基于車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

侯學(xué)元

（延鋒偉世通電子科技（上海）有限公司，上海 200233）

隨著汽車智能座艙的發(fā)展，車載音頻技術(shù)也取得了跨越式的發(fā)展，當(dāng)前的車載信號(hào)模擬并行音頻傳輸方式，已不能滿足人們的需求。車載音頻總線（Automotive Audio Bus, A2B）技術(shù)主要用來輸入所獲得的音頻數(shù)字信號(hào)、完成音頻數(shù)字輸入主節(jié)點(diǎn)以及作為從節(jié)點(diǎn)數(shù)字音頻信息，是數(shù)字音頻總線級(jí)聯(lián)的重要組成部分[1]。傳統(tǒng)的車載音頻技術(shù)主要基于復(fù)雜的專用音頻數(shù)字輸入，價(jià)格昂貴，輸入輸出線纜較多且重量較重，通用性不夠理想，功能有限，價(jià)格較高，且開發(fā)周期較長。隨著現(xiàn)代車載數(shù)字音頻的發(fā)展，如何依據(jù)最新的數(shù)字音頻總線技術(shù)提高音頻質(zhì)量，是車載音頻功放的基本要求。論文針對(duì)數(shù)字音頻功放，提出了一種基于A2B數(shù)字音頻功放電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字音頻A2B總線信號(hào)輸入，利用微控制單元（Micro Controller Unit, MCU）的 Cortex-M0系列進(jìn)行集成電路總線（Inter-Integrated Circuit, I2C）數(shù)據(jù)交互傳輸控制、數(shù)字音頻數(shù)據(jù)交互，以及功放數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出、驅(qū)動(dòng)負(fù)載揚(yáng)聲器播放音頻的功能。

1 A2B原理

A2B 是一種高帶寬雙向數(shù)字音頻總線，其節(jié)點(diǎn)間的距離最長達(dá)15 m，整個(gè)菊花鏈長度超過 40 m，使用一條非屏蔽雙絞線傳輸集成芯片間聲音（ Integrated Inter chip Sound, I2S）/時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing, TDM）/脈沖密度調(diào)制（Pulse Density Modulation, PDM)數(shù)據(jù)和I2C控制信息以及時(shí)鐘和供電信號(hào)[2]。A2B可用作內(nèi)置嵌入式子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，或與其他較長的距離協(xié)議結(jié)合使用的端點(diǎn)傳輸總線。時(shí)鐘在單個(gè)A2B 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)上同步。同時(shí)在系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上接收麥克風(fēng)和串行音頻數(shù)據(jù)。

2 車載音頻總線電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 車載數(shù)字音頻功放功能需求分析

車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車載高質(zhì)量音頻驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放功能。

車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)播放A2B數(shù)字信號(hào)需要以下幾個(gè)步驟：

1）本系統(tǒng)接收主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)A2B數(shù)字音頻信號(hào)作為輸入信號(hào)至A2B芯片，通過A2B芯片轉(zhuǎn)換成TDM數(shù)字信號(hào)發(fā)送至Class D（D類功放）。

2）Class D將數(shù)字音頻TDM信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，模擬差分輸出至負(fù)載揚(yáng)聲器。

3）通過Class D進(jìn)行驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放。

2.2 車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)硬件框圖

根據(jù)上述功能需求分析，車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，從圖中可以看出，該音頻播放系統(tǒng)主要包括電源、數(shù)字音頻輸入、A2B/ TDM處理芯片、MCU、和數(shù)模轉(zhuǎn)換D類功放、負(fù)載揚(yáng)聲器等。

圖1 車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)總體框圖

2.3 A2B數(shù)字音頻輸入

A2B音頻輸入包括位時(shí)鐘（Bit Clock, BCLK）和RANSMIT（發(fā)送），DATA(DTXn)Channel（數(shù)據(jù)信道）。

A2B數(shù)字音頻輸入如圖2所示。

圖2 A2B數(shù)字音頻輸入

1）位時(shí)鐘Bit clock BCLK的輸出頻率為 50 MHz，即A2B Bus Clock=1024×Fsync（頻率連續(xù)時(shí)鐘）=1024×48 kHz=50 MHz。

2）TRANSMIT DATA (DTXn) Channel（收發(fā)數(shù)據(jù)信道），包括tDOENM（Data Enable Delay After BCLK Drive Edge位時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)邊緣后的數(shù)據(jù)啟用延遲）：BCLK驅(qū)動(dòng)沿后的DTXn數(shù)據(jù)啟用延遲，最小4.0 nS；

tDODIM（DTXn Data Disable Delay After BCLK Drive Edge位時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)邊緣后DTXn數(shù)據(jù)禁用延遲），BCLK驅(qū)動(dòng)沿后的DTXn數(shù)據(jù)禁用延遲最大10.5 nS。

2.4 TDM信號(hào)

A2B音頻輸入同步信號(hào)Synchronous（SYNC），位時(shí)鐘BCLK，發(fā)送數(shù)據(jù)Data Transmit Lines（DTX），接收數(shù)據(jù)Data Receive Lines（DRX）。同步信號(hào)SYNC，對(duì)于主節(jié)點(diǎn)，SYNC是由主機(jī)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字輸入，對(duì)于從節(jié)點(diǎn)，SYNC為數(shù)字輸出。同步信號(hào)SYNC基于幀速率（正常、增加或減少）。在并行 A2B總線模式下，SYNC是數(shù)字輸入，其中它來自接收配對(duì)從屬的 SYNC信號(hào)收發(fā)器。

位時(shí)鐘BCLK是TDM接口的位時(shí)鐘。在總線自發(fā)現(xiàn)模式下，主節(jié)點(diǎn)充當(dāng)TDM主機(jī)，為主機(jī)控制器提供位時(shí)鐘。對(duì)于從節(jié)點(diǎn)，位時(shí)鐘為數(shù)字輸出。位時(shí)鐘是基于幀速率、TDM模式和通道大小配置。位時(shí)鐘也可以驅(qū)動(dòng)PDM麥克風(fēng)的時(shí)鐘。在并行A2B總線模式下，位時(shí)鐘是數(shù)字輸入，它接受來自配對(duì)下屬的位時(shí)鐘從節(jié)點(diǎn)。

數(shù)字音頻輸入時(shí)序如圖3所示。

圖3 數(shù)字音頻輸入時(shí)序

車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)供電以電源電壓（Vol- tage Drain Drain, VDD）為3.3 V為例，根據(jù)圖3數(shù)字音頻輸入時(shí)序，具體時(shí)序時(shí)間如下：

1）BCLK：tSOL/tSOH（即Transmit or Receive BCLK Duty Cycle，發(fā)送或接收BCLK占空比），最小為49%，最大為51%；

2）SYNC同步輸出抖動(dòng)：正常模式48 kHZ；tSOHD（SYNC Output Hold after BCLK Drive Edge）：BCLK驅(qū)動(dòng)沿后同步輸出保持，最小為4.5 nS；tSOD（SYNC Output Delay After BCLK Drive Edge）：BCLK 驅(qū)動(dòng)沿后的同步輸出延遲，最大為9.75 nS；

3）Receive Data（DRXn)Channel（接受數(shù)據(jù)信道）：tRISM（DRXn Input Setup before BCLK Sample Edge）：BCLK采樣邊沿之前的DRXn輸入設(shè)置最小為1.5 nS；tRIHM（DRXn Input Hold after BCLK Sample Edge）：BCLK采樣沿后DRXn輸入保持最小為2.0 nS；

4）Transmit Data（DTXn）Channel（傳輸數(shù)據(jù)（DTXn）通道）：tDOHMBCLK驅(qū)動(dòng)沿后DTXn 輸出保持最小為6.0 nS；tDODMBCLK驅(qū)動(dòng)沿后的DTXn輸出延遲，最大為9.75 nS。

2.5 音頻數(shù)據(jù)格式：TDM模式

在TDM模式下，SCLK必須為TDM128[3]（=8X16）或TDM256（=8X32），具體取決于TDM插槽大小。在TDM模式下，SCLK和MCLK可以連接在一起。如果SCLK和MCLK連接在一起，則FSYNC應(yīng)該是最小的2個(gè)MCLK脈沖長。在TDM 模式下，SDIN1（即TDM data input channels 1，TDM數(shù)據(jù)輸入通道1）引腳用于數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，未使用的SDIN2（即TDM data input channels 2，TDM數(shù)據(jù)輸入通道2）引腳接地。

以SCLK 256，音頻TDM8模式為例，可以做通用性擴(kuò)展，帶動(dòng)多級(jí)子節(jié)點(diǎn)裝置進(jìn)行數(shù)字音頻信號(hào)傳輸。音頻TDM8模式如圖4所示，其中MCLK為主時(shí)鐘；SCLK為音頻位和串行時(shí)鐘輸入；FSYNC為音頻幀時(shí)鐘輸入256SBCLK；DATA為數(shù)據(jù)；SDIN（TDM Data Input1）為TDM數(shù)據(jù)輸入。

圖4 音頻TDM8模式

音頻數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5 音頻數(shù)據(jù)格式

2.6 MCU控制

MCU采用了基于ARM Cortex-M0處理器，ARM Cotex-M0具備開發(fā)周期短、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，能滿足技術(shù)要求，具有較高的研究價(jià)值。工作頻率高達(dá)50 MHz，內(nèi)置可嵌套中斷向量控制器 （Nested Vectored Interrupt Controller, NVIC），串行調(diào)試，系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器，64 kB片內(nèi)閃存編程存儲(chǔ)器，8 kB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（StaticRandom- Access Memory, SRAM）、帶系統(tǒng)編程（In-System Programming, ISP）和應(yīng)用編程（In Application Programming, IAP），16個(gè)通用GPIO（General Purpose Input Output）引腳，帶可配置的上拉/下拉電阻，引腳中輸入多路復(fù)用的10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter, ADC），1個(gè)同步串行端口（Synchronous Serial Port, SSP）控制器、先進(jìn)先出（First In, First Out,FIFO）和多協(xié)議功能，支持完整I2C總線規(guī)范及超快速模式的I2C總線接口。

MCU控制如圖6所示。

圖6 MCU控制

根據(jù)圖6 MCU控制，其中：1）MCU 主要是通過I2C總線傳送數(shù)據(jù)至A2B模塊和TDM之間的通信；2）帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（Electri- cally Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM）（AT24C02）用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；3）MCU RESET（MCU 復(fù)位）上電初始化進(jìn)行復(fù)位；4）車載功能安全相關(guān)功能；5）擴(kuò)展功能。

2.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換D類功放

數(shù)模轉(zhuǎn)換D類功放：通過TDM數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出至負(fù)載揚(yáng)聲器進(jìn)行播放音樂的功能。

車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)采用的是橋接負(fù)載平衡橋式功放電路（Balanced Transformer Less, BTL）功率級(jí)[4]如圖7所示，模擬輸出兩路通道驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行播放音頻的功能。橋接負(fù)載BTL是 D類放大器最常見的輸出配置。

圖7 橋接負(fù)載BTL

一路揚(yáng)聲器SPK1（Speaker1 揚(yáng)聲器）配置，包括BTL1通過 OUTA（Output A）驅(qū)動(dòng)一側(cè)負(fù)載SPK1揚(yáng)聲器，具有反相OUTB（Output B）驅(qū)動(dòng)另外一側(cè)負(fù)載SPK1揚(yáng)聲器，進(jìn)行音頻播放。

另外一路揚(yáng)聲器SPK2配置，包括BTL2通過 OUTC（Output C）驅(qū)動(dòng)一側(cè)負(fù)載SPK2揚(yáng)聲器，具有反相OUTD（Output D）驅(qū)動(dòng)另外一側(cè)負(fù)載SPK2揚(yáng)聲器，進(jìn)行音頻播放。

這種BTL配置與負(fù)載的一側(cè)連接到放大器輸出，而另一側(cè)連接到地的單端配置相比，對(duì)于給定的電源電壓，這樣可以使得負(fù)載兩端的電壓擺幅增加2倍[5]。

由于P=V2/R，負(fù)載上的電壓擺幅兩倍等于4倍功率增加。因此，在相同電源電壓下，BTL負(fù)載配置為負(fù)載提供的功率是單端配置的4倍。因?yàn)樨?fù)載的每一側(cè)都被驅(qū)動(dòng)，所以負(fù)載不是以地為參考的。揚(yáng)聲器SPK1和SPK2兩端的電壓負(fù)載是相對(duì)于地面為差分信號(hào)輸出。本系統(tǒng)揚(yáng)聲器端采用差分信號(hào)，優(yōu)勢為抗干擾能力強(qiáng)，能有效抑制電磁干擾 （Electromagnetic Interference, EMI）[6]，減少音頻失真，提高音頻質(zhì)量。

3 結(jié)論

本文主要完成了一種基于車載數(shù)字音頻功放系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，該技術(shù)利用A2B數(shù)字音頻輸入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字音頻A2B總線信號(hào)輸入，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)交互，MCU控制通過I2C總線控制傳送數(shù)據(jù)至A2B模塊和TDM之間的通信，數(shù)模轉(zhuǎn)換的功放輸出驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放音頻的功能。數(shù)字音頻可以做通用性擴(kuò)展，帶動(dòng)多級(jí)TDM8數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行傳輸，進(jìn)行多通道輸出。驅(qū)動(dòng)負(fù)載揚(yáng)聲器端采用差分信號(hào)輸出，提高了音頻抗擾度，減少音頻失真，提高音頻質(zhì)量。