引言
I2S（InterIC Sound Bus）是飛利浦公司針對數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，采用沿獨立的導線傳輸時鐘與數據信號的設計，通過分離數據和時鐘信號，避免了時差誘發的失真。I2S總線簡單有效，可以有效提升輸出數據的質量，在各種嵌入式音頻系統中有廣泛應用。但是在嵌入式音頻系統設計中，并不是所有的MCU都支持I2S總線格式，再加上I2S還沒有統一的接口標準，不同的廠家生產的設備接口也是五花八門，采用軟件模擬實現I2S總線可有效解決在不支持其的MCU和設備之間通過I2S總線實現數據傳輸時出現的問題。
本文通過在以太網數字語音廣播系統中軟件模擬I2S總線實現語音數據傳輸，給出了軟件模擬實現I2S總線的方法。

1、I2S總線規范
I2S為三線總線，3個信號分別為：
① 串行時鐘SCK，也叫位時鐘（BCK）。即每發送1位數字音頻數據，SCK上都有1個脈沖。SCK的頻率=2×采樣頻率×采樣位數。在數據傳輸過程中，I2S總線的發送器和接收器都可以作為系統的主機來提供系統的時鐘頻率。
② 幀時鐘WS，即命令（聲道）選擇，用于切換左右聲道的數據。WS的頻率等于采樣頻率，由系統主機提供。WS為“1”表示傳輸的是左聲道的數據，WS為“0”表示傳輸的是右聲道的數據。
③ 串行數據信號SD，用于傳輸二進制補碼表示的音頻數據。
I2S格式的信號無論有多少位有效數據，數據位的最高位（MSB）總是被最先傳輸，1次能夠發送的數據決定于I2S格式的有效位數。
1個典型的I2S信號時序如圖1所示

圖1 I2S總線典型時序圖

隨著技術的發展，在統一的I2S接口下出現了多種不同的數據格式。根據SD信號相對于SCK和WS位置的不同，分為左對齊和右對齊2種格式，如圖2和圖3所示。

圖2 16位有效位數的左對齊格式

圖3 16位有效位數的右對齊格式

在上面2種數據傳輸格式中，當WS為“1”時傳輸的是左聲道的數據，當WS為“0”時傳輸的是右聲道的數據。為了保證數字音頻信號的正確傳輸，發送端和接收端必須采用相同的數據格式。

2、軟件模擬I2S

以太網數字語音廣播系統主要是指以以太網為傳播介質提供音頻服務的廣播系統，將語音信號以標準IP包的形式在以太網上進行傳送，以實現語音廣播功能。該系統在PC機端通過麥克風采集語音數據，然后將采集到的語音數據通過以太網發送給嵌入式終端，嵌入式終端將接收到的語音數據進行數/模轉換后進行播放。系統實現框圖如圖4所示[5]。

圖4 以太網數字語音廣播系統框圖

圖5 LM3S8962與MS6336的連接圖

廣播系統終端的MCU LM3S8962將接收到的語音數據通過I2S總線發送給語音解碼芯片MS6336進行數/模轉換并播放,

LM3S8962和MS6336的連接如圖5所示。為了完整還原出語音信號，需要保證軟件模擬I2S信號時序嚴格精確,高低電平的轉換采用延時程序實現。MS6336為16位D/A芯片，其I2S時序如圖6所示。

圖6 MS6336的典型I2S時序圖

該系統中的語音數據雙聲道，16位采樣，1個采樣點的數據為4字節，1個采樣點數據通過MCU發送給MS6336，數據發送流程如圖7所示。

軟件模擬I2S引腳的定義如下：
#define I2S_WS GPIO_PIN_5//模擬I2S聲道選擇時鐘控制位
#define I2S_BCK GPIO_PIN_6//模擬I2S位時鐘控制位
#define I2S_DATA GPIO_PIN_7//模擬I2S數據傳送位
根據MS6336的I2S總線格式以及數據發送流程，軟件模擬I2S總線的步驟如下：
① 根據語音數據采樣率及采樣位數計算得到SCK的值和WS的值（WS的值等于采樣頻率）。
系統采樣率為44.1 kHz，則SCK=2×44.1 kHz×103×16=1 411 200 Hz，WS=44 100 Hz。1個SCK時鐘周期T=1/SCK=07 μs。采用延時程序模擬SCK時鐘周期需要應用示波器來精確延時時間。本系統中一個SCK周期的延時為delayI2S(2)。
② 將WS、BCK和DATA均置為高電平。
③ 選擇左右聲道。首先發送左聲道數據，將WS置低（若發送右聲道數據則將WS置高）。

for(ChannelCnt=0;ChannelCnt<2;ChannelCnt++){//雙聲道選擇播放
if(ChannelCnt==0){//右聲道選擇信號為高電平
HWREG(GPIO_PORTA_BASE + (GPIO_O_DATA + (I2S_WS << 2))) = ～I2S_WS;
}
else{//左聲道選擇信號為低電平
HWREG(GPIO_PORTA_BASE + (GPIO_O_DATA + (I2S_WS << 2))) = I2S_WS;
}
……
}

④ 選擇高低字節。將左聲道數據以高低字節的順序發送，在發送高字節第1位數據之前先發送1個周期的串行時鐘。

for(HorLCnt=0;HorLCnt<2;HorLCnt++){//聲道數據高低字節選擇
if(ChannelCnt==1){//左聲道
if(HorLCnt==0){//低字節
c=*(SampLEData+1);//SampleData指向音頻數據緩沖區首地址，即左聲道低字節
delayI2S(2);//發送第一個數據位之前需要延遲一個位時鐘周期
}
else{//低字節
c=*SampleData;
}
}
……
}

⑤ 開始傳輸音頻數據（音頻數據的傳輸在SCK下降沿準備數據，在SCK的上升沿發

送給數據接收端）。將采樣點左聲道數據的高字節最高位送給SD，設置SCK為低電平，此時為SCK的下降沿，數據準備好。延時半個SCK周期以后將SCK置為高電平，此時SD線上的數據發送給數據接收端，延時半個SCK周期。依次將左聲道剩余位數據按照最高位的方式發送出去。

for(BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++){//1次傳送的數據長度為8位,先傳送高字節再傳送低字節置時鐘線SCK為低，開始準備數據位
HWREG(GPIO_PORTA_BASE + (GPIO_O_DATA + (I2S_BCK << 2))) = ～I2S_BCK;
if((c<
⑥ 當將1個采樣點的左聲道的數據發送完以后，延時2個SCK周期，然后發送右聲道的數據（同左聲道數據的發送過程）。
根據以上的過程對每個采樣點的數據進行處理，就可以實現通過軟件模擬I2S總線傳輸音頻數據了。以上實現的是典型I2S時序模擬，而左對齊和右對齊2種格式只是時序稍有差異，模擬實現過程同典型I2S總線模擬實現過程基本相同。

結語
在以太網數字語音廣播系統中應用軟件模擬實現I2S總線時序，能夠成功地實現語音信號的數據傳輸，實現語音信號的實時廣播，表明了軟件模擬實現I2S總線的可行性，為解決不支持I2S總線的MCU和各種I2S總線設備間的通信提供了一種可行的方法。但是，在應用軟件模擬實現I2S的以太網數字語音廣播系統實時播放語音信號時，存在一些噪聲，表明在采用軟件模擬實現I2S的時序精確性上存在一些欠缺。