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1 前言
在进行 USB 音频设备开发的时候，我们不得不考虑音频同步的问题。USB协议中定义了音频传输的三种同步机制，如 表 1 所示。
表 1. USB 音频设备的同步机制
表 1 中的 Source 和 Sink 都是指 USB 设备，Source 是指产生音频数据并发送给主机的设备，如 USB 麦克风。Sink 是指接收来自 USB 主机的音频数据的设备，比如 USB 扬声器（播放器）。本应用笔记主要讲 USB 播放器设备中的音频同步，因此下文中的 USB 设备如无特殊说明都是指 Sink 设备。
三种同步机制的原理如下：
• 异步模式
当 USB 端点工作在异步模式时，USB 设备端不会和 USB 主机的 SOF（Start of frame）信号保持同步，而是通过一个额外的反馈端点（feedback）告知 USB 主机设备端的真实的发送速率，USB 主机根据反馈值实时的调整自身的发送速率。
• 同步模式
当 USB 端点工作在同步模式时，USB 设备端的传输速率需要和 USB 主机的 SOF 信号保持同步，通过调整设备端的时钟系统来使设备端的传输速率和SOF 信号保持同步。
• 自适应模式
当 USB 端点工作在自适应模式时，它可以工作在操作范围内的任意速率，而不只是 32 KHz，44.1 KHz，48 KHz 这些频率，对于 Sink 设备来说，USB设备需要调整自身的传输速率来匹配 USB 主机的数据流。
关于同步机制的更多细节，请参考 USB 2.0 协议的 5.12 章节。
在 NXP SDK 中的 USB 音频播放器的例程中，一般使用异步模式来实现 USB 主机和设备之间的音频同步，即设备端通过反馈端点告诉主机设备端的真实传输速率，让主机调整实际的下发速率。有些 USB 主机是不支持异步模式的，即主机不会调整自身的
发送速率的，例如索尼的 Play Station（PS4）和 Nintendo Switch，这时候就需要设备端工作在同步模式，设备端通过调整自身
时钟来匹配 USB 主机的传输速率。
根据一些客户的需求，NXP SDK 中有一些设备已经支持了同步模式，比如 LPC54608 和 RT600，他们的同步模式的实现方法如
下：
• LPC54608
在 LPC54608 的 SDK USB 音频播放器的例程中，程序会根据用于存储音频数据的环形缓冲区的余量来实时的调整 Free
Running Oscillator （FRO）时钟的 trim 值。由于 FRO 时钟还作为 Phase Locked Loop （PLL）模块的输入时钟，因此由
PLL 分频得到的 I2S_BCLK（Bit Clock）和 I2S_WS（Word Select）也会被同步的更新。
• RT600
在 RT600 的 SDK USB 音频播放器的例程中，通过 SCTimer 实时的测量 USB 主机的 SOF 帧间隔，根据帧间隔来调整 PLL
的小数分频系数，从而调整 I2S_BCLK 和 I2S_WS。
Kinetis L（KL）系列 MCU 是一款基于 Cortex-M0+的带有 USB 设备控制器的低功耗低成本微控制器，一些客户会选用 KL 系列
微控制器作为 USB 音频播放器的控制器，如 KL27，但是如果客户想使 USB 音频播放器支持 PS4 这种不支持异步模式的主机，
则需要使 KL27 的 USB 端点工作在同步模式。与 LPC54608, RT600 不同的是，KL27 是一款低成本的微控制器，并没有 PLL 模
块和小数分频器，这就使得 KL27 不能像 LPC54608 和 RT600 一样通过调整 PLL 来调整 I2S_BCLK 和 I2S_WS。 本篇应用笔记
将介绍一种基于 KL 系列 MCU 的音频同步模式的实现方法，通过调整 I2S_BCLK 的整数分频器和 I2S 字长（Word Length）来调
整设备端的传输速率以匹配 USB 主机的发送速率。
2 实现方法
本节将以 KL27 为例，介绍如何在 USB 音频播放器中实现音频同步模式。
2.1 软件和硬件支持
• 硬件
由于 FRDM-KL27 板子上的 KL27 为 MKL27Z64VLH4，此芯片没有 I2S 外设，且 FRDM 板子上没有 Codec 芯片，因此无法
在此板子上运行 USB 音频播放器的程序。 NxH3670 SDK 板是基于 KL27 的无线耳机方案的评估板，板上有 MKL27Z256VMP4
和 Codec WM8904，所以选用此板作为测试的硬件平台，板子的配置如 图 1 所示。关于更多板子的细节，请参考NxH3670
SDK board（文档 UM11150）。
• 软件
FRDM-KL27 的 SDK 包是针对 MKL27Z64VLH4 这颗芯片的，没有 I2S 的驱动，因此选用 FRDM-KL43 的 SDK 包中的 USB音频例程作为基础工程。
2.2 系统框图
KL27 音频播放器的系统框图如 图 2 所示。
2.3 USB 音频同步模式的使能
本例程将 KL43 SDK 中的 dev_composite_hid_audio_bm 工程作为基础工程，在此基础上，增加了 Codec 的驱动和音频环形缓冲
区的相关代码。
在原始代码中，USB 音频设备是工作在异步模式的，因此需要修改相关的 USB 描述符使其工作在同步模式，本例程中使用DEVICE_AUDIO_USE_SYNC_MODE 宏来配置 USB 音频设备工作在异步模式还是同步模式，将USB_DEVICE_AUDIO_USE_
SYNC_MODE 宏设置为 1，使 KL27 工作在同步模式，具体的配置细节请参考附件中的代码。
2.4 KL27 的时钟分配
配置 I2S 的 Master clock（I2S_MCLK）为 48 M 的系统时钟，然后将 I2S_MCLK 分频之后产生 I2S_BCLK。本例程中使用的 USB
音频设备的格式为双声道的 48 K/24 bit 数据流。若 I2S 接口也配置为 48 K/24 bit，则对应的 I2S_BCLK = 48K * 24 * 2 = 2.034
M。我们无法从 48 M 的 I2S_MCLK 整数分频得到 2.034 M，所以需要将 I2S 字长调整为 25 位，此时 I2S_BCLK = 48K * 25 * 2
= 2.4 M，可以将 I2S_MCLK 20 分频得到所需要的 I2S_BCLK。
2.5 Codec 的配置
NxH3670 SDK 板上的 Codec 为 WM8904，由于本例程中使用的 USB 音频设备的格式为双声道 48 K/24 bit 数据，因此也需要将
Codec 配置为相同的数据格式，且 Codec 需要工作在 I2S 从机模式，即 I2S_BCLK 和 I2S_WS 信号由 KL27 提供。Codec 的主时钟（master clock）由板子上外接的 12.288 M 的晶振提供。
需要注意的是 WM8904 是一个 24 位的设备，如果将 KL27 的 I2S 字长配置为超过 24 位的长度，那么 WM8904 将会自动忽略超
出 24 位长度的数据。即使将 I2S 主机的字长配置为 25 位，也不会影响 Codec 实际的播放效果。
2.6 环形缓冲区的管理
本例程使用环形缓冲区来存储 USB 主机发送过来的音频数据, 同时使用 DMA 将环形缓冲区中的数据搬运至 I2S 的 TX 数据寄存器中。环形缓冲区的管理由两个中断服务函数实现，这两个中断服务函数分别为：
• USB0_IRQHandler
• Audio_DMATxCallback
本例程中使用的环形缓冲区机制来自于 NxH3670 SDK 开发包，使用了三个环形缓冲区，分别为 gs_Interfaces[0].buffer[4096]，
gs_Interfaces[1].buffer[4096]和 s_audioService_BufferOut[4096]。NxH3670 SDK 中的环形缓冲区机制支持音频混合的功能，可
以同时输出游戏通道和聊天通道两个音频通道中的音频数据，其原理是将游戏和聊天两个音频接口中的数据分别存储在gs_Interfaces[0].buffer 和 gs_Interfaces[1].buffer 两个环形缓冲区中，然后再按照时间的先后顺序将两个环形缓冲区中的数据拷
贝至 s_audioService_BufferOut 数组中，然后使用 DMA 将 s_audioService_BufferOut 数组中的数据搬运至 I2S TX 数据寄存器
中，这样人耳就可以同时听到游戏和聊天两个通道混合的声音。音频流示意图如 图 5 所示。
在本例程中，只实现了一个音频接口，并没有使用到音频混合的功能，即音频数据流只会按照 图 5 中绿色箭头的指向来移动。
2.6.1 环形缓冲区的阈值设定
本例程中使用的 gs_Interfaces[0].buffer 环形缓冲区的长度为 4096，阈值设定如 图 6 所示。
环形缓冲区的余量的正常范围在长度的 40%（1638）和 60%（2457）之间，若超出此范围，则需要调整 I2S 的传输速率。 若余
量超过 2457，则需要加快 I2S 的传输速率，若余量小于 1638，则需要降低 I2S 传输速率。
2.6.2 USB 中断服务函数
USB 中断服务函数中对音频流的处理如 图 7 所示。
对于全速 USB 音频设备, USB 主机每毫秒发送一包音频流数据，数据包大小为 288 个字节（48K*2*3）。由 图 7 可知，在USB
中断服务函数中首先会调用 USB_FeedbackCalculate 函数计算环形缓冲区的余量，并判断是否需要更新 I2S_WS，若需要更新，则更新 g_I2sBclkSwitchFlag 和 g_I2sFormatIndex 变量的值，需要注意的是 I2S_WS 并不会被马上更新，而是会等当前DMA 传输完成，在 DMA 中断服务函数中被更新。执行完 USB_FeedbackCalculate 函数之后调用 audio_ringbuffer_write 函数将接收到的音频数据写入到 gs_Interfaces[0].buffer，在写入之前，需要先将 24 位数据扩充为 32 位数据，这是因为 DMA 每次搬运的长度为 32 位。然后判断此环形缓冲区是否半满，若半满，则调用 audio_StartTx 函数开启 DMA 传输，所以正常情况下，环形缓冲区的余量应该保持在长度的 50%左右。如果客户对音频数据的延时有比较严格的要求，那么可以减小缓冲缓冲区的长度来缩短音频延时。
2.6.3 DMA 中断服务函数
配置 DMA 的传输长度为 1ms 的音频数据流大小，即 384 个字节（48*2*4），DMA 每毫秒完成一次传输并触发一次 DMA 中
断，在 DMA 中断服务函数中调用 audio_DMATxCallback 函数，audio_DMATxCallback 中的音频处理流程如 图 8 所示。
在 audio_DMATxCallback 函数中，首先会判断 g_I2sBclkSwitchFlag 变量是否为 1，若为 1，表明环形缓冲区的余量超出了设定
的阈值范围，此时程序会调用 audio_SetI2sWS 函数调整 I2S_BCLK 的分频系数和 I2S 字长来使调整 I2S 的传输速率，使环形缓冲区的余量尽快回归到阈值范围内，避免造成环形缓冲区的上溢或者下溢。关于调整 I2S_WS 的细节，请参考更新 I2S 的传输速率。若不需要调整 I2S_WS，则直接调用 audio_GetAndTransmitSamples 函数将 gs_Interfaces[0].buffer 中的音频数据拷贝 384个字节到 s_audioService_BufferOut 数组中，然后调用 audio_ConfigureLinkTxDma 函数开始一个新的 DMA 传输，从
s_audioService_BufferOut 数组中搬运 384 个字节到 I2S TX 数据寄存器中。
2.7 更新 I2S 的传输速率
由上一节的内容可知，如果环形缓冲区的余量超出了阈值范围，那么需要在当前 DMA 传输完成触发的中断服务函数中调用
audio_SetI2sWS 函数去更新 I2S_WS。根据 KL27 的时钟分配中的描述，I2S_BCLK 是由 I2S_MCLK 分频得到，且 I2S_BCLK =
I2S_MCLK/(DIV+1)/2 = I2S_WS * 2 * WordLength，因此我们可以通过修改 I2S_BCLK 的分频系数和字长来调整 I2S_WS。
由 图 9 可知，I2S_BCLK 的分频系数只能为偶数，初始的 DIV 的值为 9，此时分频系数为 20，此时 I2S_BCLK = 48M /20
=2.4M。若要增加 I2S_BCLK，需要将 DIV 的值设置为 8，此时分频系数为 18，I2S_BCLK = 48M / 18 = 2.67M, I2S_WS =
I2S_BCLK/2/25bit =53.3K。若要减小 I2S_BCLK, 需要将 DIV 的值设置为 10，此时分频系数为 22，I2S_BCLK = 48M / 22 =
2.18M，I2S_WS = I2S_BCLK/2/25bit =43.6K。
如果只修改 I2S_BCLK 的分频系数，得到的 I2S_WS 与 48K 采样率相差较大，此时还可以调整 I2S 字长以获得更接近 48K 的采样率，如当分频系数为 22 时，将字长修改为 24bit，此时 I2S_WS = I2S_BCLK/2/24 = 45.4K。本例程中使用了如 表 3 中列出的三种 I2S_WS 频率。
表 3. 三种 I2S_WS 频率的配置
本例程中使用了 47619，48000，和 48387 三种 I2S_WS 频率来匹配 USB 主机的发送速率。在 USB 中断服务函数中周期的检测
环形缓冲区的余量并及时调整 I2S_BCLK 和 I2S_WS 来避免环形缓冲区中的音频数据上溢和下溢。关于更多更新 I2S_WS 的细
节，请参考 AN13364SW。
3 测试
将修改之后的 SDK 代码下载到 NxH3670 SDK 板中并运行程序，图 11 为使用逻辑分析器抓取的 I2S 信号，测试时使用的USB
主机为 Windows 10。
