USB声卡的设计与制作

USB声卡的与制作 常州机电职业技术学院 毕业设计论文 作 者 戴铮 学 号 40831406 华思佳 学 号 40831415 车飞 学 号 40831403 系 部 电气工程系 专 业 应用电子技术 题 目 USB声卡的设计与制作 指导者 朱小刚 柏军基 评阅者 2010年 5 月 USB声卡的设计与制作 2 毕业设计论文中文摘要 随着计算机硬件飞速发展外围设备日益增多键盘、鼠标、调制解调器、打印机、扫描仪早已为人所共知数码相机、MP3随身听接踵而至这么多的设备如何接入个人计算机USB就是基于这个目的产生的。USB是一个使计算机周边设备连接化、单一化的接口。 USB设备之所以会被大量应用主要是因为其具有支持热插拔、携带方便USB设备大多“小、轻、薄”、标准统一、可以连接多个设备、高速度、简单的网络互连功能优点。当前的USB设备被局限在PC平台下才能进行数据交换这是当前USB设备面临的最大局限。 在这个环境下USB声卡逐渐的出现在市场上并越来越流行。USB声卡将USB接口的特点和声卡的需要完美的结合更方便了人们在生活中的需要。尤其是PCM2702之类的芯片出现使USB声卡越做越小在实用的基础上追加了外观的设计强调了便携性并运用在了耳机上相信在今后生活中将会越来越普及。 PCM2702IC1为美国TI公司属下的BB公司生产的USB接口DAC芯片。PCM27O2支持USB1.0标准可接收16bit的立体声或单声道的USB音频数据流。在USB声卡设计中具有主导地位。 关键词 USB接口 声卡 PCM2702 USB声卡的设计与制作 3 目录 1 引 言 ...................................................................................................................... 1 1.1 声卡的基本功能 ........................................................................................ 1 1.2 声卡的主要类型 ........................................................................................ 2 1.3 声卡的接口 ................................................................................................ 6 1.4 声卡的发展历史 ........................................................................................ 6 1.5 声卡的厂家介绍 ........................................................................................ 9 2 USB接口及声卡各主要芯片介绍 ...................................................................... 15 2.1 USB接口的介绍 ....................................................................................... 15 2.1.1 USB接口的发展趋势与行业速递 .................................................. 15 2.1.2 USB接口的优 点 ............................................................................. 15 2.1.3 USB接口布置 ................................................................................. 16 2.1.4 USB数据传输 ................................................................................. 17 2.2 USB声卡各主要芯片介绍 ........................................................................ 20 2.2.1 PCM2702? 樯?................................................................................. 20 2.2.2 asm1117介绍 ................................................................................. 25 2.2.3 APA3544 介绍 ................................................................................ 26 3 基于PCM2702的USB声卡设计与制作 .......................................................... 27 3.1 USB声卡的设计要求 ................................................................................ 27 3.2 #设计#论证 .......................................................................................... 30 3.3硬件设计 ................................................................................................... 31 3.4软件设计 ................................................................................................... 32 3.5电路的制作 ............................................................................................... 33 4 USB声卡性能测试 ............................................................................................. 38 结 论 ........................................................................................................................ 48 致 谢 ...................................................................................................................... 49 USB声卡的设计与制作 1 1 引言 1.1 声卡的基本功能 声卡是计算机进行声音处理的适配器。它有三个基本功能一是音乐合普通PCI声卡成发音功能二是混音器Mixer功能和数字声音效果处理器DSP功能三是模拟声音信号的输入和输出功能。声卡处理的声音信息在计算机中以文件的形式存储。声卡工作应有相应的软件支持包括驱动程序、混频程序mixer和CD播放程序等。 多媒体电脑中用来处理声音的接口卡。声卡可以把来自话筒、收录音机、激光唱机等设备的语音、音乐等声音变成数字信号交给电脑处理并以文件形式存盘还可以把数字信号还原成为真实的声音输出。声卡尾部的接口从机箱后侧伸出上面有连接麦克风、音箱、游戏杆和MIDI设备的接口。 麦克风和喇叭所用的都是模拟信号而电脑所能处理的都是数字信号两者不能混用声卡的作用就是实现两者的转换。从结构上分声卡可分为模数转换电路和数模转换电路两部分模数转换电路负责将麦克风等声音输入设备采到的模拟声音信号转换为电脑能处理的数字信号而数模转换电路负责将电脑使用的数字声音信号转换为喇叭等设备能使用的模拟信号。 声卡由各种电子器件和连接器组成。电子器件用来完成各种特定的功能。连接器一般有插座和园形插孔两种用来连接输入输出信号。 1声音控制芯片声音控制芯片是把从输入设备中获取声音模拟信号通过模数转换器将声波信号转换成一串数字信号采样存储到电脑中。重放时这些数字信号送到一个数模转换器还原为模拟波形放大后送到扬声器发声。 2数字信号处理器DSPDSP芯片通过编程实现各种功能。它可以处理有关声音的命令、执行压缩和解压缩程序、增加特殊声效和传真MODEM等。大大减轻了CPU的负担加速了多媒体软件的执行。但是低档声卡一般没有安装DSP高档声卡才配有DSP芯片。 3FM合成芯片低档声卡一般采用FM合成声音以降低成本。FM合成芯片的作用就是用来产生合成声音。 4波形合成ROM在波表ROM中存放有实际乐音的声音样本供播放USB声卡的设计与制作 2 MIDI使用。一般的中高档声卡都采用波表方式可以获得十分逼真的使用效果。 5波表合成器芯片该芯片的功能是按照MIDI命令读取波表ROM中的样本声音合成并转换成实际的乐音。低档声卡没有这个芯片。 6跳线跳线是用来设置声卡的硬件设备包括CD-ROM的IO地址、声卡的IO地址的设置。声卡上游戏端口的设置开或关、声卡的IRQ中断请求号和DMA通道的设置不能与系统上其他设备的设置相冲突否则声卡无法工作甚至使整个计算机死机。 1IO口地址PC机所连接的外设都拥有一个输入输出地址即IO地址。每个设备必须使用唯一的IO地址声卡在出厂时通常设有缺省的IO地址其地址范围为220H260H。 2IRQ中断请求号每个外部设备都有唯一的一个中断号。声卡Sound Blaster缺省IRQ号为7而Sound Blaster PRO的缺省IRQ号为5。 3DMA通道声卡录制或播放数字音频时将使用DMA通道在其本身与RAM之间传送音频数据而无需CPU干预以提高数据传输率和CPU的利用率。16位声卡有两个DMA通道一个用于8位音频数据传输另一个则用于16位音频数据传输。 4游戏杆端口声卡上有一个游戏杆连接器。若一个游戏杆已经连在机器上则应使声卡上的游戏杆跳接器处于未选用状态。否则2个游戏杆互相冲突。 1.2 声卡的主要类型 声卡发展至今主要分为板卡式、集成式和外置式三种接口类型以适用不同用户的需求三种类型的产品各有优缺点。 板卡式卡式产品是现今市场上的中坚力量产品涵盖低、中、高各档次售价从几十元至上千元不等。早期的板卡式产品多为ISA接口由于此接口总线带宽较低、功能单一、占用系统资源过多目前已被淘汰PCI则取代了ISA接口成为目 前的主流它们拥有更好的性能及兼容性支持即插即用安装使用都很方便。 USB声卡的设计与制作 3 图1.1 板卡式声卡 集成式声卡只会影响到电脑的音质对PC用户较敏感的系统性能并没有什么关系。因此大多用户对声卡的要求都满足于能用就行更愿将资金投入到能增强系统性能的部分。虽然板卡式产品的兼容性、易用性及性能都能满足市场需求但为了追求更为廉价与简便集成式声卡出现了。 此类产品集成在主板上具有不占用PCI接口、成本更为低廉、兼容性更好等优势能够满足普通用户的绝大多数音频需求自然就受到市场青睐。而且集成声卡的技术也在不断进步PCI声卡具有的多声道、低CPU占有率等优势也相继出现在集成声卡上它也由此占据了主导地位占据了声卡市场的大半壁江山。 图1.2 集成式声卡 外置式是创新公司独家推出的一个新兴事物它通过USB接口与PC连接具有使用方便、便于移动等优势。但这类产品主要应用于特殊环境如连接笔记本实现更好的音质等。目前市场上的外置声卡并不多常见的有创新的Extigy、USB声卡的设计与制作 4 Digital Music两款以及MAYA EX、MAYA 5.1 USB等。 图1.3外置式声卡 三种类型的声卡中集成式产品价格低廉技术日趋成熟占据了较大的市场份额。随着技术进步这类产品在中低端市场还拥有非常大的前景PCI声卡将继续成为中高端声卡领域的中坚力量毕竟独立板卡在设计布线等方面具有优势更适于音质的发挥而外置式声卡的优势与成本对于家用PC来说并不明显仍是一个填补空缺的边缘产品。 ?集成声卡集成声卡是指芯片组支持整合的声卡类型比较常见的是AC97和HD Audio使用集成声卡的芯片组的主板就可以在比较低的成本上实现声卡的完整功能。声卡是一台多媒体电脑的主要设备之一现在的声卡一般有板载声卡和独立声卡之分。在早期的电脑上并没有板载声卡电脑要发声必须通过独立声卡来实现。随着主板整合程度的提高以及CPU性能的日益强大同时主板厂商降低用户采购成本的考虑板载声卡出现在越来越多的主板中目前板载声卡几乎成为主板的标准配置了没有板载声卡的主板反而比较少了。 ?板载ALC声卡芯片板载声卡一般有软声卡和硬声卡之分。这里的软硬之分指的是板载声卡是否具有声卡主处理芯片之分一般软声卡没有主处理芯片只有一个解码芯片通过CPU的运算来代替声卡主处理芯片的作用。而板载硬声卡带有主处理芯片很多音效处理工作就不再需要CPU参与了。 ?AC97AC97的全称是Audio CODEC97这是一个由英特尔、雅玛哈等多家厂商联合研发并制定的一个音频电路系统标准。它并不是一个实实在在的声卡种类只是一个标准。目前最新的版本已经达到了2.3。现在市场上能看到的声卡大部分的CODEC都是符合AC97标准。厂商也习惯用符合CODEC的标准来衡USB声卡的设计与制作 5 量声卡因此很多的主板产品不管采用的何种声卡芯片或声卡类型都称为AC97声卡。 ?HD AudioHD Audio是High Definition Audio高保真音频的缩写原称Azalia是Intel与杜比Dolby公司合力推出的新一代音频规范。目前主要是Intel 915/925系列芯片组的ICH6系列南桥芯片所采用。 HD Audio的制定是为了取代目前流行的AC’97音频规范与AC’97有许多共通之处某种程度上可以说是AC’97的增强版但并不能向下兼容AC’97标准。它在AC’97的基础上集成HD Audio声效声卡提供了全新的连接总线支持更高品质的音频以及更多的功能。与AC’97音频解决方案相类似HD Audio同样是一种软硬混合的音频规范集成在ICH6芯片中除去Codec部分。与现行的AC’97相比HD Audio具有数据传输带宽大、音频回放精度高、支持多声道阵列麦克风音频输入、CPU的占用率更低和底层驱动程序可以通用等特点。 特别有意思的是HD Audio有一个非常人性化的设计HD Audio支持 设备感知和接口定义功能即所有输入输出接口可以自动感应设备接入并给出提示而且每个接口的功能可以随意设定。该功能不仅能自行判断哪个端口有设备插入还能为接口定义功能。例如用户将MIC插入音频输出接口HD Audio便能探测到该接口有设备连接并且能自动侦测设备类型将该接口定义为MIC输入接口改变原接口属性。由此看来用户连接音箱、耳机和MIC就像连接USB设备一样简单在控制面板上点几下鼠标即可完成接口的切换即便是复杂的多声道音箱菜鸟级用户也能做到“即插即用”。 因为板载软声卡没有声卡主处理芯片在处理音频数据的时候会占用部分CPU资源在CPU主频不太高的情况下会略微影响到系统性能。目前CPU主频早已用GHz来进行计算而音频数据处理量却增加的并不多相对于以前的CPU而言CPU资源占用率已经大大降低对系统性能的影响也微乎其微了几乎可以忽略。“音质”问题也是板载软声卡的一大弊病比较突出的就是信噪比较低其实这个问题并不是因为板载软声卡对音频处理有缺陷造成的主要是因为主板制造厂商设计板载声卡时的布线不合理以及用料做工等方面过于节约成本造成的。而对于板载的硬声卡则基本不存在以上两个问题其性能基本能接近并达到一般独立声卡完全可以满足普通家庭用户的需要。集成声卡最大的优势就USB声卡的设计与制作 6 是性价比而且随着声卡驱动程序的不断完善主板厂商的设计能力的提高以及板载声卡芯片性能的提高和价格的下降板载声卡越来越得到用户的认可。板载声卡的劣势却正是独立声卡的优势而独立声卡的劣势又正是板载声卡的优势。独立声卡从几十元到几千元有着各种不同的档次从性能上讲集成声卡完全不输给中低端的独立声卡在性价比上集成声卡又占尽优势。在中低端市场在追求性价的用户中集成声卡是不错的选择。 1.3 声卡的接口 ?线性输入接口标记为“Line In”。Line In端口将品质较好的声音、音乐信号输入通过计算机的控制将该信号录制成一个 文件。通常该端口用于外接辅助音源如影碟机、收音机、录像机及VCD回放卡的音频输出。 ?线性输出端口标记为“Line Out”。它用于外接音箱功放或带功放的音箱。 ?第二个线性输出端口一般用于连接四声道以上的后端音箱。 ?话筒输入端口标记为“Mic In”。它用于连接麦克风话筒可以将自己的歌声录下来实现基本的“卡拉OK功能”。 ?扬声器输出端口标记为“Speaker”或“SPK”。它用于插外接音箱的音频线插头。 ?MIDI及游戏摇杆接口标记为“MIDI”。几乎所有的声卡上均带有一个游戏摇杆接口来配合模拟飞行、模拟驾驶等游戏软件这个接口与MIDI乐器接口共用一个15针的D型连接器高档声卡的MIDI接口可能还有其他形式。该接口可以配接游戏摇杆、模拟方向盘也可以连接电子乐器上的MIDI接口实现MIDI音乐信号的直接传输。 1.4 声卡的发展历史 ADLIB音效卡世界上第一块声卡叫做ADLIB魔奇音效卡于1984年诞生于英国的ADLIB AUDIO公司。可以说ADLIB公司是名副其实的“声卡之父”。当然那时的技术还很落后在性能上存在着许多不足之处就拿这块声卡来说它是单声道的而且音质现在看来简直是烂到极点但无疑它的诞生开创了电USB声卡的设计与制作 7 脑音频技术的先河。 真正把声卡带入个人电脑领域的是由新加坡创新公司董事长沈望傅先生发明的Sound Blaster“声霸卡”。这只声卡在当时引起了一场轰动。有的人认为这是一个很好的开端因为PC终于可以“说话”了并联想到将来多媒体PC的模样。但另有一些人却认为这只是一场闹剧因为当时的声卡根本不能够发出很真实的声音。但是10年过后正如前者所预料的多媒体PC成了现今的标准每个人都能利用自己的PC来听CD、玩有声游戏、通过Iphone等网络电话来交谈几乎每一样事情都和PC音频发生关系。现在看起 来PC如果没有了声卡也就没有了缤纷多彩的多媒体世界。 就在人们对PC音频满怀疑虑的时候第一张“真正”的声卡出现了它就是著名的Soundblaster 16这块卡之所以名为16是因为它拥有16位的复音数是指在回放MIDI时由声卡模拟出所能同时模拟发声的乐器数目该声卡能较为完美地合成音频效果具有划时代的意义我们终于能把烦人的PC喇叭给拆掉了。第二次重大变革是Soundblaster 64 Gold这是第一只让人发出惊叹的声卡采用了EMU8000音频芯片的SB 64 Gold无论是其价格还是性能都让人大吃一惊原来声卡也可以卖那么贵啊原来声卡发出的声音也能如此动听Emu8000芯片破天荒地支持64位复音数32个是硬件执行另外32个由Creative开发的软件生成镀金的接线端子120db的动态范围96db的信噪比相信音质比那时的一些国产CD机还要好一切都是为了获得最高质量的音响效果而定做的。当然现在看来该声卡的缺点还是明显的一是使用了ISA总线限制了PC音频系统的发挥只能实现虚拟的3D音频技术而且在播放中由于使用了低带宽的ISA总线因此在信噪比和保真度方面还有一定的问题另外就是必须采用板载的“声存”用来存放音色库的内存而且这些声卡的内存异常昂贵其实也不就是普通的DRAM嘛原来只带了4MB为了能获得更好的合成效果许多专业的MIDI制作人士还是掏钱加上了更多的声存以存放更好效果的音色库。通过这样的结合Soundblaster 64 Gold能回放出很悦耳的合成音乐一度令许多电脑MIDI发烧友为之兴奋。 在这两个发展阶段里Creative成了老大哥其他的声卡产品相比起它来就像是绿叶和红花的关系越发衬托出Soundblaster的伟大。当然在其他的USB声卡的设计与制作 8 声卡中也出了几个精品像Ess logic的ESS688FTopstar的Als007等它们都是以极为低廉的价格提供了与Soundblaster 16相近的性能当年很多兼容机装的都是这两种声卡。在声卡的发展历史上有代表性的作品几乎都是Creative创新公司的产品由此我们也看出该公司在这方面的领导作用。Creative在声卡界的地位就和CPU界的Intel以及软件业的Microsoft一样是行业中的标准。 对3D音效的渴求促使了第三次声卡大变革Soundblaster 64 Gold率先支持了模拟3D音效但同时由于ISA总线带宽太窄了限制了声卡的再度发展因此PCI声卡是注定要诞生的。第一只PCI声卡是S3的Sonics Vibes它拥有一个32位复音的波表生成器支持Microsoft DirectSound和DirectMusic加速。并且附带了SRS 3D音效和Infinipatch downloadable 音色库下载标准。同时它也带来了与DOS环境的极不兼容那时还有相当一部分人使用DOS操作系统音频回放时的爆音回放MIDI时的噪音和相对拙劣的回放效果这使得PCI声卡产品成为了一种让人们产生争议的产品。 但随着Soundblaster推出了另一个划时代的巨作Soundblaster Live 之后在此之前发布的PCI64、128等声卡是收购了Ensoniq公司后采用它们开发的芯片制作的人们对PCI声卡的优越性也深信不疑了看看那个价钱你当然要相信它是好东西了。由于采用了PCI总线结构声卡与系统的连接有了更大的带宽一些在ISA声卡上没有能力实现的效果如使用Downloadable能够下载的音色库更为逼真的3D音效更好的音质和信噪比等都把PC音频推向了另一个高峰。在这里我们要留意PC音频更新的周期没有CPU和显示卡那么快它只是一个循序渐进的过程真的不够用了才会出现和研发它的改进或替代产品所以说投资一个好的PC音频系统是非常值得的起码不会迅速地被淘汰。 当今PC音频的进一步发展变化将主要体现在以下4个方面 ? ISA声卡向.