基于TUSB3200A的USB声卡设计实现
【摘要】本文介绍了基于TI的USB音频流控制器TUSB3200A、立体声多媒体数字音频编解码器TLV320AIC23B和D类功放TPA2000D4的USB声卡的设计，文中介绍了以上主要芯片的使用，详细说明了该声卡工作原理和USB程序设计的流程。

该外置声卡在PC上使用时无需安装额外驱动，表现出很好的音质。

【关键词】USB;声卡;音频流控制器;编解码
引言
目前的计算机板载声卡多采用AC’97和HD技术规范，数字音频信号的处理由CPU完成，而A/D、D/A转换由Codec芯片完成。

这样做的好处是借助CPU 的高速处理能力替代专用DSP芯片，从而极大地降低声卡的成本。

但是因为机箱内有很强的电磁干扰，内置板载声卡的音质很难提高，信噪比不高，无法满足部分高端用户对高保真音频的需求。

在外置USB声卡中，音频信号以具有高抗干扰能力的数字信号的形式经由USB总线传送到声卡，避免了机箱内强电磁干扰，同时也没有了机箱狭窄空间的限制，使得设计人员可以设计更为复杂的模拟电路并采用更好的屏蔽设计，从而大幅度的提升音质。

1.主要芯片介绍
TUSB3200A是TI公司的一款USB音频流控制器，内置8052微控制器单元，支持USB 1.1规范和USB音频类规范，属于USB全速外围接口设备，内置USB 串行接口引擎（SIE），特别适合需要同步数据流传输的地方，比如数字扬声器、声卡。

编解码接口支持AC’97 1.X、AC’97 2.X、几种不同的I2S、苹果公司的Apple Intermediate Codec（AIC）等串行接口数据格式以及通用目的的数据格式。

DMA控制器可以管理四通道USB同步数据包。

内部集成I2C控制器，上电即读取外部程序存储器，也可以控制与其相连的支持I2C协议的设备。

可以工作于主、从两种模式。

本设计中TUSB3200A工作于主模式下。

TLV320AIC23B编解码器是一款高性能低功耗的立体多媒体数字声音频（Codec）芯片，内置耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN两种输入方式，输入输出都具有可编程增益调节。

AIC23内部集成了模数转换（ADC）和数模转换（DAC）电路，信噪比分别达到90dB和100dB，可在8K～96K的频率范围内提供16/20/24/32位的采样。

音质纯正，保真度高，高音响亮，低音实净。

TPA2000D4是驱动达2W的BTL型的D类立体声音频放大器，并集成AB 类头戴式耳机的立体声放大器。

该放大器采用了TI的第二代调制技术，有很高的效率和信噪比，其输出可以直接用于驱动扬声器而无需传统方案中常用的LC 滤波器，非常适合笔记本应用或直接用USB供电的扬声器。

B声卡的硬件结构
USB声卡的原理框图如图1所示。

图1 USB声卡原理框图
系统由音频流控制器（STC）TUSB3200A、立体声多媒体数字音频编解码器（CODEC）TLV320AIC23B、D类功放（BTL）TPA2000D4和按键控制器MAX7349等硬件组成。

图2是TUSB3200A单元电路。

图3是TLV320AIC23B 单元电路。

图4是TPA2000D4单元电路。

图5是MAX7349按键控制单元电路。

图2 TUSB3200A单元电路
图3 TLV320AIC23B单元电路
图4 TPA2000D4单元电路
图5 MAX7349按键控制单元电路
3.工作原理
系统通过USB电缆连接到PC的USB插座，打开电源开关，系统首先复位（由Max6326保证完成），然后TUSB3200A运行内部的Bootloader程序从外部程序存储器EEPROM读取全部工作代码，运行代码，完成相应的初始化工作（包括立体声音频编解码器TLV320AIC23B、按键控制器MAX7349和TUSB3200A 的初始化），接着进入USB枚举阶段，完成PC设备的识别和主机驱动程序的安装。

USB声卡属于USB规范上定义的标准外围设备类别之一，微软的Windows 操作系统如Win2000、XP以及Vista等包含了该声卡所需的驱动程序，无需编写或下载额外的驱动。

从“控制面板”中选择“声音和音频设备”，在“音频”选项中将“声音播放”的“默认设备”选择为USB声卡设备，则播放器的输出将定向到外接USB声卡，可以利用它享受自己喜爱的音乐。

在主机端播放音频文件时，应用软件（暴风影音、千千静听）或驱动程序把各类音频信号转换为统一的格式，如PCM等格式的数据流，通过主机的USB接口到达TUSB3200A的同步输出端点。

DMA控制器负责将数据以I2S格式传输给立体声多媒体数字编解码器TLV320AIC23B。

I2S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。

TLV320AIC23B实现数字音频信号到模拟音频信号的转换，模拟信号经过BTL型集成功放驱动，带动负载扬声器或者耳机。

同时TLV320AIC23B可以将模拟信号（麦克风或者Line In）转换为数字信号传给TUSB3200A，TUSB3200A将数据通过同步输入端点传给PC，实现录音功能。

扬声器或者耳机的静音，音量增加，音量减小可以方便的通过外部按键控制，主要由MAX7349键盘控制芯片管理这些按键。

如果有按键按下，MAX7349中断TUSB3200A，TUSB3200A读取按键，通过HID报告传给PC进行相应的控制。

4.主程序设计
主程序主要负责系统的初始化，包括Codec初始化、设备记录初始化，与USB相关的设置初始化以及使能USB和进行人机控制（如图6所示）。

USB的原始数据的解析主要由内置串行接口引擎（SIE）完成。

而软件对SIE产生的USB 中断做出响应，完成相应的处理。

这些中断包括输出端点0中断、输入端点0中断、输入端点3中断、USB设置事物中断、USB复位中断、USB挂起中断、USB恢复中断、外部中断及帧起始中断。

最终整个系统的模型如图7所示。