，在與射頻前端進(jìn)行無(wú)縫連接后，系統(tǒng)可編程輸出功率增加至+11 dBm，較高的發(fā)射功率保證了優(yōu)質(zhì)的通信質(zhì)量和較遠(yuǎn)的傳輸距離。固定端和移動(dòng)端的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸使用Purepath音頻傳輸協(xié)議，能得到CD級(jí)高保真音質(zhì)、抗干擾音頻流的傳輸實(shí)現(xiàn)。

圖2 設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

CC8531內(nèi)部大多已集成了必要的電路，因此只需采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)墓δ埽瑥亩鴾p小產(chǎn)品開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期。其內(nèi)置時(shí)鐘生成器的工作需要配置48 MHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘源，CC8531和CC2590芯片的工作電壓范圍為2～3.6 V，以USB方式供電電壓為5 V，系統(tǒng)選擇TI公司的TPS73633DBVT芯片作為穩(wěn)壓電源變換器，實(shí)現(xiàn)從5 V到3.3 V的轉(zhuǎn)變。用戶使用按鍵進(jìn)行系統(tǒng)控制，如控制電源開關(guān)、音量控制、配對(duì)控制等，指示燈的輸出反饋系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)電源電壓監(jiān)控功能，將CC8531的VBAT管腳接入待檢測(cè)的電源，該管腳每秒4次的頻率對(duì)電源電壓進(jìn)行測(cè)量。

移動(dòng)端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。與固定端相比增加了一個(gè)編解碼器模塊，音頻解碼模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，編解碼質(zhì)量決定了聲卡的性能優(yōu)劣。TLV320AIC3254是嵌入式迷你DSP的超低功耗立體聲音頻編解碼器[11-12]，集成了濾波器、功率放大器、ADC、DAC等。CC8531使用I2S實(shí)現(xiàn)與音頻編解碼器的數(shù)據(jù)傳輸，包括MCLK、BCLK、WCLK三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)均由CC8531提供，接口連接如圖3所示。聲卡回放時(shí)，編解碼器除了進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換外還應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)增益放大以驅(qū)動(dòng)耳機(jī)，作錄音用時(shí)，傳入的音頻信號(hào)含有直流偏置，須先濾波、放大后再編碼，這些都可通過I2C接口對(duì)編解碼器寫初始化控制序列方式設(shè)置完成。

圖3 CC8531與TLV320AIC3254間接口框圖

2.3 Purepath無(wú)線配置器參數(shù)設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)音頻傳輸特點(diǎn)，使用Purepath無(wú)線配置軟件(PurePath Wireless Configurator，PPWC)對(duì)CC8531進(jìn)行固件開發(fā)[13]。PPWC是為Purepath系列芯片提供參數(shù)配置、校驗(yàn)、編譯、燒寫的PC端圖形化工具。

圖4是參數(shù)配置流程。PPWC中對(duì)編解碼器設(shè)有默認(rèn)的初始化控制序列，控制的內(nèi)容包括：放大增益、過采樣系數(shù)、濾波器抽頭、管腳定義等。也可以通過重寫初始化腳本的方式對(duì)TLV320AIC3254進(jìn)行寄存器置位以實(shí)現(xiàn)自定義的音頻編解碼、濾波和特定的DSP算法處理等功能。此外，還須依次分別對(duì)音頻流、音量控制、網(wǎng)絡(luò)配對(duì)、電源管理、I/O映射進(jìn)行參數(shù)配置。

CC8531與外部音頻接口制定為I2S數(shù)據(jù)格式，44.1kbps采樣速率和16位分辨率，幀時(shí)鐘、主時(shí)鐘分別是采樣時(shí)鐘的64、256倍。音量控制的方式分為遠(yuǎn)程和本地控制，系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程音量調(diào)節(jié)方式，這種做法的優(yōu)勢(shì)在于多接收節(jié)點(diǎn)情景下，能批量調(diào)節(jié)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的音量。系統(tǒng)默認(rèn)工作在2 404～2 476MHz頻帶范圍內(nèi)，通過預(yù)先在PPWC除掉通信環(huán)境中已知固定干擾的頻率段，提高通信效率。

圖4 PPWC參數(shù)配置流程圖

低功耗是該系統(tǒng)最為顯著的優(yōu)勢(shì)之一，在PPWC平臺(tái)上制定自動(dòng)功耗調(diào)節(jié)和電源管理方案，當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)1 800s沒有音頻傳輸或者持續(xù)30s某節(jié)點(diǎn)處于孤立未與其他節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉編解碼芯片或切換芯片工作模式以節(jié)省功耗。為VBAT管腳配置電壓閾值如3.35V，當(dāng)?shù)陀谠撾妷簳r(shí)LED閃爍提醒用戶充電或更換電池。

Purepath網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)無(wú)線設(shè)備都有3個(gè)32bit地址，用于標(biāo)識(shí)身份或者在網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)進(jìn)行條件配對(duì)：DeviceID、ManufacturerID、ProductID。DeviceID唯一標(biāo)志著CC8531芯片，芯片出廠時(shí)已被唯一確定，其余兩個(gè)地址通過PPWC配置確定。ManufacturerID標(biāo)識(shí)芯片的制造商品牌，ProductID標(biāo)識(shí)芯片的產(chǎn)品類型。通過對(duì)固定端和接收端設(shè)定合適的ProductID、ManufacturerID和ProductID掩膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)部分節(jié)點(diǎn)過濾，防止不同設(shè)備的相互干擾。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在不同環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在開闊、無(wú)干擾的較理想環(huán)境(操場(chǎng))測(cè)得系統(tǒng)傳輸距離最遠(yuǎn)為130m，在多干擾、多障礙物的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境(教學(xué)樓)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，射頻鏈路在半徑25m范圍內(nèi)覆蓋良好。在以上無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)，系統(tǒng)使用MOS[14](MeanOpinionScore)語(yǔ)音質(zhì)量評(píng)價(jià)方法打分均有4分以上，固定端作為中心節(jié)點(diǎn)最多能支持對(duì)4個(gè)移動(dòng)端的廣播，證明無(wú)線USB聲卡能滿足設(shè)計(jì)需求且音質(zhì)良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了基于CC8531的USB無(wú)線聲卡，能實(shí)現(xiàn)CD級(jí)音質(zhì)的無(wú)線音頻穩(wěn)定傳輸，同時(shí)通過實(shí)現(xiàn)條件配對(duì)組網(wǎng)、電壓監(jiān)控、自動(dòng)功耗調(diào)節(jié)等功能保證了安全性、可靠性、節(jié)能性，該系統(tǒng)可用于替代電腦內(nèi)板載聲卡，也可以用作無(wú)線耳機(jī)、無(wú)線音響。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)?shù)撵`活度，無(wú)需更改硬件結(jié)構(gòu)只須對(duì)PPWC上的配置參數(shù)稍作更改就可以實(shí)現(xiàn)更多個(gè)性化功能，具有一定的市場(chǎng)價(jià)值[15]，并為USB聲卡設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新思路。

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Design of Wireless USB Soundcard Based on CC8531

ZHAO Lu,WU Meng

(College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Based on the analysis of Purepath wireless audio protocol,a CD-class low-power USB wireless soundcard is designed.Combining the system requirements,a system structure is developed based on RF streaming chip CC8531,the codec TLV320AIC3254 and other peripheral function modules.Then a detailed description of the circuit design is given.After that,CC8531 chip is programmed through the Purepath wireless platform and a complete system is finally finished.As test shows the USB wireless soundcard can achieve a high-fidelity wireless transmission with distance up to 130 m.In addition,the system increases pairing networking,automatic power adjustment,volume control and other functions.It can not only used as an alternative to onboard soundcard but also as a wireless headset or a wireless audio speaker.

CC8531;Purepath;USB soundcard;HiFi;low power consumption

2016-01-08

2016-05-11

時(shí)間：2016-09-19

國(guó)家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB302900)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(10KJA510035)；南京市科技發(fā)展計(jì)劃重大項(xiàng)目(201103003)

趙 璐(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與信號(hào)處理；吳 蒙，教授，研究方向?yàn)闊o(wú)線通信與信號(hào)處理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全與通信系統(tǒng)的信息安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0842.048.html

TP39

A

1673-629X(2016)10-0156-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.034