音响系统的USB接口开发分析及主流芯片比较

越来越多的音响系统采用USB接口标准，同时市场上出现了各种USB芯片方案，如何选择合适的芯片方案来设计系统具有一定挑战性，设计工程师需要了解USB音响系统的架构、USB主流芯片的功能特性、控制模块的设计。本文从这三个方面进行了深入的分析和方案比较。
随着USB协议的完善和IC设计生产技术的提高，越来越多的IC内置了USB接口。带有USB功能的IC也称为USB器件，具有USB功能的设备可以按照USB协议来分类：按照协议标准可分为USB1.0设备、USB1.1设备和USB2.0设备，主要区别是传输速率的不同，分别是低速1.5Mbps、全速12Mbps和高速480Mbps；补充协议USB OTG的突出特点是支持点对点通信，根据USB OTG协议可分为USB主设备(主)和USB从设备(从)，其中USB主设备作为USB主控端，可以用来控制各种USB从设备，如U盘、USB鼠标。

近来，随着IC价格的不断下降和消费者需求的不断提高，带有USB功能的家用音响系统也开始渐露头角，如安桥利物浦的HS-S1。一般来说，带有USB功能的家用音响系统的基本架构如图所示。

图1：带有USB功能的家用音响系统的基本架构

可以看出，这类音响系统应该有以下一些功能：和传统的音响系统一样，可以播放CD和MP3碟片；可以和USB主设备(如个人电脑)相连，并将其上播放的音频信号由输出设备输出(一般称为PC LINK)；可以和USB从设备(如U盘)相连，并播放其上的MP3等音乐文件；更进一步，它可以实现从碟片到U盘、麦克风到U盘以及USB主设备和从设备之间的音频压缩录制。

明确了功能之后，对图中控制模块的要求就可以有一个明确的定义：

它应该具有光学伺服，能够读CDDA和MP3等碟片，并能将不同的音频压缩信号发送到相应的解码器中去处理；
它应该具有CDDA解码，以处理来自CD碟片的音频信号；
它应该具有MP3解码，以处理来自MP3碟片的音频信号；
它应该具有USB OTG的主+从设备，并且至少要支持存储设备类(Mass Storage Device)，如CD-ROM和U盘。其主设备可以将U盘中的音频信息提交给MP3解码和/或MCU，其从设备可以将外部USB 主设备(如个人电脑)中的音频提交给功放(DAC)和/或MCU。

四类控制模块的设计

控制模块的设计大致可以分为四类：

第一类是使用通用MCU作为主体，由它来控制外部的MP3解码芯片和USB芯片以及读碟模块，当然外部的MP3解码芯片和USB芯片可以是单芯片，并且可以带自己的MCU。这种设计的优点是可以将USB功能作为插件，一旦用户有需求就可以加上，以保持低端产品和高端产品生产的一致性。其不足之处是成本较高，一方面是高性能的MCU芯片价格高，另一方面是软件开发的成本高—不但要写主控MCU部分，通常还要写外部MP3解码芯片和/或USB芯片的MCU部分，以满足控制要求。

第二类是使用带MCU的MP3解码芯片作为主体，用它来控制外部USB芯片以及读碟模块。这种设计兼有第一类设计的优点，并且可以降低一些成本，但通常仍然要开发两部分的软件。

第三类是使用带MCU的USB芯片作为主体，用它来控制外部MP3解码芯片以及读碟模块。这种设计虽然和第二类设计一样可以降低一些成本，但它的USB功能通常必须使用，所以整体成本在一个较高的水平。

第四类设计就是单芯片—MCU和MP3、USB集成在同一块IC中，这样成本降低很多，应该是此类产品的目标。不过由于家用音响产品的功能要求很多，满足要求的单芯片的价格仍然会很高。

另外，值得一提的是控制模块里的读碟功能块应该是输出数字化数据流的光学伺服设备，而不是输出模拟信号的光学伺服设备。THOMSON光学组件技术(深圳)有限公司开发的一款TCM模块，就是具有数字输出的光学读碟设备。该TCM模块可以将CDDA或MP3碟片上的数字信息以EIAJ CD-ROM格式输出，我们上面讨论的外置MCU可以根据这些数据信息将数据分别输出到MP3解码器或DAC来播放。 [page]

常见的USB芯片比较

考虑到以上的设计要求，就可以对目前市面上常见的USB芯片作一个针对性的比较。Ali、Chesen(巨盛电子)、Cypress、飞利浦和TransDimension 等公司都有USB芯片，而相关的通用MCU和MP3解码芯片此处不再详细讨论。

首先，Ali公司即扬智公司最早推出了M5636，它是一款支持高速USB2.0 OTG协议的可用于嵌入式系统的芯片。其特点包括：既可作主设备，又可作从设备；支持包括存储设备类等多种USB设备类；内置双向ping-pong缓存，工作效率高；具有支持8/16 位外置MCU的PIO/DMA接口；电源可选，具有内置电源泵。

不过这款USB芯片没有MCU，需要外部MCU的支持以完成特定工作。它可用于第一和第二类设计方案。

其次，Chesen公司推出的CSC1220是一款具有24MHz主频8位8051 MCU、支持全速USB2.0 OTG协议的芯片。其特点是：既可作主设备，又可作从设备；支持存储设备类；内置256B ping-pong FIFO缓存，工作效率高；64KB ROM、256B RAM、12KB数据RAM并支持外置ROM和FLASH；具有和MP3解码芯片CSA3001相连的接口(UART、SPI、I2S)；有GPIO来处理用户界面，如键盘、显示等。

Chesen公司还有一款带16位CSM-16 MCU、支持全速USB2.0 OTG协议的芯片—CSA8013。和CSC1220相比，它的功能更强，除了更大的存储容量之外，该芯片可以同时支持两个USB从设备，并允许二者之间的文件拷贝。这两款USB芯片都适用于第一和第三类设计方案。

Cypress公司生产的CY7C67200是一款带有48MHz主频16位RISC MCU、支持全速USB2.0 OTG协议的芯片。其特点有：既可作主设备，又可作从设备；支持存储设备类；有两个USB接口，每个接口都可以设置成主或从；4K*16b掩模ROM、8K*16b程序/数据RAM；带I2C、UART、SPI等接口；有GPIO来处理用户界面。

Cypress这款芯片由于只有较小的程序设计空间，所以适用于第一类设计方案。

还有，飞利浦公司开发的ISP1362也是一款支持全速USB2.0 OTG协议的芯片。它的特点是：既可作主设备，又可作从设备；支持存储设备类；有两个USB接口，其中一个接口可以设置成从或主；具有和多种流行MCU(MIPS、ARM7/9)连接的并行高速数据总线接口；支持PIO/DMA接口；内置电源泵。

飞利浦的这款USB芯片性能好，但没有内带MCU，所以可用于第一和第二类设计方案。

TransDimension公司设计的TD1120是另一款支持高速USB2.0 OTG协议的可用于嵌入式系统的芯片。其特点有：既可作主设备，又可作从设备；支持存储设备类；有多个USB接口，可以设置成主或从；具有和多种流行MCU(MIPS、ARM7/9)连接的高速存储接口；内置多重缓存，增强性能；两个从设备支持DMA通道；内置电源泵。

TD1120也没有内置的可编程MCU，可在第一类和第二类设计中采用。

本文小结

这里我们仅列举和比较了这些USB芯片的主要特点，真正带USB功能的家用音响系统设计还要考虑芯片的USB传输性能、功耗、软件支持以及价格等。关于软件支持，以上各公司都提供了简明、容易上手的USB开发包，但是要和主控MCU或MP3解码MCU相配合仍然需要做大量细致的工作，特别是有必要了解嵌入式操作系统，以提高开发效率和增强代码的复用性。(end)