（通信与信息系统专业论文）基于usb音频类的嵌入式语音终端设计.pdf

摘要 摘要 随着互联网的迅速发展，互联网相对于电信公网的优势不断扩大。互联网拥 有更大的带宽，更经济的使用成本，更好的兼容性以及更便利的扩展升级能力。 近年来随着国内无限局域网的普及，互联网的接入也逐渐变得更自由、灵活。基 于球协议的互联网被越来越看好作为未来语音通信的基础。 u s b 总线是近年来发展最快，应用面最广的p c 外设接口，发展出品种繁多的 p c 外设。然而在音频流数据传输领域，u s b 接口还没有得到充分开发。 文章整体阐述了利用u s b 总线作为电源和音频数据传输介质的u s b 语音终端 设备从硬件到软件开发设计。包括从项目初期开发平台选择，软件模块设计，产 品软件实现和目标板移植，测试的整个开发过程。 论文首先从硬件入手，进行硬件平台的需求分析。阐述为什么选择用华恒基 于f r c s c a l ec o l d f i r c5 2 2 2 3m c u 的开发板作为硬件平台以及f r e e s c a l ec o d e w a r r i o r 作为软件开发工具对系统进行硬件及软件平台的搭建的理由。详细研究了u s b 总 线特点以及u s b 专属音频类协议基础后，具体介绍了软件模块的设计、划分与实 现。 文章使用较大篇幅详细介绍针对语音终端要求修改c m xu s b 协议栈方法、 u s b 描述符结构、m l 2 3 0 8 驱动、整合a e c 模块以及从底层驱动到u s b 时钟同步 锁相环的设计开发等内容。 在论文结尾，作者针对u s b 语音终端的具体工作环境和需求设计了一系列测 试并通过测试证明该设计达到了设计要求。 文章从市场和实际需求出发，抓住语音终端设备的主要特点，在v o i p 正被逐 渐重视的现在，开发出一款基于u s b 总线的语音终端设备。该设备具有连接方便， 应用灵活，即插即用，无需驱动，简单实用等特点。具有较大的现实意义和市场 意义。 关键字：u s b 音频类u s b 语音终端嵌入式系统软件锁相环 a b s t r a c t a b s t r a c t u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) h a sb e e nw i d e l ys p r e a d e da n df a s td e v e l o p e dd u r i n g r e c e n ty e a r s u n t i l ln o w , w ec a nf i n da l m o s ta l lk i n d so f p e r i p h e r a ld e v i c e sb a s eo nu s b i nt h em a r k e t h o w e v e r , i nt h ef i e l do fa u d i o s t r e a mt r a n s m i t i o n , t h eu s bh a sn o tb e e n p a i dm u c ha t t e n t i o n w i mt h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，i ts h o w sm o r ea n dm o r ea d v a n t a g e sc o m p a r i n g t ot h o s es p e c i f i e dn e t w o r kf o rt e l e c o mc o m m u n i c a t i o n 1 1 1 ei n t e r n e th a saw i d e r b a n d w i t h ，m u c hm o r ee c o n o m i c a lc o s tf o ru s e r sa n di ti sc o m p a t i b l et ov a r i o u sk i n d so f d e v i c e s w i t l lt h ee x p a n d a t i o no fl o c a la r e an e t w o r k ( l a n ) ，a c c e s s i n gt oi n t e m e ti s a l s ob e e ns i m p l i z e d s ot h ei n t e r a c tb a s e do ni pp r o t o c o li sb e e nc o n s i d e r e da st h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r kf o rv o i c et r a n s m i s s i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e dad e v i c eu s i n gu s bc a b l ef o rb o t ha u d i od a t af l o wa n d p o w e rs o u r c e i ti n v o l v e dt h ew h o l ed e v e l o pp r o c e d u r ef r o mp l a t f o r ms e l e c t i n ga n d m i g r a t i n gt h es y s t e mt oat a r g e tp r o d u c t a tt h eb e g i n n i n gt h ep a p e rl i s tt h er e q u i r e m e n to fh a r d w a r e ，t h e na n l a y s i st h e c h a r a c t e r i s t i co fu s ba n du s b a u d i o c l a s s a f t e rd e t a i l e di n t r o d u c i n gt h es o f t w a r e b l o c k s ，t h ec m x u s bs t a c ka n da e cl i b r a r y , i tt e l l sh o wt oe s t a b l i s ht h ed e v e l o p p l a t f o r mu s i n gh h t e c hm c f 5 2 2 2 3e v bt o g e t h e rw i t hf r e e s c a l ec o d e w a r r i o r t h ea u t h o rd e s c r i b l e dh o wt om o d i f yc d ( u s bs t a c ka c c o r d i n gt ot h ep r o j e c t a n dt h ei n t e r g r a t i o no fa e ca f t e rt h a th et e l l st h ed e v e l o p i n gm e t h o df r o ml o w l e v e l d r i v e r st os o f t w a r ep l ld e s i g n 。 a tt h ee n do ft h i sp a p e r , s o m et e s t sd e s i g n e df o ru s b p h o n ea c c o r d i n gt oi t s w o r k i n gr e q u i r e m e n ti sd o n et op r o v et h a tt h ep r o d u c ti sq u a l i f i e dt oc u s t o m e r s f o c u s i n go nm a r k e t a n dp r a c t i c er e q u i r e m e n t ，t h ep a p e rc o n c e n t r a t eo nt h e c h a r a c t e r i s t i ca n dt h e nd e v e l o paa v a i l a b l eu s b p h o n ed e v i c e i t sn o to n l ya nd e v i c e e a s yf o rc o n n e c t i o nb u ta l s os u p p o r tp i l pa n dn od r i v e ri sn e e d e df o ra l ls y s t e m sw h i c h s u p p o r t i n gu s bp o r t ，i th a sg r e a tm a r k e ta n dp r a c t i c a lv a l u e 。 k e y w o r d s ：u s bc l a s sa u d i ou s b p h o n ee m b e d e ds y s t e ms o f t w a r ep l l 图目录 图目录 图2 1u s b 描述符结构1 1 图2 2u s b 语音终端拓扑结构1 6 图3 1u s b p h o n e 硬件模块结构19 图3 2 华恒h h c f 5 2 2 2 3 r 1 开发板2 1 图3 3u s b p h o n e 目标电路板2 1 图3 4b d m 调试模块2 2 图4 1 系统模块2 9 图4 2 新建工程对话框3 3 图4 3p r o 皿c ts t a t i o n e r y 选项3 4 图5 1 硬件平台搭建3 7 图5 2 文件组织结构3 8 图5 3u s b 接口上拉电阻4 2 图5 4u s b p h o n e 描述符结构4 4 图5 5t o kd n e 中断处理流程。4 7 图5 6 控制端点( e p o ) 状态机4 8 图5 7 指令接口时序图：51 图5 8 音频接口时序图5 3 图5 9 初始化模块流程图5 4 图5 1 0m l 2 3 0 8 播放流程图5 5 图5 11m l 2 3 0 8 录音流程图5 6 图5 1 2m l 2 3 0 8 中断服务程序流程图5 7 图5 13 软件锁相环算法结构6 1 图5 1 4 缓存镜像扩展6 3 图5 1 5a e c 模块框图6 4 图6 1 测试结构框图6 7 图6 2 缓存需求测试图6 8 v i 图目录 图6 3 时钟偏差估计6 9 图6 4 系统稳定性测试6 9 图6 51 k h z 数字信号频谱。7 0 图6 61 k h z 模拟输出正弦波7 0 图6 72 k h z 数字信号频谱7 1 图6 82 k h z 模拟输出正弦波7 1 图6 93 k h z 数字信号频谱。7 2 图6 1 03 k h z 模拟输出正弦波7 2 图6 11 电脑端控制面板7 4 图6 1 2b u s h o u n d 设备汇总界面7 4 图6 1 3b u s h o u n d 捕捉数据包界面。7 5 图6 1 4 产品成品图7 7 v 表目录 表目录 表2 1 音频类接口描述符码1 1 表2 2 音频子类描述符码1 2 表2 3t y p ei 描述符格式如下1 3 表2 4 输入端口描述符( d 1 ) 1 6 表2 5 输出端口描述符( d 6 ) 1 7 表2 6 特征单元描述符表1 7 表3 1m c f 5 2 2 2 3 详细参数2 3 表3 2 缓存缓冲时间表2 6 表5 1b d t 地址构成3 9 表5 2b d t 位图4 0 表5 3 端点控制寄存器位图4 1 表5 4 端点控制寄存器位图含义4 l 表5 5u s b p h o n e 端点寄存器配置4 1 表5 6u s b f s 模块中断源4 5 表5 7u s b 基本传输4 5 表5 8b u f f e rd e s c r i p t i ) r 位图4 6 表5 9m l 2 3 0 8 指令接口引脚4 9 表5 1 0m l 2 3 0 8 指令接口时序要求5 0 表5 1 1m l 2 3 0 8 音频接口相关引脚5 2 表5 1 2m l 2 3 0 8 音频接口时序要求5 2 表5 13 时钟偏移测试5 9 表5 1 4 时钟偏移估算值5 9 表5 15v o l 指令定义6 6 表5 1 6p a u s e 指令定义6 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 哆玩 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 目前，全世界绝大部分语音通信任务都是由各个国家的电信网承担，包括固 定电话a t m 网络，已经淘汰的基于模拟技术和频分多址( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，f d m a ) 技术的第一代移动通信系统，正在使用的第二代移动通 信系统g s m 网以及速度更快国内正在普及的3 g 网络，如w c d m a ，t d s c d m a 等等。但是，此类电信网都存在一些固有缺点，例如：两代之间很难兼容。当第 二代g s m 开通，并关闭第一代移动网时，第一代手机用户必须更换手机。并且他 们是高度的专网专用，例如：c d m a 网络的手机通常不能使用g s m 网。价格较昂 贵，基于这类网络的语音通信连接通常是按通话时长收费的，相对于网络的接 入而言，前者价格远远高于后者。电信网提供的主要功能为语音服务，近年来3 g 网络和现有的g s m 网通过g p r s 和e d g e 等技术开始涉足数据服务领域，但是其 速度、稳定度以及手持机的屏幕大小、待机时间等因素都严重限制其普及程度。 这些为语音服务而设计的网络不仅搭设成本较高，而且一旦过时需要更新换代就 必须拆除更新大部分设备，进一步增加了其使用成本和效率。 在另一方面，基于p 的互联网近年来得到了非常显著的发展，通常国内城镇 的家用宽带a d s l 已经至少具备了5 1 2 k b p s 带宽，多者已经达到了2 m b p s 或4 m b p s 以上的带宽，发达国家更达到了几十m b p s 甚至上百m b p s 的使用带宽。相对于目 前应用最广的g s m 手机网仅有的9 6 k b p s 带宽，足以满足上百路信号的传送需求。 目前，无线局域网也日臻成熟，无线路由器等设备价格也迅速降低。随着v 6 的 发展和第二代i n t e m e t 的成熟和普及，可以预见，将来的互联网环境还将得到极大 地提高。由于基于p 的互联网具有网络更加稳定，使用时间跨度更长，同一网络 能提供的服务种类更多，扩展更为方便的优点。 u s b 总线【o l 】是一种应用在计算机领域的新型接口技术。u s b 总线拓扑结构中 居于核心地位的是h o s t ( 也称为主机) 。任何一次u s b 的数据传输都必须由主机 来发起和控制，所有的u s b 外设都只能和主机建立连接，任何两个外设之间或是 两个主机之间无法直接通信。目前，大量的扮演主机角色的是个人电脑p c 。u s b 电子科技大学硕士毕业论文 总线接口作为近年来发展最快的电脑外设接口，相较于之前的其他接口而言，它 具有速度快，连接简单，提供服务灵活，支持热插拔，供电能力较强等特点。 i n t e r n e t 所基于的m 协议和u s b 接口协议作为一种全球范围的标准协议，极 大地方便了基于这两种技术的设备的普及。不断智能化的手机，p d a 设备，提供 了越来越丰富的支持u s b 接口的互联网接入设备，这些设备可以通过软件或者局 部硬件升级使得更新换代的成本极低。因此基于p 的语音技术( v o i p ) 【0 2 】已经越 来越多的受到不同公司和厂商的关注。 随着v o i p 技术的不断发展和完善以及计算机系统的进一步小型化，便利化， 网络的无线化，使用电脑作为通信工具的需求将日趋强烈。因此，能应用于电脑 的使用简单，功能实用的语音设备非常重要。 1 2 项目来源和研究开发于u s b 音频类语音终端的意义 1 2 1 项目来源 本项目来自于香港某公司与教研室团队的合作项目，项目目标是为v o i p 项目 开发一种基于u s b 总线协议的语音终端设备。是应用在需要利用电脑等具备u s b 接口的网络连接设备上的便携式多用途语音终端的原型产品。 1 2 2u s b 总线特点 u s b 总线为所有u s b 外设提供了单一的，易于操作的标准连接类型，这大大 简化了u s b 外设的设计，同时更简化了用户在使用外设时的连接，u s b 总线接口 不再像已经慢慢淘汰的r s 2 3 2 串口或传统的打印机并口那样专口专用，使用u s b 外设的用户不再需要承担判断哪个外设对应哪个插口时的任务，它实现了不同应 用使用单一的通用接口；u s b 总线提供最高达4 8 0 m b p s 带宽，能满足目前几乎所 有外设对带宽的需求；u s b 接口支持热插拔，极大的方便了u s b 外设用户的使用： u s b 可选多种电源解决方案，包括自带电源或利用u s b 总线提供的电源，而事实 上u s b 总线本身提供的5 v ，5 0 0 m a 电流已经足以满足大部分移动外设的需求。 1 2 3u s b 音频类概述 u s b 协议制定时，为了方便不同设备的开发商基于u s b 进行设计，协议制定 者定义了不同的u s b 设备类。 u s bd e v i c ec l a s sa u d i o 0 3 是专门针对于u s b 音频设备定义的一种专 2 第一章绪论 属类别，它不仅定义了音频输入输出端点的标准还提供了音量控制，混音器配置， 左右声道平衡甚至包括对杜比音效解码设备的支持，功能相当强大。不同的开发 者可以根据不同的需求对主机列举自己的设备结构，主机会根据列举的不同设备 特性提供相应的服务。 u s bd e v i c ec l a s sa u d i o 设备主要采用u s b 传输模式中的同步模式 ( i s o c h r o n o u st r a n s f e r s ) ，同步传输模式是专门针对流媒体特点的传输方法。主机 依照设备在列举时报告的流量需求保证提供稳定的带宽给使用该模式的设备或端 点。出于对实时性的要求，这种传输模式不提供相应的接收应答，握手协议。这 很好的适应了音频数据流量稳定，对偶然差错不敏感的特点。 1 2 4u s b 语音设备的特点和前景 相对于目前广泛使用电脑音频终端，音箱和耳机设备，u s b 语音设备的优势 包括： 连接高度集成，简洁。 一般音箱设备没有自带麦克风，用户如果需要用该设备进行语音交互式应用， 则必须另购麦克风设备，这不仅不方便，而且增加了成本。虽然音箱声音效果更 优秀，但是对于语音设备而言，这个优势并不明显。 耳机设备同时具有耳机和麦克风，但是耳机设备连接时需要接两根3 5 m m 音 频线分别供音频输入和输出使用，连接时需要注意接口不能插错，由于现在电脑 一般都支持高达7 声道音频输出，电脑上3 5 m m 接口比以往更多也更容易混淆， 而手持便携式设备往往不具备麦克风接口。因此，耳机功能单一，而且连接相对 复杂。 u s b 音频终端，只需要一根u s b 连接线，不必区分电脑端u s b 接口，接入 任何一个u s b 接口都可以正常工作，且功能可扩展性强大，如果需要，可以为电 话会议等场合定制一种只使用一根u s b 连接线而支持1 个音频输出和多个麦克风 输入的设备。使用灵活。 自带电源，功率适中且实用 音箱设备，都需要另接电源模块，通常还包括一个重量不轻的变压器，虽然 这样的好处是音箱设备可以有更大的输出功率保证其声音和声场的混响品质。但 是作为语音设备并不实用，增加电源线更进步增加了连接的复杂度和限制了其 便携性。 耳机设备不需要外接电源，但是由于3 5 r a m 音频接口提供的电源和耳机本身 3 电子科技大学硕士毕业论文 振膜限制，不可能进行声音外放。有时候，例如电话会议等场合，语音设备仍然 有声音外放的需求。因此耳机不能满足需求。 u s b 音频终端采用u s b 接口供电，u s b 接口提供5 v 电压和最大5 0 0 m a 电 流，即2 5 w 功率。这远远超过耳机的毫瓦级别，普通的p c 音箱的额定功率通常 也在5 w 数量级，由于语音设备对功率的要求要远远低于用于游戏和音乐播放的 p c 音箱，因此u s b 音频设备相对于音箱设备既可以胜任一般语音需求。并且如果 必要，还可以通过u s b 移动硬盘常用的一分二u s b 电缆从多个u s b 接口取电以 达到增加功率的目的。 1 2 5 国内外u s b 音频类设备的研究和产品现状 虽然在u s b 标准中定义了u s bd e v i c ec l a s sa u d i o ，但是市场上很少 有此类设备问世。目前市场上在售的称为u s b 音箱的设备，经过调查，大都是使 用u s bd e v i c ec l a s sp o w e r 协议，他们仅仅将u s b 接口作为电源使用。信 号仍然需要3 5 m m 立体声音频线连接使用，连接相对复杂。没能体现u s b 设备连 接简单，操作方便的优势，且采用模拟信号传送会产生一定的信号失真，影响音 质。国外也没有查到相关的产品或技术推广，相关文献也十分有限。相较于u s b 总线在其他领域如键盘，鼠标，打印机，l e d 台灯等领域的迅速扩张，u s b 总线 在音频产品领域只有很少产品面市。 1 3 本论文的设计目标和研究内容 本项目研究目标目标是在满足u s b 音频类语音设备的硬件，软件，音质等需 求同时，充分考虑嵌入式语音设备的成本前提下，按照项目需求选用合适的开发 板，完成系统的硬件配置和软件设计，并最终实现一个可实际应用的，能够满足 语音基本操作需求的基于u s b 音频类的终端设备。项目远期计划包括通过音箱与 u s b 总线的结合，充分发挥u s b 总线强大的扩展特性，在将来衍生出仅使用一根 u s b 连接线进行连接的同时具备音箱，键盘，摄像头，音箱，耳机等多种功能的 产品，具有广泛的扩展性和远景市场。 作者在该项目中，主要负责u s b 音频类语音终端的硬件平台和软件平台的设 计和搭建，u s b 驱动层设计修改，音频驱动开发等设计，具体完成的工作包括以 下几个部分： 1 建立u s b 音频类语音终端软件结构。 4 第一章绪论 2 移植c m xu s bs t a c k 到m c f 5 2 2 2 3 芯片上。 3 设计u s b 音频类语音终端音频模块结构，设计描述符。 4 移植a e c 模块到m c f 5 2 2 2 3 芯片上。 5 完成m l 2 3 0 8 芯片驱动。 6 完成时钟同步锁相环设计和实现。 7 集成所有模块和实现语音终端主要功能。 8 对系统进行测试。 1 4 本论文的内容 本论文研究并实现基于u s b 音频类的语音终端设计，从u s b 整体协议到u s b 音频类专用协议分析、提出原始设计方案、选择需要的硬件平台和软件开发平台， 设计出适用的软件结构并加以实现。 本论文分为七章。 第一章引言主要阐述项目的研究背景、研究意义及研究内容。 第二章主要介绍u s b 音频类的相关协议。 第三章主要介绍硬件平台需求，选择以及相关资源。 第四章主要介绍软件架构的设计。 第五章主要介绍具体软件实现细节。 第六章是相关的测试以证明设计符合设计要求。 第七章总结与展望，提出进一步改进和发展的方向 5 电子科技大学硕士毕业论文 2 1u s b 简介 第二章u s b 音频类协议 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 0 4 1 0 p “通用串行总线 是早在1 9 9 4 年底由英特尔、 康柏、m m 、m i c r o s o f t 等多家公司联合提出的新一代总线标准。大约在2 0 0 0 年左 右，它才在个人电脑领域得到广泛的推广应用。自1 9 9 4 年1 1 月1 1 日发表了u s b 0 7 版本以来，u s b 版本经历了多年的发展，到目前得到最广泛应用的是2 0 版本， 成为当下电脑中的标准扩展接口。各u s b 版本间能很好的兼容。u s b 用一个4 针 方形插头作为标准插头，采用菊花链形式把所有的外设连接起来，一个u s b 总线 控制设备最多可以连接1 2 7 个外部设备，并且不会损失带宽。u s b 需要主机硬件、 操作系统和外设三个方面的支持才能工作。目前的主板一般都拥有支持u s b 功能 的控制芯片，主板上也安装有u s b 接口插座，而且除了背板的插座之外，主板上 还预留有u s b 插针，可以通过连线接到机箱前面作为前置u s b 接口以方便使用， 并可以通过u s bh u b 扩展出更多的接口。u s b 具有传输速度快( u s b l 1 是 1 2 m b p s ，u s b 2 。0 是4 8 0 m b p s 而未来的u s b 3 0 将达到5g b p s ) ，使用方便，支持 热插拔，连接灵活，独立供电等优点，可以用来连接鼠标、键盘、打印机、扫描 仪、摄像头、闪存盘、m p 3 机、手机、数码相机、移动硬盘、外置光软驱、u s b 网卡、a d s lm o d e m 、c a b l em o d e m 等几乎所有的外部设备。 u s b 总线排除了对鼠标，调制解调器，键盘，打印机等不同设备分别设计接 口的需求，因而减少了硬件复杂度和对端口的占用，节约了系统资源和硬件设计 成本。 u s b 总线支持热插拔( h o tp l u g ) ，在不关闭p c 机的情况下可以安全的插入 或断开u s b 设备，而其他普通外部接口，比如s c s i ，i d e 等接口必须在关闭主机 的情况下才能增加或移走外部设备。 u s b 支持p n p 。当插入u s b 设备的时候，主计算机设备检测该外设并且通过 读取其描述符自动的加载相关的驱动程序来对该设备进行配置，使其正常工作。 u s b 在设备供电方面提供了很大灵活性。u s b 直接连接的设备可以通过u s b 电缆供电，也可以通过电池或者其它的电源来供电，或使用两种供电方式的组合。 支持节约能源的挂机和唤醒模式。这个特性使得u s b 越来越多的成为各种电池供 6 第二苹u s b 音频类协议 电的手持设备的充电来源，例如手机或者p d a 。 u s b 总线针对不同的设备，提供了不同的传输方式。对于音频，视频等容错 能力强但不能应对速率突然变化且对数据带宽稳定性要求较高的应用，它通过舍 弃握手协议，由主机优先保证其固定带宽来满足需求。 u s b 在不断发展完善的同时，越来越多的u s b 产品大量上市。p c 机上也不 断扩大其u s b 接口管理能力，通过配置多个u s b 控制器和u s bh u b ，现在p c 机 能同时支持的u s b 设备已经达到数百个。 2 2u s b 的类概念 u s b 协议在制定设计目标时，即把以下特性作为设计目树嗍： 1 e a s e o f - u s ef o rp cp e r i p h e r a le x p a n s i o n ，方便的p c 外设应用。 2 f u l ls u p p o r tf o rr e a l t i m ed a t af o rv o i c e ，a u d i o ，a n dv i d e o 全面支持音频，视 频等实时数据传送。 3 p r o v i s i o no fas t a n d a r di n t e r f a c ec a p a b l eo f q u i c kd i f f u s i o ni n t op r o d u c t 提供 统一接口在多种应用，不同外设下的工作能力。 4 p r o t o c o lf l e x i b i l i t yf o rm i x e d - m o d ei s o c h r o n o u sd a t at r a n s f e r sa n d a s y n c h r o n o u sm e s s a g i n g 弹性的协议用以支持混合的同步和非同步通信。 5 p r o v i s i o no fas t a n d a r di n t e r f a c ec a p a b l eo fq u i c kd i f f u s i o ni n t op r o d u c t 提供 一个可以快速扩展到不同产品应用的标准的接口。 为了体现u s b 接口的这些特点，简化不同u s b 外设的设计人员的开发难度和 复杂度，u s b 协议专门针对u s b 接口的不同应用定义了不同的类( c l a s s ) 。这些 类的标准，已经通过( u n i v e r s a ls e r i a lb u ss p e c i f i c a t i o n ) ) 标准书强制嵌入到p c 主 机的标准u s b 驱动中。当一个开发人员基于一个标准的u s b 类进行产品设计开发 时，他可以省去在p c 主机上进行驱动和接口设计的工作，只要他设计的u s b 产 品的描述符符合u s b 基本类的定义，该产品就可以在任何具备u s b 接口和u s b 标准驱动的p c 机上正常工作，大大降低了u s b 产品的推广技术门坎，促进了不 同u s b 产品的迅速上市。 2 3u s b 的类( c l a s s ) 利用u s b 的类定义，不同的开发者可以根据需要选择合适的类别并以此作为 7 电子科技大学硕士毕业论文 基础进行开发。同时，u s b 作为一个通用接口，也赋予了开发者完全自主设计的 权利。总体而言，u s b 协议为u s b 开发者们提供了如下的u s b 类定义： u s bd e c i c ec l a s sc o m m in 叮c a t i o n s通信类 u s bd e v i c ec l a s sh u m a ni n t e r f a c eh i d 类 u s bd e c ec l a s sm o n i t o r显示类 u s bd e v i c ec l a s sp h y s i c a li n t e r f a c e力回馈设备类 u s bd e v i c ec l a s sp o w e r 电源类 u s bd e v i c ec l a s sp r i n t e r打印机类 u s b d e v i c e c l a s s s t o r a g e 大容量的 u s bd e v i c ec l a s s sh u bh u b 类 u s bd e v i c ec l a s sa u d i o音频类 经过市场调查，目前市场上的u s b 产品主要应用最多的，主要是以移动硬盘， u 盘，数码相机等为代表的u s bd e v i c ec l a s ss t o r a g e 类和以键盘，鼠标 等为代表的u s bd e v i c ec l a s sh u m a ni n t e r f a c e o s 】类；其次是u s b h u b 为代表的u s bd e v i c ec l a s s sh u b 类；然后以打印机，传真机等为代表的 u s bd e v i c ec l a s sp r i n t e r 紧随其后。此外，以l e d 键盘灯，台灯，u s b 加热器，u s b 吸尘器，手机充电为代表的u s bd e v i c ec l a s sp o w e r 类也有 不少产品问世，而应用最少的就是u s bd e v i c ec l a 。s sm o n i t o r 类和 u s bd e v i c ec l a s sa u d i o 类。二者在市面上几乎没有产品问世。 根据u s b 协议书，最初设计u s b 总线时的三个主要开发动机，第一个就是 “c o n n e c t i o no f t h ep ct ot h et e l e p h o n e ，即u s b 总线的开发目的就是为了方便的 连接电脑和电话。但是可能开发者都没有想到，在u s b 接口大量普及的今天，u s b 的音频类产品却是最少的。 现在市面上有很多标称为u s b 音箱的产品，仔细研究会发现，目前市面上几 乎所有称为u s b 音箱的产品，都仅仅是使用了u s bd e v i c ec l a s sp o w e r 的 协议，将u s b 接口作为电源接口使用，其音频信号仍然需要使用3 s m m 立体声音 频线进行传输。这类产品并不能算是u s b 音频类的语音设备。 2 4u s b 音频类通信协议 2 4 1u s b 基本传输协议 u s b 音频类作为u s b 协议下定义的子类型，其基本传输协议依然遵从于u s b 8 第二章u s b 音频类协议 基本传输类型。 在所有u s b 总线拓扑结构中，位于核心地位的是主机，通常由p c 担任。其 他所有连接到u s b 总线的外设统称为设备( d e v i c e ) 。每一个设备都会有一个或者 多个的逻辑端点( e n d p o i n t ) 在里面。而所有设备的端点0 都默认被用来传送配置 和控制信息。在主机和设备的每一个端点之间的连接叫作管道( p i p e ) ，端点0 和 主机之前的管道叫做默认管道( d e f a u l tp i p e ) 。对于同样性质的一组的端点的组合叫 做接1 2 1 ( i n t e r f a c e ) ，如果一个设备包含了不止一个的接口时它就被称为复合设备 ( c o m p o s i t e d e 访c 曲。对于同样的类型的接口的组合可以称之为配置( c o n f i g u r a t i o n ) 。 设备工作时只能有一个配置是可用的，而一旦该配置激活，里面的接口和端点就都 同时可以使用。主机从设备发过来的描述符( d e s c r i p t o r s ) 来判断应该使用哪个配 置，哪个接口等等，而这些的描述字通常是在端点0 中传送。 u s b 协议规定，在u s b 总线上，1 毫秒为一帧( 以u s b i 1 为例) 。在每一帧 的中，主机可以根据具体连接设备的数量，种类，以及每个设备不同的带宽需求 自主分配带宽给不同设备。每个端点每帧只能传送一个数据包( 有些文章说是每 个设备，是错误的说法) ，数据包大小由设备初始化时列举的描述子指定的传输类 型和主机共同决定。每个数据包通常由令牌分组，数据分组和握手分组组成。数 据包( p a c k a g e ) 是u s b 协议层的最小的数据单元。 根据不同的设备对数据带宽的需求，u s b 协议定义了4 种不同的传输类型， 在设备列举了它所需要的传输类型以后，u s b 主机( 通常由p c 机担任) 就能根据 不同设备的需求在u s b 总线上分配相应的带宽。这四种类型分别是： 控$ 1 j ( c o n t r 0 1 ) 方式传送：控制传送是双向传输，数据量通常较小。u s b 系 统软件用它来进行查询、配置和给u s b 设备发送命令等工作。控制传送 方式可以包括8 、1 6 、3 2 和6 4 字节的数据，这依赖于不同设备定义和传 输速度。控制传输典型地用在主计算机和u s b 外设之间的端点0 之间的 传输，有些指定供应商的控制传输可能用到其它的端点。 同步( i s o c h r o n o u s ) 方式传送：同步传输提供了确定的带宽和传输数据间隔 时间( l a t e n c y ) 。它通常被用于对时间要求严格并具有较强容错性的流数 据传输，或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中。例如执行即时通 话的网络电话应用时，使用同步传输模式是很好的选择。同步数据要求确 定的带宽值和确定的最大传送次数。对于同步传送来说，即时的数据传递 比完美的精度和数据的完整性更重要一些。 中断( i n t e r r u p t ) 方式传送：中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断 9 电子科技大学硕士毕业论文 数据要传送。设备的端点模式器的结构决定了它的查询频率，从1 到2 5 5 m s 之间。这种传输方式典型的应用在少量的分散的、不可预测数据的传输。 键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传送是单向的，对于h o s t 而言只有输入的方式。 大量0 3 u r n ) 传送：主要应用在数据大量传送传送和接受数据上，同时又没 有严格带宽和间隔时间要求的情况下，要求保证传输。u 盘，移动硬盘包 括打印机和扫描仪等都属于这种类型。这种类型的设备适合于传输大量的 对时间要求不太严格的数据，使用这种传输模式的设备会等到所有其它类 型的数据的传送完成之后利用剩余带宽进行传送和接收数据工作。 这里对u s b 协议只进行一些概括性的介绍。并没有涉及其中大量细节内容。 u s b 协议详细定义可参见 u n i v e r s a ls e r i a lb u ss p e c i f i c a t i o n ) ) 0 4 】。 2 4 2u s b 音频类定义 u s b 非常适合作为以p c 为平台的音频( 包括语音和音乐等) 传输协议，而基 于p c 的电话系统从一开始就是u s b 接口发展的重要考量。u s b 接口拥有远远高 于音频数据需求的带宽，可以传输高品质( 高采样率，高编码率，多声道) 的音 频数据。因此，诸如电话，音乐回放，录音等音频功能都可以很容易在u s b 接口 实现。 u s b 作为一个通用数据接口，可以有很多种实现数字音频数据传输的方式。 不同的开发者可以根据自己的喜好和需求，定义任意的控制方式，传输速率，音 频格式等等参数。从市场和工业开发考虑，定义一个被不同开发者认可，高质量 的，并且被标准化的音频传输机制是非常必要的。只有这样，才有可能使在u s b 总线上连接的不同音频设备保持最大的兼容性。标准化的传输机制，同样可以使 软件驱动尽可能保持通用和简洁。而u s b 音频类( a u t od e v i c ec l a s s ) 就是为了 满足以上要求而定义。u s b 音频类包括了所有和u s b 接口兼容的音频流和音频控 制功能，甚至包括使用模拟音源，只利用u s b 接口作为控制接口的设备也被归入 u s b 音频类设备。 下面将介绍开发u s b 音频类中设计u s b 语音设备相关内容。 任何u s b 设备在连接到u s b 接口后，主机检测到有新设备接入，