基于Freescale MCU与Audio Codec的安卓音频附件设计

　　本文作者：Freescale公司 Zhiyang Zhang， Javen Jiang， Weiping Liu， Oliver Chen

　　概要

　　安卓音频附件是Android Open Accessory （AOA） protocol 2.0中新增的功能，它通过标准USB Audio Class Interface将来自安卓设备音频输出到附件中，将音频通过附件声卡播放出去；并且附件可以作为一个人机接口设备来控制安卓设备，比如媒体播放的简单控制等。本文详细描述了基于Freescale MCU与Audio CODEC的安卓音频附件设计方案。

　　Freescale安卓音频附件简介

　　本安卓音频附件方案采用Freescale Kinetis K（Cortex-M4）系列的MCU MK70FN1M0VMJ12作为主控芯片，Freescale 的SGTL5000音频编解码器将音频输出。MCU与安卓设备通过USB接收原始音频数据，并通过I2S输出到SGTL5000音频编解码器。下面是Freescale安卓音频附件的主要特点：

　　·安卓设备到附件采用44.1KHz 采样率、双声道、16比特原始PCM音频输入

　　·通过HID实现安卓设备音乐曲目切换与暂停控制

　　·通过I2C调节SGTL5000输出音量

　　·采用SGTL5000低功耗高性能立体声输出

　　·Xtrinsic Low-Power Touch-Sensing interface控制输入

　　1 安卓音频附件硬件介绍

　　1.1 硬件整体结构

　　硬件框图

图1 安卓音频附件硬件框图

　　安卓音频附件基本构成

　　1.2 硬件功能模块设计

　　Freescale Kinetis MCU MK70FN1M0VMJ12

　　Freescale Kinetis K系列是一款基于ARM Cortex-M4 的低功耗、高性能微控制器。本方案采用该系列中的MK70FN1M0VMJ12进行安卓音频附件设计，具备1MB Flash与128KB RAM容量，同时具备USB 2.0接口。安卓音频附件使用以下MCU功能：

　　·MCU工作平率120 MHz

　　·采用USB Full Speed 作为音频输入

　　·通过I2S 音频接口与SGTL5000 CODEC通讯传输音频信号

　　·通过I2C 与CODEC通讯传输控制信号

　　·使用Xtrinsic Low-Power Touch-Sensing Interface作为媒体控制输入

图 2 Kinetis MCU原理图

　　Freescale SGTL5000 CODEC

　　本方案采用Freescale SGTL5000高性能、低功耗立体声CODEC，支持I2S IN/OUT， SPI/I2C控制通道。支持主/从模式。HP输出-100dB 信噪比，-80dB谐波失真。支持8KHz~96KHz采样率，16/20/24/32位宽。

　　在安卓音频附件设计中，MCU与SGTL5000交互主要有以下几个方面：

　　·MCU作为I2S 主机，SGTL5000作为设备，由MCU提供SCLK;

　　·MCU通过I2C配置SGTL5000工作模式以及输入输出配置;

　　·SGTL5000输出音频过程中，支持MCU对其进行音量、音质等配置;

图3 SGTL5000接口

　　USB模块

　　Freescale Kinetis K70 MCU集成了OTG模块，OTG实现了USB 2.0全速/低速的HOST和DEVICE功能，并且通过主机交换协议实现主机与设备之间的角色转换。在AOA 协议2.0中规定安卓设备为device，附件为主机，所以 本方案中使用MCU USB 全速HOST功能。

　　图4： USB模块

　　I2S模块

　　Freescale Kinetis MCU K系列I2S模块提供同步音频接口 （SAI总线），它支持I2S、AC97、CODEC/DSP等全双工同步串行接口。本方案中，I2S模块主要负责将从来自安卓设备的音频流传输给SGTL5000 CODEC。MCU作为I2S主机，SGTL5000作为设备。

　　图5 I2S模块

　　触摸感应输入（TSI）模块

　　Kinetis系列MCU提供高灵敏度、高稳定性的电容触摸感应检测功能。每个TSI引脚实现一个电极的电容测量。TSI来源主要有两部分，一个为TWRK70板上的4个模拟按钮的电极，另外12个按钮连接到了触摸Tower开发板上；本方案使用板上的4个触摸按钮作为音频附件人机输入接口来控制安卓设备媒体播放。TSI模块支持边缘和范围检测，并且在触摸板短路时发生中断。

　　图6 TSI模块

　　2 安卓音频附件软件设计

　　软件架构

　　本方案基于Freescale 实时操作系统MQX。在Freescale USB HOST STACK 上实现了AOA 2.0协议栈，并在MQX RTOS上实现了音频输出接口模块。数据流经由USB Host模块流入AOA 2.0协议栈，再由应用程序传递给音频输出接口，通过调用MQX I2S 驱动，将音频数据发送到SGTL5000 CODEC。对于来自TSI的操作命令，分为两种情况处理：音量操作输入经应用处理后直接通过音频输出接口控制I2C来调节SGTL5000输出音量；而媒体曲目切换及播放/暂停命令，经应用处理后，发送给 HID，通过AOA 2.0 Stack发送给安卓设备。

　　图7 软件架构框图

　　程序在Flash的布局

程序在flash中的布局如图8所示，0x0000 0000~0x0000 6000空间分配给boo