I2S（Inter-IC Sound）界面最初定義為二十多年前用于CD播放器，但經(jīng)過(guò)多次修改和增強(qiáng)，現(xiàn)在已成為任何支持音樂(lè)的數(shù)字系統(tǒng)的重要元素。與用于MCU的其他串行接口相比，I2S是一個(gè)更具延遲敏感性的接口，因?yàn)榻涌诘哪康氖强煽康貍鬏敻弑Ｕ?a target="_blank">音頻。要使用I2S，您通常需要選擇一個(gè)專門支持該標(biāo)準(zhǔn)的微控制器（MCU），盡管存在使用標(biāo)準(zhǔn)MCU串行端口的軟件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。將支持I2S的MCU與外設(shè)芯片（如以音頻為中心的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）相結(jié)合，您可以在基于MCU的系統(tǒng)中提供高質(zhì)量的數(shù)字音頻。

I2S接口由飛利浦定義。由于首字母縮略詞的相似性，許多人認(rèn)為它在技術(shù)上與I2C接口有關(guān)。實(shí)際上，唯一的聯(lián)系是飛利浦定義了兩者。 I2S速度更快，包括完全不同的信令結(jié)構(gòu)，并且嚴(yán)格定義用于傳輸雙聲道音頻數(shù)據(jù)。

I2S實(shí)現(xiàn)至少包括三條信號(hào)線 - 位時(shí)鐘，字時(shí)鐘和多路復(fù)用數(shù)據(jù)信號(hào)。一些實(shí)現(xiàn)還包括主時(shí)鐘信號(hào)和第二數(shù)據(jù)線。該接口被定義為允許使用用于立體聲應(yīng)用的脈沖編碼調(diào)制（PCM）編碼方案來(lái)傳輸兩個(gè)32位音頻通道。

圖1，由Microchip提供，顯示了典型的I2S實(shí)現(xiàn)方案。諸如A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）之類的源以數(shù)字方式將音頻傳輸?shù)組CU。 MCU又可以將音頻流傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換器（DAC）以輸出到揚(yáng)聲器。

圖1：Microchip的這張圖顯示了一個(gè)典型的音頻I2S系統(tǒng)將ADC與系統(tǒng)MCU連接，并將MCU連接到輸出側(cè)的DAC。

MCUI2S支持

讓我們來(lái)看看一些包含I2S支持的MCU選項(xiàng)。例如，德州儀器（TI）在其Stellaris MCU系列的幾個(gè)分支上提供I2S，包括Stellaris 9000 MCU。 Stellaris MCU集成了32位ARM Cortex-M3 CPU內(nèi)核。 9000子系列的時(shí)鐘頻率高達(dá)80 MHz。

同樣，Microchip僅在基于MIPS CPU內(nèi)核的32位PIC32系列MCU上提供I2S支持。現(xiàn)成的產(chǎn)品系列均以40 MHz的最高時(shí)鐘速度運(yùn)行，并具有32至128 KB的集成閃存。

飛思卡爾可能提供最廣泛的支持I2S的MCU，可選擇i.MX-，Kinetis-，PowerPC-和Coldfire-family選項(xiàng)。 i.MX產(chǎn)品被稱為嵌入式處理器而不是MCU，盡管它們集成了內(nèi)存。 i.MX23/25處理器基于ARM9 CPU，i.MX35處理器基于ARM11 CPU，i.MX51/53處理器基于ARM Cortex-A8內(nèi)核。在可用IC范圍內(nèi)，支持的最大時(shí)鐘速度從100 MHz開(kāi)始，并擴(kuò)展到400 MHz以上。

在MCU特定領(lǐng)域，飛思卡爾主要支持Kinetis系列MCU中的I2S，這些MCU基于ARM Cortex-M4 CPU，時(shí)鐘速度最高可達(dá)100 MHz。 Cortex-M4集成了針對(duì)DSP應(yīng)用而優(yōu)化的數(shù)學(xué)功能，包括音樂(lè)或以音頻為中心的應(yīng)用，此類產(chǎn)品有時(shí)也稱為數(shù)字信號(hào)控制器（DSC），使具有數(shù)學(xué)功能的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)MCU區(qū)分開(kāi)來(lái)。

恩智浦還在廣泛的基于ARM的MCU上支持I2S。該列表包括基于ARM7，ARM9，Cortex-M3和Cortex-M4 MCU的產(chǎn)品。同樣，意法半導(dǎo)體的STM32系列支持基于Cortex-M3和-M4的MCU，支持I2S，時(shí)鐘頻率范圍為168 MHz。

將I2S添加到16位MCU

通常，MCU供應(yīng)商僅在32位MCU上支持I2S，因?yàn)楦叨艘纛l和音樂(lè)應(yīng)用通常要求32位CPU提供的性能。但是16位MCU性能大幅提升，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己需要將這樣的MCU連接到以音頻為中心的外設(shè)，如立體聲ADC。

您可以將MCU支持用于諸如串行外設(shè)接口（SPI）之類的接口以及軟件和一些外部邏輯來(lái)創(chuàng)建功能性I2S端口。例如，TI已發(fā)布了一份應(yīng)用筆記（SLAA449A-將I2S器件連接到MSP430器件），描述了如何在16位MSP430系列MCU上實(shí)現(xiàn)I2S（圖2）。

圖2：您可以使用標(biāo)準(zhǔn)串行端口和一些外部邏輯在16位MCU上實(shí)現(xiàn)I2S支持，如TI MSP430的情況所示。

I2S實(shí)現(xiàn)的部分復(fù)雜性是需要支持多路復(fù)用數(shù)據(jù)來(lái)傳輸兩個(gè)立體聲通道。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定左右聲道數(shù)據(jù)由字時(shí)鐘發(fā)信號(hào)通知有效 - 上升沿有一個(gè)通道，下降沿有一個(gè)通道。圖2中描述的電路使用4位計(jì)數(shù)器和一些離散邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)5位計(jì)數(shù)器，而不是產(chǎn)生精確傳輸I2S鏈路的16位字所需的信號(hào)。

I2S外圍IC

已經(jīng)涵蓋了I2S鏈路的MCU端，讓我們來(lái)看看在基于I2S的設(shè)計(jì)中可能使用的外設(shè)IC類型。該列表肯定從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器開(kāi)始，包括以音頻為中心的模型。音頻目標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在幾個(gè)方面與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品不同。音頻轉(zhuǎn)換器通常支持更高的精度和更快的采樣率。此外，音頻設(shè)備通常在一個(gè)IC上集成兩個(gè)用于立體聲支持的通道。例如，AKM Semiconductor提供專為音頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的16位和24位ADC。具體示例包括24位AK5358和16位AK5701。 delta-sigma轉(zhuǎn)換器可以從兩個(gè)立體聲輸入中進(jìn)行選擇，并提供高達(dá)48 kHz的采樣率。 ，TI和其他公司也出售具有I2S支持的ADC。

您可以從ADI公司，Maxim Integrated Products公司，AKM Semiconductor公司和TI公司獲得基于I2S的DAC。例如，ADI公司提供20位AD1854立體聲DAC和24位AD1852立體聲DAC。 sigma-delta轉(zhuǎn)換器支持高達(dá)192 kHz的采樣率。

并非所有音頻應(yīng)用都需要DAC來(lái)處理音頻輸出。例如，一些D類線性放大器廣泛用于具有相對(duì)小的揚(yáng)聲器的便攜式設(shè)備中。有些D類放大器不使用DAC。例如，恩智浦提供TFA9879線性放大器，可接受I2S輸入并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。放大器采用數(shù)字域中的音頻流并將其轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制（PWM）流。然后在模擬域中，與H橋電路組合的二階反饋回路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

恩智浦IC是單調(diào)放大器，但您也可以購(gòu)買立體聲D類放大器。例如，ADI公司提供SSM2518立體聲線性放大器。然而，與恩智浦不同，ADI公司選擇將其設(shè)計(jì)基于DAC和sigma-delta調(diào)制器，以優(yōu)化音頻質(zhì)量。

TI，Cirrus Logic，NJR等公司也提供基于I2S的四通道放大器。圖3描述了TI TAS5711的框圖。 IC使用PWM電路和H橋來(lái)驅(qū)動(dòng)四個(gè)輸出而不是DAC。典型應(yīng)用可能是支持后置聲道音頻的MPEG視頻流的音頻處理。

圖3：四通道TI TAS5711線性放大器鏈接到MCU通過(guò)I2S并使用PWM轉(zhuǎn)換器和H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

在集成方面提升一個(gè)級(jí)別，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)專用音頻編解碼器IC可能在復(fù)雜的音頻應(yīng)用程序中發(fā)揮最佳性能。例如，Cirrus Logic為個(gè)人計(jì)算機(jī)多媒體系統(tǒng)等應(yīng)用提供CS4205音頻編解碼器。該IC集成了獨(dú)立的18位ADC，用于麥克風(fēng)和線路輸入。集成的20位DAC驅(qū)動(dòng)輸出混頻器。

Cirrus編解碼器使用以PC為中心的AC-Link接口來(lái)鏈接主機(jī)處理器和編解碼器。但編解碼器還支持三個(gè)同步I2S輸入和一個(gè)I2S輸出，用于連接其他數(shù)字音頻外設(shè)功能。

特定于應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

到目前為止，我們專注于使用I2S相對(duì)于純音頻為中心的設(shè)計(jì)，其中音頻支持是應(yīng)用要求的核心。但I(xiàn)2S也廣泛用于音頻支持是必要但次要功能的產(chǎn)品。您還可以找到專為某些終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基于I2S的IC。

考慮Nuvoton技術(shù)。該公司在稱為ChipCorder的ISD15100產(chǎn)品系列中制造了一對(duì)IC（圖4）。 ChipCorder IC實(shí)現(xiàn)了數(shù)字錄音和播放設(shè)備（如數(shù)字應(yīng)答機(jī)）所需的所有功能。

圖4：Nuvoton的ChipCorder IC系列包括音頻記錄和回放所需的所有功能，并提供到主機(jī)MCU的I2S鏈接。

這些IC包括數(shù)字音頻壓縮硬件，集成閃存以及專用的模擬和數(shù)字音頻信號(hào)路徑。 ISD15108 IC可以存儲(chǔ)8分鐘的音頻，ISD15116 IC可以在集成的Flash中存儲(chǔ)16分鐘的音頻。這兩個(gè)圖都是指以8 kHz采樣的音頻，并使用4位ADPCM進(jìn)行編碼。 Nuvoton IC支持多種壓縮格式選擇，包括2至5位ADPCM，6至8位μ律或差分μ律，以及8位，10位或12位PCM。

IC包括模擬音頻輸入和差分音頻輸入。您可以使用I2S或SPI將數(shù)字音頻傳輸?shù)絀C或從IC傳輸數(shù)字音頻，盡管前者提供更高的保真度。該IC還包括一個(gè)可以直接驅(qū)動(dòng)小型揚(yáng)聲器的D類音頻放大器。

特定應(yīng)用的故事繼續(xù)發(fā)生在片上系統(tǒng)（SoC）產(chǎn)品中，該產(chǎn)品集成了強(qiáng)大的處理內(nèi)核，外設(shè)和接口，如I2S。在討論SoC時(shí)，我們首先討論了MCU，然后是使用I2S連接到MCU的外設(shè)，現(xiàn)在是SoC，除了片上SoC功能外，還需要I2S連接外設(shè)。例如，麥克雷爾通過(guò)其KSZx692系列SoC針對(duì)一系列以通信為中心的應(yīng)用（圖5）。許多目標(biāo)應(yīng)用需要高端音頻支持，例如支持多媒體的住宅網(wǎng)關(guān)。

圖5：Micrel的KSZx692系列SoC針對(duì)以通信為中心的應(yīng)用，如多媒體住宅網(wǎng)關(guān)，提供I2S接口，用于音頻支持。

Micrel SoC基于250 MHz ARM9內(nèi)核，包括能夠支持100 Mbit/s數(shù)據(jù)的雙以太網(wǎng)MAC（媒體訪問(wèn)控制器）率。還有USB端口甚至PCI接口。包含I2S接口，支持16，18，20和24位音頻的錄制和播放。

USB 3.0應(yīng)用程序

I2S在新的賽普拉斯半導(dǎo)體SoC中也出現(xiàn)了不同尋常的地方。 CYUSB3014 USB控制器支持USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)中定義的新的5 Gbps超高速數(shù)據(jù)傳輸模式。該性能有望使USB能夠在更廣泛的多媒體應(yīng)用中服務(wù)，從高端多媒體播放器到醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)。

SoC實(shí)際上集成了200 MHz ARM9 CPU內(nèi)核和512 KB的SRAM。 IC包括一系列外圍設(shè)備。 I2S接口旨在支持外部編解碼器，就像您可以將此類編解碼器連接到標(biāo)準(zhǔn)MCU一樣。

現(xiàn)在應(yīng)該清楚的是，您需要在規(guī)范開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期階段考慮項(xiàng)目中是否需要I2S。您可能不會(huì)使用純粹以音頻為中心的產(chǎn)品，但添加音頻支持可以大大增加許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)的價(jià)值主張。 I2S是支持高質(zhì)量音頻的最簡(jiǎn)單方式，也許增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)取得廣泛成功的機(jī)會(huì)。但是，在大多數(shù)情況下，您必須從包含I2S支持的MCU或SoC開(kāi)始，以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。此外，還要對(duì)市場(chǎng)上的I2S集成電路進(jìn)行全面審查。您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)具有特定于應(yīng)用程序的功能，可以大大簡(jiǎn)化您的設(shè)計(jì)周期。