数字音频接口之I2S总线协议详解_i2s接口

一、应用场景

I2S（Inter-IC Sound）是一种广泛应用于数字音频传输的串行接口标准。它最初由飞利浦（Philips）公司开发，用于解决在集成电路之间传输音频数据的问题。I2S协议定义了音频数据的传输格式、时序和控制信号。在工作中音频采集和输出，AD和主芯片之间的通信均是通过I2S进行通信的，其应用场景如下：

• I2S RX方向：麦克风在机械振动下将声音信号转变为电压信号，电压信号经过放大等处理，给到ADC采样，将模拟信号转化为数字信号；音频在ADC与DSP之间的传输协议就是使用的I2S协议。
• I2S TX方向：数字信号经过编码、存储、压缩等技术后，发送给解码器-DAC（DSP、专用解码器），将数字信号还原为模拟信号，最后给到喇叭完成声音/音频的播放。音频在DAC与DSP之间的传输就是使用I2S协议。

I2S的应用

二、I2S基本信号

1.I2S基本信号线

I2S协议基本时序关系

如上图I2S接口通常由三类信号线组成，分别是：

• 时钟线（Continues Serial Clock，SCK）：SCK线提供了同步音频数据传输的时钟信号。确定了数据传输的速度和时序。该时钟也称为Bit Clock（BCLK）。SCK的频率=2x采样频率x位宽
• 左/右声道线（Left-Right Clock，LRCK）：LRCK线指示了当前传输的是左声道的音频数据还是右声道的音频数据。它被称为帧同步信号。LRCK的频率=采样频率
• 数据线（Serial Data，SD ）：SD线用于传输实际的音频数据。数据的位宽可以根据具体应用而变化，通常为16位或32位。TX方向为：Serial Data Out（SDOUT）；RX方向为：Serial Data In（SDIN）。

2.I2S协议中常见的参数

• 位宽（Word Length）：位宽指定每个采样数据的位数，通常为16位或32位。较大的位宽可以提供更高的分辨率和动态范围。
• 时钟极性（Clock Polarity）：时钟极性确定了数据位传输的时钟沿。根据具体的I2S设备和系统设置，可以定义在时钟上升沿或下降沿开始数据传输
• 帧同步极性（Frame Sync Polarity）：帧同步极性确定了帧同步信号的有效电平。帧同步信号指示音频数据的帧起始和结束位置。
• 传输格式（Data Format）：传输格式定义了音频数据的编码方式，传输格式还可以指定数据的顺序，如左声道先传输还是右声道先传输

三、主从工作模式

I2S工作模式可以是主模式（Master Mode）或从模式（Slave Mode）。两者唯一的区别是：Master Mode提供时钟信号（SCK）和帧同步信号（LRCK）。如下图所示，一共存在三种工作模式，分别是：

1.发射器（transmitter）为Master，接收器（receiver）为Slave，此时由发射器提供SCK和LRCK

2.接收器（receiver）为Master，发射器（transmitter）为Slave，此时由接收器提供SCK和LRCK

3.发射器（transmitter）和接收器（receiver）均为Slave，由系统中其他模块提供SCK和LRCK

I2S的主从工作模式

四、数据传输模式

I2S接口标准中，存在三种数据传输模式，分别是：飞利浦标准模式（I2S mode），左对齐（Left Justified）和右对齐（Right Justified）三种传输模式。

1.飞利浦标准（I2S）模式

I2S标准模式接口时序

其主要特点如下：

（1）LRCK（左右声道选择信号）：LRCK信号用于指示当前数据帧是左声道数据还是右声道数据。飞利浦格式中，当LRCK为低时，表示当前传输的数据是左声道数据；当LRCK为高时，表示当前传输的数据为右声道数据

（2）SCK（位时钟）：数据传输的时钟信号。在SCK下降沿发送数据，在SCK上升沿采样数据

（3）Data Delay：发送的有效数据相对于LRCK的跳变沿（从0到1或从1到0）延迟一个时钟周期

（4）数据发送从MSB开始；数据MSB与LRCK delay 1个SCK的边沿对齐

2.左对齐（Left Justified）模式

左对齐模式接口时序

其主要特点如下

（1）在左对齐格式中，LRCK为高时，表示当前传输的数据为左声道数据；当LRCK为低时，表示当前传输的数据为右声道数据

（2）在SCK下降沿发送数据，在SCK上升沿接收数据

（3）无data delay：发送的有效数据相当于LRCK跳变沿（从0到1或从1到0）不延迟

（4）数据发送从MSB开始；数据MSB与LRCK跳变沿对齐

3.右对齐（Right Justified）模式

右对齐模式接口时序

其主要特点如下

（1）右对齐格式中，LRCK为高电平时，表示当前传输的数据为右声道数据；当LRCK为低电平时，表示当前传输的数据为左声道数据

（2）在SCK下降沿发送数据，在SCK上升沿接收数据

（3）无Data delay：发送的有效数据相当于LRCK跳变沿（从0到1或从1到0）不延迟

（4）数据发送从MSB开始；数据LSB与LRCK跳变沿对齐

五、数据位宽与位深

（1）位宽：根据SCK与LRCK的关系：

采样频率位宽位宽

位宽

位宽一般为16位或32位

（2）位深：表示音频数据量化后的精度

需要注意的是，I2S中位宽和位深都是由Master决定的。因此在使用时需要先确定本模块在系统中的工作模式（Master or Slave）。下面以32位位宽，32/24/20/16位位深为例，说明位宽与位深的区别（以下例子的数据格式均为I2S格式）。

1.32位位宽，32位位深

位宽=32bit，位深=32bit

2.32位位宽，24位位深

位宽=32bit，位深=24bit

3.32位位宽，20位位深

位宽=32bit，位深=20bit

4.32位位宽，16位位深

位宽=32bit，位深=16bit

六、I2S初始化配置

①，i2s的时钟使能和GPIO口配置
②，配置为i2s模式
③，i2s标准，无论有多少位有效数据，即数据的最高位总是出现在WS变化（也就是一帧开始）后的第2个CK脉冲处。
④，i2s数据长度，包括16位，16位扩展（16位数据以32位包发送），24位，32位。
⑤，设置i2s时钟
⑥，设置i2s空闲状态下时钟电平
⑦，i2s使能，设置I2S的采样率。采样率一般在8K-192K之间。

七、总结

1、SDATA，也就是串行数据信号，使用二进制传输数字信号。请注意数据的传输形式为补码的方式

2、例如音频的采样率是8K，一s内存采样8K个点，一个点包含一个左声道，一个右声道，所以LRCK是8K，BCLK是2×采样频率×采样位数

3、同时双向（TX和RX）音频流：串行数据同步移位到时钟信号SCK和LRCK。在SCK的下降沿将TX数据写入SDOUT引脚，并在SCK的上升沿从SDIN引脚读取RX数据。始终首先发送最高有效位（MSB）；TX和RX均可在主模式和从模式下使用。

4、MCLK：主时钟（也名过采样率），一般是采样频率[不是bclk而是LRCK]的128、或256、或384或512倍。

八、普通IO模拟IIS接口