I2S پروٹوکول: کام کرنا، اختلافات اور اس کے اطلاقات

موبائل ہینڈ سیٹس، کمپیوٹرز اور کے اندر ڈیجیٹل سسٹمز اور اس کے آڈیو ڈیٹا کی ضروریات ہوم آٹومیشن وقت کے ساتھ ساتھ مصنوعات میں ڈرامائی طور پر تبدیلی آئی ہے۔ پروسیسرز سے آڈیو سگنل کو ڈیجیٹل کیا جا رہا ہے۔ مختلف سسٹمز میں موجود اس ڈیٹا کو بہت سے آلات کے ذریعے پروسیس کیا جاتا ہے۔ ڈی ایس پیز ، ADCs، DACs، ڈیجیٹل I/O انٹرفیس وغیرہ۔ ان آلات کے لیے ایک دوسرے کے ساتھ آڈیو ڈیٹا کی بات چیت کرنے کے لیے ایک معیاری پروٹوکول کی ضرورت ہے۔ ایسا ہی ایک I2S پروٹوکول ہے۔ یہ ایک سیریل بس انٹرفیس ہے، جسے فلپ سیمی کنڈکٹر نے فروری 1986 میں آلات کے درمیان ڈیجیٹل آڈیو انٹرفیس کے لیے ڈیزائن کیا تھا۔ یہ مضمون I کے ایک جائزہ پر بحث کرتا ہے۔ 2S پروٹوکول یہ ایپلی کیشنز کے ساتھ کام کرتا ہے۔

I2S پروٹوکول کیا ہے؟

پروٹوکول جو ڈیجیٹل آڈیو ڈیٹا کو ایک ڈیوائس سے دوسرے ڈیوائس میں منتقل کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے اسے I2S یا Inter-IC ساؤنڈ پروٹوکول کہا جاتا ہے۔ یہ پروٹوکول الیکٹرانک ڈیوائس کے اندر PCM (پلس کوڈ ماڈیولڈ) آڈیو ڈیٹا کو ایک آئی سی سے دوسرے میں منتقل کرتا ہے۔ I2S آڈیو فائلوں کو منتقل کرنے میں کلیدی کردار ادا کرتا ہے جو MCU سے ڈی اے سی یا ایمپلیفائر میں پہلے سے ریکارڈ شدہ ہیں۔ اس پروٹوکول کو مائکروفون کا استعمال کرتے ہوئے آڈیو کو ڈیجیٹائز کرنے کے لیے بھی استعمال کیا جا سکتا ہے۔ I2S پروٹوکول کے اندر کوئی کمپریشن نہیں ہے، لہذا آپ OGG یا MP3 یا دیگر آڈیو فارمیٹس نہیں چلا سکتے جو آڈیو کو گاڑھا کرتے ہیں، تاہم، آپ WAV فائلیں چلا سکتے ہیں۔

خصوصیات

دی I2S پروٹوکول کی خصوصیات مندرجہ ذیل شامل ہیں.

• اس میں ہر نمونے کے لیے 8 سے 32 ڈیٹا بٹس ہوتے ہیں۔
• Tx اور Rx FIFO مداخلت کرتا ہے۔
• یہ ڈی ایم اے کو سپورٹ کرتا ہے۔
• 16 بٹ، 32 بٹ، 48 بٹ، یا 64 بٹ ورڈ سلیکٹ پیریڈ۔
• بیک وقت دو طرفہ آڈیو سٹریمنگ۔
• 8 بٹ، 16 بٹ، اور 24 بٹ نمونے کی چوڑائی۔
• اس کے نمونے کی مختلف شرحیں ہیں۔
• 64 بٹ ورڈ سلیکٹ پیریڈ کے ذریعے ڈیٹا کی شرح 96 kHz تک ہے۔
• انٹرلیوڈ سٹیریو FIFOs یا آزاد دائیں اور بائیں چینل FIFOs
• Tx اور Rx کا آزادانہ قابل۔

I2S کمیونیکیشن پروٹوکول ورکنگ

I2S مواصلاتی پروٹوکول ایک 3 وائر پروٹوکول ہے جو صرف 3 لائن سیریل بس کے ذریعے آڈیو ڈیٹا کو ہینڈل کرتا ہے جس میں SCK (مسلسل سیریل کلاک)، WS (ورڈ سلیکٹ) اور SD (سیریل ڈیٹا) شامل ہیں۔

I2S کا 3-وائر کنکشن:

ایس سی کے

SCK یا سیریل کلاک I2S پروٹوکول کی پہلی لائن ہے جسے BCLK یا بٹ کلاک لائن بھی کہا جاتا ہے جو اسی طرح کے چکر پر ڈیٹا حاصل کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ سیریل کلاک فریکوئنسی کو صرف فارمولہ استعمال کرکے بیان کیا جاتا ہے جیسے فریکوئنسی = نمونہ کی شرح x بٹس ہر چینل کے لئے x نمبر۔ چینلز کی.

ڈبلیو ایس

I2S کمیونیکیشن پروٹوکول میں، WS یا ورڈ سلیکٹ وہ لائن ہے جسے FS (فریم سلیکٹ) تار بھی کہا جاتا ہے جو دائیں یا بائیں چینل کو الگ کرتی ہے۔

اگر WS = 0 ہے تو بائیں چینل یا چینل-1 استعمال کیا جاتا ہے۔

اگر WS = 1 ہے تو صحیح چینل یا چینل-2 استعمال کیا جاتا ہے۔

ایس ڈی

سیریل ڈیٹا یا SD آخری تار ہے جہاں پے لوڈ کو 2 تکمیلات میں منتقل کیا جاتا ہے۔ لہذا، یہ بہت اہم ہے کہ MSB کو پہلے منتقل کیا گیا ہے، کیونکہ ٹرانسمیٹر اور وصول کنندہ دونوں میں مختلف الفاظ کی لمبائی شامل ہو سکتی ہے۔ اس طرح، ٹرانسمیٹر یا وصول کنندہ کو پہچاننا پڑتا ہے کہ کتنے بٹس منتقل ہوتے ہیں۔

• اگر رسیور کے لفظ کی لمبائی ٹرانسمیٹر سے زیادہ ہے، تو لفظ چھوٹا ہو جاتا ہے (LSB بٹس صفر پر سیٹ ہوتے ہیں)۔
• اگر رسیور کے لفظ کی لمبائی ٹرانسمیٹر کے لفظ کی لمبائی سے کم ہے، تو LSB بٹس کو نظر انداز کر دیا جاتا ہے۔

دی ٹرانسمیٹر پر یا تو ڈیٹا بھیج سکتے ہیں۔ گھڑی کی نبض کا اگلا کنارہ یا پچھلا کنارہ . یہ اسی میں ترتیب دیا جا سکتا ہے کنٹرول رجسٹر . لیکن وصول کنندہ سیریل ڈیٹا اور ڈبلیو ایس کو صرف گھڑی کی نبض کے سب سے آگے کنارے پر لیچ کرتا ہے . ٹرانسمیٹر WS میں تبدیلی کے بعد صرف ایک گھڑی کی نبض کے بعد ڈیٹا منتقل کرتا ہے۔ وصول کنندہ سیریل ڈیٹا کی مطابقت پذیری کے لیے WS سگنل کا استعمال کرتا ہے۔

I2S نیٹ ورک کے اجزاء

جب متعدد I2S اجزاء ایک دوسرے سے جڑے ہوتے ہیں تو اسے I2S نیٹ ورک کہا جاتا ہے۔ اس نیٹ ورک کے اجزاء میں مختلف نام اور مختلف افعال بھی شامل ہیں۔ لہذا، مندرجہ ذیل خاکہ 3 مختلف نیٹ ورکس کو دکھاتا ہے۔ یہاں ایک ESP NodeMCU بورڈ ٹرانسمیٹر کے طور پر استعمال ہوتا ہے اور I2S آڈیو بریک آؤٹ بورڈ ریسیور کے طور پر استعمال ہوتا ہے۔ ٹرانسمیٹر اور رسیور کو جوڑنے کے لیے استعمال ہونے والی تین تاریں SCK، WS اور SD ہیں۔

پہلے خاکہ میں، ٹرانسمیٹر (Tx) ماسٹر ہے لہذا یہ SCK (سیریل کلاک) اور WS (ورڈ سلیکٹ) لائنوں کو کنٹرول کرتا ہے۔

دوسرے خاکے میں، وصول کنندہ ماسٹر ہے۔ لہذا SCK اور WS دونوں لائنیں ریسیور سے شروع ہوتی ہیں اور ٹرانسمیٹر ختم ہوتی ہیں۔

تیسرے خاکے میں، ایک بیرونی کنٹرولر نیٹ ورک کے اندر موجود نوڈس سے منسلک ہے جو ماسٹر ڈیوائس کی طرح کام کرتا ہے۔ تو یہ آلہ SCK اور WS پیدا کرتا ہے۔

مندرجہ بالا تمام I2S نیٹ ورکس میں، صرف ایک ہی ماسٹر ڈیوائس دستیاب ہے اور بہت سے دوسرے اجزاء جو صوتی ڈیٹا کو منتقل یا وصول کرتے ہیں۔

I2S میں کوئی بھی ڈیوائس کلاک سگنل فراہم کر کے ماسٹر ہو سکتی ہے۔

I2S ٹائمنگ ڈایاگرام

I2S اور اس کی فعالیت کی بہتر تفہیم کے لیے، ہمارے پاس ذیل میں دکھایا گیا I2S کمیونیکیشن پروٹوکول ٹائمنگ خاکہ ہے۔ I2S پروٹوکول کا ٹائمنگ خاکہ ذیل میں دکھایا گیا ہے جس میں تین تاریں SCK، WS اور SD شامل ہیں۔

اوپر والے خاکے میں، سب سے پہلے، سیریل کلاک میں ایک فریکوئنسی = نمونہ کی شرح ہے * ہر چینل کے لیے بٹس * نمبر۔ چینلز کی)۔ لفظ سلیکٹ لائن دوسری لائن ہے جو دائیں چینل کے لیے '1' اور بائیں چینل کے لیے '0' کے درمیان تبدیل ہوتی ہے۔

تیسری لائن سیریل ڈیٹا لائن ہے جہاں ڈیٹا کو ہر گھڑی کے چکر پر گرتے ہوئے کنارے پر منتقل کیا جاتا ہے جس پر HIGH سے LOW تک نقطوں کی نشاندہی کی جاتی ہے۔

اس کے علاوہ، ہم یہ دیکھ سکتے ہیں کہ MSB کے منتقل ہونے سے پہلے WS لائن ایک CLK سائیکل میں مختلف ہوتی ہے جو وصول کنندہ کو پہلے والے لفظ کو ذخیرہ کرنے اور اگلے لفظ کے لیے ان پٹ رجسٹر کو صاف کرنے کا وقت دیتا ہے۔ MSB بھیجا جاتا ہے جب SCK WS کی تبدیلی کے بعد تبدیل ہوتا ہے۔

جب بھی کوئی ڈیٹا ٹرانسمیٹر اور وصول کنندہ کے درمیان منتقل ہوتا ہے تو اس کے پھیلاؤ میں تاخیر ہوتی ہے جو کہ

پھیلاؤ میں تاخیر = (بیرونی گھڑی اور وصول کنندہ کی اندرونی گھڑی کے درمیان وقت کا فرق) + (داخلی گھڑی کے درمیان وقت کا فرق جب ڈیٹا موصول ہوتا ہے)۔

پھیلاؤ میں تاخیر کو کم کرنے کے لیے اور ٹرانسمیٹر اور وصول کنندہ کے درمیان ڈیٹا ٹرانسمیشن کی مطابقت پذیری کے لیے ضروری ہے کہ ٹرانسمیٹر کی گھڑی کا دورانیہ ہو۔

T > tr  – یہ فرض کرنا کہ T ٹرانسمیٹر کی گھڑی کی مدت ہے اور tr ٹرانسمیٹر کی گھڑی کی کم از کم مدت ہے۔

مندرجہ بالا شرط کے تحت اگر ہم مثال کے طور پر غور کریں a ڈیٹا ٹرانسمیشن کی شرح 2.5MHz کے ساتھ ٹرانسمیٹر پھر:

tr = 360ns

گھڑی ہائی ٹی ایچ سی (کم از کم) >0.35 ٹی۔

گھڑی کم ٹی ایل سی (کم از کم>> 0.35 ٹی۔

وصول کنندہ بطور غلام ڈیٹا ٹرانسمیشن ریٹ 2.5MHz کے ساتھ پھر:

گھڑی ہائی ٹی ایچ سی (کم از کم) <0.35 ٹی

گھڑی کم ٹی ایل سی (کم از کم) <0.35 ٹی۔

سیٹ اپ ٹائم tst (کم سے کم) <0.20T۔

I2S پروٹوکول Arduino

اس پروجیکٹ کا بنیادی مقصد Arduino I2S لائبریری کا استعمال کرتے ہوئے ایک I2S  theremin انٹرفیس بنانا ہے۔ اس منصوبے کو بنانے کے لیے ضروری اجزاء ہیں؛ Arduino MKR زیرو، بریڈ بورڈ ، جمپر تاریں، Adafruit MAX98357A، 3W، 4 ohms اسپیکر، اور RobotGeek Slider۔

Arduino I2S لائبریری آپ کو صرف I2S بس پر ڈیجیٹل آڈیو ڈیٹا منتقل اور وصول کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ لہذا یہ مثال یہ بتانے کا ہدف رکھتی ہے کہ اس لائبریری کو کس طرح استعمال کیا جائے تاکہ Arduino ڈیزائن میں کمپیوٹنگ کی گئی آواز کو دوبارہ تیار کرنے کے لیے I2S DAC کو استعمال کیا جائے۔

اس سرکٹ کو اس طرح منسلک کیا جا سکتا ہے؛ اس مثال میں استعمال ہونے والے I2S DAC کو صرف تین تاروں کے ساتھ ساتھ I2S بس کے لیے بجلی کی فراہمی کی ضرورت ہے۔ Arduino MKRZero پر I2S کے کنکشن اس طرح ہیں؛

پن A6 پر سیریل ڈیٹا (SD)؛

pin2 پر سیریل کلاک (SCK)؛

پن 3 پر فریم یا ورڈ سلیکٹ (FS)؛

کام کرنا

بنیادی طور پر، تھیرمین میں دو کنٹرولز پچ اور حجم ہیں۔ لہذا، ان دو پیرامیٹرز کو دو سلائیڈ پوٹینشیومیٹر کو حرکت دے کر تبدیل کیا جاتا ہے، تاہم، آپ انہیں پڑھنے کے لیے ایڈجسٹ بھی کر سکتے ہیں۔ دونوں پوٹینیومیٹر ایک وولٹیج ڈیوائیڈر کی شکل میں جڑے ہوئے ہیں، لہٰذا ان پوٹینیومیٹر کو منتقل کرنے سے آپ کو 0 سے 1023 تک کی قدریں ملیں گی۔ اس کے بعد، یہ قدریں زیادہ سے زیادہ اور کم از کم فریکوئنسی اور کم سے کم اور سب سے زیادہ والیوم کے درمیان میپ کی جاتی ہیں۔

I2S بس پر منتقل ہونے والی آواز ایک سادہ سائن ویو ہے جس کے طول و عرض اور تعدد کو پوٹینیومیٹر کی ریڈنگ کی بنیاد پر تبدیل کیا جاتا ہے۔

کوڈ

تھریمین کو Arduino MKRZero، 2-slider potentiometers اور I2S DAC کے ساتھ انٹرفیس کرنے کا کوڈ ذیل میں دیا گیا ہے۔

# شامل کریں

const int maxFrequency = 5000; //زیادہ سے زیادہ پیدا کردہ تعدد
const int minFrequency = 220; // کم از کم پیدا کردہ تعدد
const int maxVolume = 100; // پیدا کردہ فریکوئنسی کا زیادہ سے زیادہ حجم
const int minVolume = 0; پیدا کردہ فریکوئنسی کا // منٹ حجم
const int sampleRate = 44100; // پیدا کردہ فریکوئنسی کا نمونہ
const int wavSize = 256; //بفر کا سائز
مختصر سائن [wavSize]؛ // بفر جس میں سائن کی قدریں محفوظ ہیں۔
const int فریکوئنسی پن = A0؛ // برتن سے منسلک پن جو سگنل کی فریکوئنسی کا تعین کرتا ہے۔
const int amplitudePin = A1; // برتن سے منسلک پن جو سگنل کے طول و عرض کا تعین کرتا ہے۔
const int بٹن = 6؛ فریکوئنسی ظاہر کرنے کے لیے بٹن کنٹرول سے جڑا ہوا پن //پن

باطل سیٹ اپ()
{

Serial.begin(9600)؛ // سیریل پورٹ کو ترتیب دیں۔
// I2S ٹرانسمیٹر شروع کریں۔
اگر (!I2S.begin(I2S_PHILIPS_MODE، نمونہ کی شرح، 16)) {
Serial.println('I2S شروع کرنے میں ناکام!');

جبکہ (1)؛
}

generateSine(); // سائن اقدار کے ساتھ بفر کو بھریں۔
پن موڈ (بٹن، INPUT_PULLUP)؛ // بٹن پن کو ان پٹ پل اپ میں ڈالیں۔

}
باطل لوپ () {

اگر (ڈیجیٹل ریڈ (بٹن) == کم)

{

فلوٹ فریکوئنسی = نقشہ (اینالاگ ریڈ (فریکوئنسی پن)، 0، 1023، کم فریکونسی، میکس فریکونسی)؛ // نقشہ کی تعدد
int amplitude = map(analogRead(amplitudePin), 0, 1023, min Volume, maxVolume)؛ // نقشہ کا طول و عرض
پلے ویو (تعدد، 0.1، طول و عرض)؛ // آواز چلائیں۔
// سیریل پر اقدار پرنٹ کریں۔
سیریل پرنٹ ('تعدد = ')؛
Serial.println(تعدد)؛
سیریل پرنٹ ('طول و عرض = ')؛
Serial.println(طول و عرض)؛

}

}
void generateSine() {
کے لیے (int i = 0؛ i
sine[i] = ushort(float(100) * sin(2.0 * PI * (1.0 / wavSize) * i))؛ //100 چھوٹے نمبر نہ رکھنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔
}
}
void playWave (فلوٹ فریکوئنسی، فلوٹ سیکنڈ، int طول و عرض) {
// مخصوص کے لیے فراہم کردہ ویوفارم بفر کو پلے بیک کریں۔
// سیکنڈ کی مقدار۔
// پہلے حساب لگائیں کہ چلانے کے لیے کتنے نمونوں کو واپس پلے کرنے کی ضرورت ہے۔
// سیکنڈ کی مطلوبہ مقدار کے لیے۔