モバイルハンドセット、コンピュータ、およびデジタルシステム内のデジタルシステムとそのオーディオデータ要件ホームオートメーション製品は、ある期間にわたって劇的に変化しました。プロセッサからの、またはプロセッサへのオーディオ信号はデジタル化されています。さまざまなシステムのこのデータは、次のような多くのデバイスを介して処理されます DSP 、ADC、DAC、デジタル I/O インターフェイスなど。これらのデバイスがオーディオデータを相互に通信するには、標準プロトコルが必要です。その 1 つが I2S プロトコルです。これは、1986 年 2 月に Philip Semiconductor によってデバイス間のデジタルオーディオインターフェイス用に設計されたシリアルバスインターフェイスです。この記事では、I の概要について説明します。 2Sプロトコル そのアプリケーションでの作業。

I2S プロトコルとは何ですか?

あるデバイスから別のデバイスにデジタルオーディオデータを送信するために使用されるプロトコルは、I2S または Inter-IC サウンドプロトコルとして知られています。このプロトコルは、PCM (パルス符号変調) オーディオデータを電子デバイス内の 1 つの IC から別の IC に送信します。 I2S は、録音済みのオーディオファイルを MCU から DAC またはアンプに送信する際に重要な役割を果たします。このプロトコルは、マイクを使用してオーディオをデジタル化するためにも利用できます。 I2S プロトコル内には圧縮がないため、OGG、MP3、またはオーディオを圧縮するその他のオーディオフォーマットは再生できませんが、WAV ファイルは再生できます。

特徴

の I2S プロトコル機能 以下のものが含まれます。

各サンプルに 8 ～ 32 データビットがあります。
Tx & Rx FIFO 割り込み。
DMA に対応しています。
16 ビット、32 ビット、48 ビット、または 64 ビットのワード選択期間。
同時双方向オーディオストリーミング。
8 ビット、16 ビット、および 24 ビットのサンプル幅。
サンプルレートが異なります。
データレートは、64 ビットのワード選択期間を通じて最大 96 kHz です。
インターリーブされたステレオ FIFO または独立した左右チャンネル FIFO
Tx と Rx の独立した有効化。

I2S 通信プロトコルの動作

I2S 通信プロトコル SCK (Continuous Serial Clock)、WS (Word Select) & SD (Serial Data) を含む 3 ラインシリアルバスを介してオーディオデータを処理する 3 ワイヤプロトコルです。

I2S の 3 線式接続:

SCK

SCK またはシリアルクロックは、同様のサイクルでデータを取得するために使用される BCLK またはビットクロックラインとしても知られる I2S プロトコルの最初のラインです。シリアルクロック周波数は、周波数 = サンプルレート x 各チャネルのビット数 x 番号のような式を使用して簡単に定義できます。チャネルの。

I2S 通信プロトコルでは、WS またはワードセレクトは、左右のチャネルを分離する FS (フレームセレクト) ワイヤとも呼ばれるラインです。

WS = 0 の場合、左チャネルまたはチャネル 1 が使用されます。

WS = 1 の場合、右チャネルまたはチャネル 2 が使用されます。

シリアルデータまたは SD は、ペイロードが 2 補数内で送信される最後のワイヤです。したがって、MSB が最初に転送されることは非常に重要です。これは、送信機と受信機の両方に異なるワード長が含まれる可能性があるためです。したがって、送信機または受信機は、送信されたビット数を認識しなければなりません。

受信側のワード長が送信側より大きい場合、ワードは短縮されます (LSB ビットはゼロに設定されます)。
受信側の語長が送信側の語長より短い場合、LSB ビットは無視されます。

の 送信機 次のいずれかでデータを送信できます クロックパルスの前縁または後縁 .これは、対応する 制御レジスタ .しかし 受信機は、シリアルデータと WS をクロックパルスの立ち上がりエッジでのみラッチします。 .トランスミッタは、WS が変化してから 1 クロックパルス後にのみデータを送信します。レシーバは、シリアルデータの同期に WS 信号を使用します。

I2S ネットワークコンポーネント

複数の I2S コンポーネントが相互に接続されている場合、これは I2S ネットワークと呼ばれます。このネットワークのコンポーネントには、さまざまな名前とさまざまな機能が含まれています。したがって、次の図は 3 つの異なるネットワークを示しています。ここでは、ESP NodeMCU ボードが送信機として使用され、I2S オーディオブレークアウトボードが受信機として使用されます。送信機と受信機を接続するために使用される 3 本のワイヤは、SCK、WS、および SD です。

I2S ネットワークコンポーネント

最初の図では、送信機 (Tx) がマスターであるため、SCK (シリアルクロック) と WS (ワード選択) ラインを制御します。

2 番目の図では、レシーバーがマスターです。したがって、SCK と WS の両方のラインがレシーバーから始まり、トランスミッターが終わります。

3 番目の図では、マスターデバイスのように機能する外部コントローラーがネットワーク内のノードに接続されています。したがって、このデバイスは SCK と WS を生成します。

上記のすべての I2S ネットワークでは、使用可能なマスターデバイスは 1 つだけであり、サウンドデータを送受信する他の多くのコンポーネントがあります。

I2S では、クロック信号を提供することにより、任意のデバイスをマスターにすることができます。

“SCADAシステムはどのように機能しますか ”

I2S タイミング図

I2S とその機能をよりよく理解するために、I2S 通信プロトコルのタイミング図を以下に示します。 I2S プロトコルのタイミング図を以下に示します。これには、SCK、WS、および SD の 3 つのワイヤが含まれます。

I2S プロトコルのタイミング図

上の図では、まず、シリアルクロックの周波数 = サンプルレート * 各チャネルのビット数 * 番号です。チャネルの）。ワード選択ラインは、右チャンネルの「1」と左チャンネルの「0」の間で変化する 2 番目のラインです。

3 番目のラインはシリアルデータラインで、HIGH から LOW までのドットで示される立ち下がりエッジの各クロックサイクルでデータが送信されます。

さらに、MSB が送信される 1 CLK サイクル前に WS ラインが変化することがわかります。これにより、レシーバーは前のワードを格納し、次のワードのために入力レジスタをクリアすることができます。 MSB は、WS が変化した後に SCK が変化したときに送信されます。

送信機と受信機の間でデータが送信されるたびに、次のような伝搬遅延が発生します。

伝播遅延 = (外部クロックと受信機の内部クロックの時間差)+(内部クロックからデータ受信までの時間差)。

伝搬遅延を最小限に抑え、送信機と受信機の間のデータ伝送を同期するには、送信機のクロック周期が

T > トラ – T を送信機のクロック周期、tr を送信機の最小クロック周期と仮定します。

上記の条件の下で、たとえば データ伝送速度2.5MHzの送信機：

tr = 360ns

クロック高 tHC (最小) >0.35 T。

クロック低 tLC (最小> > 0.35T.

データ伝送速度 2.5MHz のスレーブとしての受信機:

クロック高 tHC (最小) < 0.35 T

クロック低 tLC (最小) < 0.35T。

セットアップ時間 tst(最小) < 0.20T。

I2S プロトコル Arduino

このプロジェクトの主な目的は、Arduino I2S ライブラリを使用して I2S テルミンインターフェイスを作成することです。このプロジェクトを作成するために必要なコンポーネントは次のとおりです。 Arduino MKRゼロ、ブレッドボード、ジャンパー線、Adafruit MAX98357A、3W、4 オームのスピーカー、RobotGeek Slider。

Arduino I2S ライブラリを使用すると、I2S バスを介してデジタルオーディオデータを送受信できます。したがって、この例では、Arduino 設計で計算されたサウンドを再生するために、このライブラリを使用して I2S DAC を駆動する方法を説明することを目的としています。

この回路は次のように接続できます。この例で使用される I2S DAC は、I2S バス用の電源だけでなく、3 本のワイヤのみを必要とします。 Arduino MKRZero の I2S の接続は次のとおりです。

ピン A6 のシリアルデータ (SD)。

ピン 2 のシリアルクロック (SCK)。

ピン 3 のフレームまたはワード選択 (FS)。

働く

基本的に、テルミンにはピッチとボリュームの 2 つのコントロールがあります。したがって、これら 2 つのパラメーターは 2 つのスライドポテンショメーターを動かすことによって変更されますが、それらを調整して読み取ることもできます。 2 つのポテンショメータは分圧器の形で接続されているため、これらのポテンショメータを動かすと、0 から 1023 までの値が得られます。その後、これらの値は、最大周波数と最小周波数、および最小音量と最大音量の間にマッピングされます。

I2S テルミン図

I2S バスで送信される音は単純な正弦波で、その振幅と周波数はポテンショメータの読み取り値に基づいて変更されます。

コード

テルミンを Arduino MKRZero、2 スライダーポテンショメータ、I2S DAC と接続するためのコードを以下に示します。

#include

const int maxFrequency = 5000; //最大生成頻度
const int minFrequency = 220; //最小生成頻度
const int maxVolume = 100; //生成周波数の最大音量
const int minVolume = 0; //生成された周波数の最小音量
const int sampleRate = 44100; //生成された周波数のサンプルレート
const int wavSize = 256; //バッファサイズ
短い正弦[wavSize]; //正弦値が格納されるバッファ
const int frequencyPin = A0; //信号の周波数を決定するポットに接続されたピン
const int 振幅ピン = A1; //信号の振幅を決定するポットに接続されたピン
const int ボタン = 6; //周波数を表示するためにボタンコントロールに接続されたピン

ボイドセットアップ()
{

Serial.begin(9600); //シリアルポートを設定
// I2S トランスミッタを初期化します。
if (!I2S.begin(I2S_PHILIPS_MODE, sampleRate, 16)) {
Serial.println(“I2S の初期化に失敗しました!”);

ながら（1）;
}

generateSine(); // サイン値でバッファーを埋めます
pinMode(ボタン、INPUT_PULLUP); //ボタンピンを入力プルアップに入れる

}
ボイドループ() {

if (digitalRead(ボタン) == LOW)

{

float 周波数 = map(analogRead(frequencyPin), 0, 1023, minFrequency, maxFrequency); //マップ頻度
int 振幅 = map(analogRead(amplitudePin), 0, 1023, minVolume, maxVolume); //マップの振幅
playWave(周波数、0.1、振幅); //音を出す
//シリアルに値を出力
Serial.print(“周波数 = “);
Serial.println(頻度);
Serial.print(“振幅 = “);
Serial.println(振幅);

}

}
void generateSine() {
for (int i = 0; i < wavSize; ++i) {
sine[i] = ushort(float(100) * sin(2.0 * PI * (1.0 / wavSize) * i)); //100 は小さい数を持たないようにするために使用されます
}
}
void playWave(float 周波数, float 秒, int 振幅) {
// 指定された波形バッファを再生します
// 秒数。
// 最初に、実行するために再生する必要があるサンプルの数を計算します
// 必要な秒数。

unsigned int iterations = seconds * sampleRate;

// 次に、波の中を移動する「速度」を計算します
// 再生中のトーンの周波数に基づいてバッファします。

float delta = (周波数 * wavSize) / float(sampleRate);

// すべてのサンプルをループして再生し、
// 各瞬間のウェーブバッファ内の位置。

for (unsigned int i = 0; i < 繰り返し; ++i) {
short pos = (unsigned int)(i * delta) % wavSize;
短いサンプル = 振幅 * 正弦 [pos];

// サンプルを複製して、左チャンネルと右チャンネルの両方に送信します。
// 書きたい場合は、右チャンネル、左チャンネルの順番のようです
// ステレオサウンド。

while (I2S.availableForWrite() < 2);
I2S.write(サンプル);
I2S.write(サンプル);

}
}

I2C と I2S プロトコルの違い

I2C と I2S プロトコルの違いは次のとおりです。

2C	I2S
の I2C プロトコル Inter-IC バスプロトコルの略	I2S は Inter-IC サウンドプロトコルの略です。 .
主に、同様の PCB に配置された集積回路間で信号を実行するために使用されます。	デジタルオーディオ機器の接続に使用します。
SDA や SCL などの複数のマスターとスレーブ間で 2 回線を使用します。 .	WS、SCK、SD の 3 回線を使用します。
マルチマスター＆マルチスレーブに対応。	シングルマスターをサポートします。
このプロトコルは、CLK ストレッチをサポートします。	このプロトコルには CLK ストレッチがありません。
I2C には、追加のオーバーヘッドスタート & ストップビットが含まれます。	I2S にはスタートビットとストップビットは含まれません。

利点

の I2S バスの利点 以下のものが含まれます。

I2S は、個別の CLK およびシリアルデータラインを利用します。したがって、非同期システムと比較して、受信機の設計は非常に単純です。
これは単一のマスターデバイスであるため、データの同期に問題はありません。
I2S o/p に基づくマイクロフォンは、アナログフロントエンドを必要とせず、デジタルトランスミッターを使用してワイヤレスマイクロフォン内で使用されます。これを使用することで、送信機と変換器の間を完全にデジタル接続できます。

短所

の I2S バスの欠点 以下のものが含まれます。

I2S は、ケーブルを介したデータ転送には提案されていません。
I2S は、高度なアプリケーションではサポートされていません。
このプロトコルには、3 つの信号線間の同期の問題があり、高いビットレートとサンプリング周波数で注目されます。したがって、この問題は主に、クロックラインとデータライン間の伝搬遅延の変動が原因で発生します。
I2S にはエラー検出メカニズムが含まれていないため、データのデコード中にエラーが発生する可能性があります。
主に、同様の PCB 上の IC 間通信に使用されます。
I2S 用の一般的なコネクタと相互接続ケーブルは存在しないため、異なる設計者は異なるコネクタを使用します。

アプリケーション

の I2S プロトコルのアプリケーション 以下のものが含まれます。

I2S は、デジタルオーディオデバイスの接続に使用されます。
このプロトコルは、オーディオデータを DSP またはマイクロコントローラからオーディオコーデックに転送してオーディオを再生する際に広く使用されています。
最初は、I2S インターフェイスが CD プレーヤの設計に使用されました。これで、デジタルオーディオデータが IC 間で送信されている場所を見つけることができます。
I2S は、DSP、オーディオ ADC、DAC、マイクロコントローラ、サンプルレートコンバータなどで使用されます。
I2S は、特にデジタルオーディオデータ通信用の集積回路間で使用するように設計されています。
このプロトコルは、I2S がデジタルオーディオデバイス間のオーディオデータ伝送に重点を置く場合、マイクロコントローラとその周辺デバイスを接続する上で重要な役割を果たします。

したがって、これはすべての概要についてです I2S プロトコル仕様 これには、作業、違い、およびそのアプリケーションが含まれます。 I²S は 3 線同期シリアルプロトコルです。 2 つの集積回路間でデジタルステレオオーディオを転送するために使用されます。の I2S プロトコルアナライザー すべての DigiView ロジックアナライザを含む信号デコーダです。この DigiView ソフトウェアは、あらゆる種類の信号に対して幅広い検索、ナビゲーション、エクスポート、測定、プロットおよび印刷機能を提供します。 I3C プロトコルとは何ですか?