Отладка интерфейса I2S12.11.2022 13:17

В этом тексте я написал про то как можно отлаживать интерфейс I2S.

I2S-это по сути труба для чисел в аудиоустройствах. Это проводной последовательный синхронный полнодуплексный интерфейс физического уровня для аудио ЦАП (ов) и АЦП. Интерфейс для связи в пределах одной печатной платы. Битовые частоты под 3MHz поэтому эту технологию можно причислить к Hi Load. Топология Master-Slave. Мастер выдает частоту синхронизации SCL и частоту дискретизации WS. Стандарт определяет битовую частоту до 2,7 MHz. Вся спека I2S насчитывает всего-навсего 7 страничек.

Что нам понадобится из железа?

Что нужно из софтвера?

В теории правила обмена по I2S весьма простые:

1--Нужно минимум 3 провода: SCL, SW, SD

2--Формат передачи это two«s complement. То есть I2S передает знаковые целые числа и разрядность может быть абсолютно любой. Зависит от производителя микросхемы DAC. Для отладки придется научиться читать и интерпретировать бинарные представления типов данных int7_t, int13_t, int24_t и прочее.

3--Положительный перепад защелкивает данные.

4--Семпл передается старшим битом вперед BigEndiag.

5--Первый бит от предыдущего фрейма

6--WS 0V — левый канал WS 3.3V правый канал.

Как отлаживать I2S на очередном устройстве?
Можно постоянно отправлять в шину тестовый семпл 0×87654321. Этот семпл 0×87654321 очень удобно так как позволяет определить порядок байт и даже порядок бит в кадре. Можно добавить к модульным тестам I2S вот такой модульный тест.

static uint32_t array_tx[I2S_BLOCK_SIZE];

static bool test_i2s_write_one(uint8_t i2s_num) {
    LOG_INF(I2S, "%s() I2sNum %u", __FUNCTION__, i2s_num);
    uint32_t s = 0;
    for(s=0; s < ARRAY_SIZE(array_tx); s++){
    	array_tx[s]=0x87654321;
    }

    ASSERT_TRUE(i2s_api_write(i2s_num, array_tx, I2S_BLOCK_SIZE));
    return true;
}

Так как микроконтроллер LittleEndian, то в RAM памяти семпл 0x87654321 будет лежать так 0×21436587. Запустить тест можно по команде из UART-CLI.

Теперь нужен логический анализатор. Вот что я получил на экране логического анализатора

Тут SCL=3,125 MGz WS=45,9kHz. Отношение частот получается 69.7 раз. Что-то нет то. Сделаем скриншот в векторном редакторе проанализируем осциллограмму в бесплатной программе Inkscape.

Что то не сходится с ожидаемым 0×87654321. Непорядок. Несоответствие. Я ожидал на экране логического анализатора увидеть это 0b1000_0111_0110_0101_0100_0011_0010_0001 аполучилось какое-то 0×7AF5EBDx. В чем же дело?

Первое, что бросается в глаза это битовая скорость SCK, которая не поспевает за частотой дискретизации WS. При этом частота SCK не является непрерывной, а пуляет пачками по 7 тактов. Это очень-очень странно. Это как если бы такси-автомобиль по свободной автомагистрали бы ездил рывками.

Вернулся в код и увеличил на всякий случай частоту тактирования провода SCK. Выяснилось, что картинка слегка улучшилась. Теперь хотя бы данные стали чуть более похожи на правду. Но тем не менее появляются какие-то фантомные клоки, которые не отображаются на осциллограмме. Но если бы они были, то тестовый паттерн был бы похож на правду.

У меня появилось подозрение, что логический анализатор не работает. Я решил измерить частоту на проводе SCK обыкновенным осциллографом и увидел, что осцилл как раз показывает, что частота SCK вполне себе непрерывная. Отличная частота.

Это значит, что логический анализатор Saleae (сало) как-то некорректно настроен. Заходим заново в программу логического анализатора (не перепутайте со Slack (ом))

Заходим в настройки каналов

выставляем настройки как показано на скриншоте. Крайне важно поставить максимальную частоту дискретизации. Для данное модели это 500 000 000 семплов в секунду. Надеюсь, это даст нам четкую картинку трафика на шине I2S

вот теперь с корректными настройками картинка добротная, четкая

эта картинка отлично анализируется

Битовая частота 2941000 Hz, частота дискретизации на проводе WS 45821 Hz. Как и положено битовая частота в 64 раза превышает частоту дискретизации.

Данные в I2S должны передаваться в формате BigEndian (старший байт вперед). То есть в привычной для человека форме. Сам же микроконтроллер хранит qword (ы) в Little Endian (младший байт вперед).

Проведем еще один тест. Сделаем явно чтобы в RAM памяти данные шли в порядке 0×87654321.

static uint8_t array_tx[I2S_BLOCK_SIZE];

static bool test_i2s_write_one(uint8_t i2s_num) {
    LOG_INFO(TEST, "%s() I2sNum %u", __FUNCTION__,i2s_num);
    uint32_t s=0;
    for(s=0; s

LookUpTable (LUT) for 24-bit DAC
+-----+------------+------------+------------+
| No  | sample RAM |     sample | sample hex |
+-----+------------+------------+------------+
|   1 | 0x00000000 |          0 | 0x00000000 |
|   2 | 0x000d0000 |         13 | 0x0000000d |
|   3 | 0x001a0000 |         26 | 0x0000001a |
|   4 | 0x00250000 |         37 | 0x00000025 |
|   5 | 0x002d0000 |         45 | 0x0000002d |
|   6 | 0x00310000 |         49 | 0x00000031 |
|   7 | 0x00310000 |         49 | 0x00000031 |
|   8 | 0x002d0000 |         45 | 0x0000002d |
|   9 | 0x00260000 |         38 | 0x00000026 |
|  10 | 0x001b0000 |         27 | 0x0000001b |
|  11 | 0x000e0000 |         14 | 0x0000000e |
|  12 | 0x00000000 |          0 | 0x00000000 |
|  13 | 0x00f3ffff |        -13 | 0xfffffff3 |
|  14 | 0x00e6ffff |        -26 | 0xffffffe6 |
|  15 | 0x00dbffff |        -37 | 0xffffffdb |
|  16 | 0x00d3ffff |        -45 | 0xffffffd3 |
|  17 | 0x00cfffff |        -49 | 0xffffffcf |
|  18 | 0x00cfffff |        -49 | 0xffffffcf |
|  19 | 0x00d3ffff |        -45 | 0xffffffd3 |
|  20 | 0x00daffff |        -38 | 0xffffffda |
|  21 | 0x00e5ffff |        -27 | 0xffffffe5 |
|  22 | 0x00f2ffff |        -14 | 0xfffffff2 |
|  23 | 0x00ffffff |         -1 | 0xffffffff |
|  24 | 0x000d0000 |         13 | 0x0000000d |
|  25 | 0x001a0000 |         26 | 0x0000001a |
|  26 | 0x00240000 |         36 | 0x00000024 |
|  27 | 0x002c0000 |         44 | 0x0000002c |
|  28 | 0x00310000 |         49 | 0x00000031 |
|  29 | 0x00310000 |         49 | 0x00000031 |
|  30 | 0x002e0000 |         46 | 0x0000002e |
|  31 | 0x00260000 |         38 | 0x00000026 |
|  32 | 0x001c0000 |         28 | 0x0000001c |
|  33 | 0x000f0000 |         15 | 0x0000000f |
|  34 | 0x00010000 |          1 | 0x00000001 |
|  35 | 0x00f4ffff |        -12 | 0xfffffff4 |
|  36 | 0x00e7ffff |        -25 | 0xffffffe7 |
|  37 | 0x00dcffff |        -36 | 0xffffffdc |
|  38 | 0x00d4ffff |        -44 | 0xffffffd4 |
|  39 | 0x00cfffff |        -49 | 0xffffffcf |
|  40 | 0x00cfffff |        -49 | 0xffffffcf |
|  41 | 0x00d2ffff |        -46 | 0xffffffd2 |
|  42 | 0x00daffff |        -38 | 0xffffffda |
|  43 | 0x00e4ffff |        -28 | 0xffffffe4 |
|  44 | 0x00f1ffff |        -15 | 0xfffffff1 |
+-----+------------+------------+------------+
                ^
                |
               first byte in I2S