一种异步单线音频传输电路和音频传输方法与流程

1.本发明涉及一种通信电路，尤其是一种异步单线音频传输电路和音频传输方法。


背景技术：

2.音响数据的采集、处理和传输是多媒体技术的重要组成部分。众多的数字音频系统已经进入消费市场，例如数字音频录音带、数字声音处理器。对于设备和生产厂家来说，标准化的信息传输结构可以提高系统的适应性。现有技术中i2s(inter—ic sound)总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，该总线专责于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。但是这种方式是采用同步多线的方式实现的音频传输，需要设置单独的音频接口，使用此种方式电子设备的接口数量较多。
3.虽然一般数字音频传输都是通过i2s、usb等同步多线接口电路实现的。但由于一些电子设备，如平板电脑，为了降低接口的复杂性，对外采用的是单总线接口。传统的单总线接口只能实现简单的数据传输，如：鼠标、键盘。采用单总线传输音频信号目前存在信号不稳定等弊端，现有技术中也存在采用单线传输音频的的电路，例如cn200910189301.2,其公开了一种实现音视频信号单线传输的电路，但是由于构造复杂，信号处理手段繁复，因此实现成本高。本发明针对上述技术缺陷，研发了一种异步单线音频传输电路，除了传输键盘、鼠标外，还可传输音频信号，且电路结构简单低成本易实现。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用单总线实现音频双向传输，又保证数据传输稳定性的异步单线音频传输电路和音频传输方法，通过时钟精准同步提高传输速率，通过音频压缩减少音频传输数据量，通过特定协议确保数据流可靠传输，最终可实现48k/16bit双向音频传输。
5.本发明提供一种异步单线音频传输电路，所述传输电路包括主机和从机，主机和从机之间采用单线通信进行音频传输；主机端将双声道音频信号进行压缩，通过单总线传输给从机端；从机端将接收到数据进行实时解压，实现音频信号的重建，最后通过codec输出音频给耳机；从机端对单声道麦克风数据进行压缩，通过单总线传输给主机，主机端实时解压，实现麦克风信号的重建。
6.进一步，在传输音频之前首先采用基于mlt变换和向量熵编码的音频压缩算法对音频进行压缩处理，并且在单线传输音频之后进行解压处理。
7.进一步，主机和从机上都具有tx脚和rx脚，在主机的tx脚与rx脚线路合并；从机的tx脚和rx脚线路合并；使用一根trx单线分别连接合并后的主机tx脚、rx脚和从机的tx脚、rx脚，并且仅在主机的tx脚一端设置第一电阻，以及仅在从机的tx脚一端设置第二电阻，实现主机和从机之间的单线通信；通信过程中默认主机的tx脚处于disable状态，并把io配置为输入，rx处于enable状态，从机的tx/rx配置为enable状态，此时当从机有数据需要发送给主机的时候随时可以通过trx线给主机发送信号，当主机需要给从机发送信号的时候，先
使能主机端的tx脚，然后给从机发送信号。
8.进一步，设置为第一电阻的阻值为第二电阻的阻值十分之一且第一电阻和第二电阻的阻值之和在2.7k至3.3k范围内，从而设定通信双方的主从优先级，以使得主机的tx脚的驱动能力大于从机tx脚的驱动能力，在主机和从机同时发送数据时，trx单线上的信号受主机控制，确保从机能收到主机的信号；当主机不需要发送数据的时候，主机的tx脚由软件设定为输入高阻态，从机可机通过驱动能力较弱的第二电阻给主机发送数据，当主机有数据需要发送给从机的时候，将主机的tx脚设为输出，由于主机端的第一电阻小，驱动能力强，无需考虑从机tx脚的电平状态，直接给从机发送数据。
9.进一步，第一电阻和第二电阻的阻值之和等于3k。
10.进一步，设置有传输协议，所述传输协议保证不同类型的数据发送到对方，数据的类型包括：前导、命令、长度、数据、和/或校验；主机端的rx信号同时传输给芯片内部timer或pwm模块，每个数据包以前导0x55开头。
11.进一步，采用基于mlt变换和向量熵编码的音频压缩算法，获得16:1/10:1的音频压缩比。
12.进一步，所述基于mlt变换和向量熵编码的音频压缩算法具体地包括以下步骤：
13.首先，采用mlt频域变换，将麦克风采集的时域数字语音信号转换为频域谱系数；然后采用rms量化权重计算，将频域谱系数为分组计算信号的均方根rms，通过分组均方根计算频域分量权重；最优分组比特位分配，根据分组信号频域分量权重和设定比特率参数获得最优分组比特位；将分组频域语音信号进行矢量量化，生成分组矢量量化系数；将分组矢量量化系数进行哈弗曼编码，完成数据压缩。
14.进一步，采用调制混叠变换，通过mlt变换，将短时帧的pcm时域音频数据转换成mlt频域谱系数，按频域相关性对mlt频域谱系数进行分组；所述pcm时域音频数据首先经过50％数据重叠混合处理，再进行反混叠滤波，防止频谱溢出，之后进行dct
‑
iv变换，将时域数据变换成频域谱系数。
15.另一方面，本发明还提供一种异步单线音频传输方法，其利用根据本发明的异步单线音频传输电路实现音频的传输；主机端将双声道音频信号进行压缩，通过单总线传输给从机端；从机端将接收到数据进行实时解压，实现音频信号的重建，最后通过codec输出音频给耳机；从机端对单声道麦克风数据进行压缩，通过单总线传输给主机，主机端实时解压，实现麦克风信号的重建。
16.本发明的异步单线音频传输电路和音频传输方法既可降低接口的复杂性，又保证了数据传输的稳定性。通过对主机和从机设置不同电阻值的r1和r2，实现通信双方的主从优先级，以使得主机的tx脚的驱动能力大于从机tx脚的驱动能力，由于主机端的第一电阻小，驱动能力强，可以无需考虑从机tx脚的电平状态，直接给从机发送数据。使得通过简化的电路形式实现单线通信的同时能够保证数据传输的稳定性。
附图说明
17.图1示出了根据本发明的异步单线音频传输电路和方法的结构示意图；
18.图2示出了根据本发明的异步单线音频传输电路和方法的传输协议及时钟精准同步示意图。
具体实施方式
19.下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
23.传统的单总线接口只能实现简单的数据传输，如：鼠标、键盘。为了使用单总线传输音频，本发明研发了一种异步单线音频传输电路，所述异步单线音频传输电路的具体结构参见附图1，根据本发明的异步单线音频传输电路中的mcu包括主机和从机，主机和从机上都具有tx脚和rx脚，在主机的tx脚连接第一电阻r1的一端，第一电阻r1的另一端线路与主机的rx脚线路合并；电路另一侧，从机的tx脚连接第二电阻r2的一端，第二电阻r2的另一端线路与从机的rx脚线路合并；使用一根单线(称为trx线)分别连接合并后的主机tx脚、rx脚和从机的tx脚、rx脚。
24.tx/rx两根线合并为一根trx线，实现单线通信。电阻r1的阻值为r2的阻值十分之一，且r1 r2的阻值和在2.7k至3.3k范围内，优选r1 r2的阻值和等于3k，以确保主、从机io都只需要较小的驱动能力就可以驱动单总线电路。主机的tx脚在不发送数据时io配置为输入，处于disable状态，发送数据时io配置为输出，处于enable状态。从机的tx脚一直处于enable状态。主、从机的rx一直处于enable状态。
25.主机需要给从机发送信号的时候，先使能tx脚，然后发送数据。由于r1电阻只有r2的十分之一，所以无论从机的tx处于何种状态，trx都受主机tx控制。
26.从机需要给主机发送信号时，发送信号的同时，从机的rx也可收到trx的信号。从机可根据接收到的rx信号判断数据是否发送成功。
27.各引脚信号电平状态真值表如下：
28.[0029][0030]
传输协议及时钟精准同步示意图如图2所示。传输协议保证不同类型的数据可靠的发送到对方，数据的类型包括：前导(sync)、命令(command)、长度(length)、数据(data)、和/或校验(checksum)。
[0031]
主机端的rx信号同时传输给芯片内部timer或pwm等能捕获的模块，每个数据包以前导0x55开头。timer或pwm实时捕获前导的电平变化的时间(t0\t1\t2等)，计算从机发送信号相对主机的波特率误差。根据波特率相对误差来动态调节主机端pll(小数分频pll)。pll调整使得主机端的波特率调整，最终实现主机波特率精准同步从机波特率。
[0032]
为了音频传输的稳定性，在传输之前首先进行压缩处理，采用基于mlt变换和向量熵编码的音频压缩算法，可以实现16:1/10:1的音频压缩比。主机端将双声道音频信号进行压缩，通过单总线传输给从机端。从机端将接收到数据进行实时解压，实现音频信号的重建，最后通过codec输出音频给耳机。同样从机端对单声道麦克风数据进行压缩，通过单总线传输给主机，主机端实时解压，实现麦克风信号的重建，最后将麦克风数据传输给pad。本发明的重点是单总线传音频，原始的音频，48k/16bit双声道的数据量为：48000*16*2＝1.536mbit/s；单总线不可能跑这么高速度，所以需要压缩，如：10:1压缩之后数据量就变成了153.6kbit/s了；但压缩是会损失音质的，压缩比越高音质就越差；所以根据不同的用户需求可选16:1或10：1。
[0033]
所述基于mlt变换和向量熵编码的音频压缩算法具体地包括以下步骤：
[0034]
首先，采用mlt频域变换，将麦克风采集的时域数字语音信号转换为频域谱系数；然后采用rms量化权重计算，将频域谱系数为分组计算信号的均方根rms，通过分组均方根计算频域分量权重；最优分组比特位分配，根据分组信号频域分量权重和设定比特率参数获得最优分组比特位；将分组频域语音信号进行矢量量化，生成分组矢量量化系数；将分组矢量量化系数进行哈弗曼编码，完成数据压缩。
[0035]
采用调制混叠变换，通过mlt变换，将短时帧的pcm时域音频数据转换成mlt频域谱系数，按频域相关性对mlt频域谱系数进行分组；所述pcm时域音频数据首先经过50％数据重叠混合处理，再进行反混叠滤波，防止频谱溢出，之后进行dct
‑
iv变换，将时域数据变换成频域谱系数。
[0036]
本发明电路的两个电阻r1和r2有两个主要作用，第一个是可以保护通信双方mcu的tx脚不发生电平冲突，保护io。在不增加电阻的前提下，如果把两个mcu的tx/rx脚直接接在一起，有可能出现主机tx脚为高电平，从机tx脚为低电平的状况，这种状况有可能会导致mcu的io过载损坏。第二个是可以设定通信双方的主从优先级，主机mcu的电阻r1比较小，驱动能力比较强，从机的电阻r2比较大，驱动能力较弱。当主机不需要发送数据的时候，主机的tx脚由软件设定为输入高阻态，从机可机通过驱动能力较弱的电阻给主机发送数据，当
主机有数据需要发送给从机的时候，把主机的tx脚设为输出，由于主机端的电阻小，驱动能力强，可以不用关心从机tx脚的电平状态，直接给从机发送数据。
[0037]
当从机tx为0时，主机的tx信号为1时，相当于信号被r1、r2分压，其电压为r2/(r1 r2)，因为r2>r1，所以电压大于1/2vdd，从机的rx信号值为1。实际应用中若从机的rx信号的高电平域值大于1/2vdd，也可以调整r1/r2的阻值实现可靠的信号传输。主机的tx信号为0时，从机rx信号电平为0。
[0038]
当从机tx为1时，主机tx信号为0时，trx上的电压相当于vdd经r2、r1分压，其电压值为r1/(r1 r2),因为r2>r1，所以电压小于1/2vdd，从机的rx信号值为0。实际应用中若从机的rx低电平信号域值小于1/2vdd，也可以调整r1/r2的阻值实现可靠的信号传输。主机的tx信号为0时，从机rx信号电平为0。
[0039]
本发明通过将主机端的rx信号同时接到主机上的timer或pwm等能捕获信号的引脚上，实时捕获引脚上的电平变化的时间，通过电平变化的时间来计算从机发送信号的波特率，从而调整主机的系统时钟或串口的波特率来适应从机信号，提升通信可靠性，解决异步串口通信需要事先固定波特率且通信双方时钟误差不能过大的问题。
[0040]
双方通信首先由从机发起，并在数据的开头发送0x55数据，跟据uart的数据格式标准，trx线上会出现如上图所示的几个连续等宽的数据脉冲。由于主机的rx脚同时也连接timer或pwm等具有时钟补获功能的模块，通过这些时钟捕获模块测量输出脉冲的时间长度t0\t1\t2
…
，主机cpu跟据t0\t1\t2的时间计算出从机准确的波特率。跟据波特率调整主机的pll配置及uart配置，使主机的波特率跟从机匹配。本发明的特点为主机跟据捕获的脉冲时间同时调整pll设置及uart设置，避免有些情况下从机时钟特殊或从机时钟有偏差，主机无法单独通过调整uart设置实现主从波特率同步的问题。调整范围更广精度更高。本发明所述主机端的pll为小数分频pll，可以跟据需要输出更为准确的系统时钟。
[0041]
本发明通过增加部分电路，可以令两个只有标准两线异步串口的mcu实现单线数据通信传输音频。将原本的tx/rx两根线合并为一根trx线，实现单线通信。
[0042]
主机端的rx信号同时接到主机上的timer或pwm等能捕获信号的引脚上，用于捕获引脚上的电平变化的时间，通过电平变化的时间来计算从机发送信号的波特率，从而调整主机的系统时钟或串口的波特率来适应从机信号，提升通信可靠性。本发明通过时钟精准同步提高传输速率，通过音频压缩减少音频传输数据量，通过特定协议确保数据流可靠传输，最终可实现48k/16bit双向音频传输。