探索 AURIX? 音頻應(yīng)用套件：硬件設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用剖析

引言

在當(dāng)今的音頻技術(shù)領(lǐng)域，開發(fā)一套高效且多功能的音頻應(yīng)用套件至關(guān)重要。Infineon Technologies AG 推出的 AURIX? 音頻應(yīng)用套件（Audio Application Kit）為音頻開發(fā)者提供了強(qiáng)大的工具。本文將深入剖析該套件的硬件設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用，帶領(lǐng)大家了解其特點(diǎn)和技術(shù)細(xì)節(jié)。

文件下載：Infineon Technologies KIT_A2G_MIC_ARRAY AURIX?麥克風(fēng)陣列板.pdf

套件概述

AURIX? 音頻應(yīng)用套件包含音頻屏蔽板（Audio Shield Board）和麥克風(fēng)陣列板（Microphone Array Board）兩塊電路板。它必須與 AURIX? lite Kit V2（配備 SAK - TC375TP96F300W 微控制器）配合使用，單獨(dú)使用或與其他微控制器套件搭配均無法正常工作。其中，音頻屏蔽板可與 AURIX? lite Kit V2 獨(dú)立使用，而麥克風(fēng)陣列板的運(yùn)行還需要音頻屏蔽板的支持。

規(guī)格參數(shù)

硬件設(shè)計(jì)詳解

音頻屏蔽板

1. 系統(tǒng)概念
   • I2S 仿真：AURIX? TC3xx 系列本身沒有原生的 I2S / TDM 接口，但可通過使用排隊(duì) SPI（Q - SPI）模塊在從操作模式下與通用定時(shí)器模塊（GTM）作為時(shí)鐘發(fā)生器來仿真該接口，在系統(tǒng)級(jí)別上模擬 I2S / TDM 主接口。外部音頻參考時(shí)鐘通過定時(shí)器輸入模塊（TIM）注入到 GTM 集群中，為定時(shí)器輸出模塊（TOM）陣列提供時(shí)鐘。TOM 對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻，以生成如 WCLK、BCLK、MCLK 等時(shí)鐘信號(hào)。由于 QSPI 模塊僅支持 CPOL = 1 的從操作模式，因此需要一個(gè)與 BCLK 反相的時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng) QSPI 模塊。QSPI 的從選擇輸入連接到一個(gè)處于單次定時(shí)器模式的 TOM，該 TOM 將生成一個(gè)與 I2S 數(shù)據(jù)字的第一個(gè)最高有效位（MSB）同步的高 - 低轉(zhuǎn)換脈沖。通過自由配置所有 TOM 的周期時(shí)間和占空比，幾乎可以實(shí)現(xiàn)任何音頻接口配置（如 I2S、TDM、C’9 等）。
   • 基于軟件抽取的 PDM 麥克風(fēng)接口：該仿真概念還允許同時(shí)連接立體聲 PDM（雙數(shù)據(jù)速率）流和 I2S 輸出，這對(duì)于立體聲配置的 MEMS 麥克風(fēng)非常有用。在這種情況下，QSPI - CLK 的頻率可以設(shè)置為 I2S - BCLK / PDM - CLK 的兩倍，以便鎖存左右聲道的 PDM 位。同時(shí)，QSPI 可以輸出與正常 I2S - BCLK 相關(guān)的 PCM - I2S 數(shù)據(jù)流。在 TriCore 內(nèi)部，可以使用“SPIT”匯編命令將交錯(cuò)的 PDM 流有效地恢復(fù)到兩個(gè)單獨(dú)的 PDM 緩沖區(qū)中，對(duì)于需要將單數(shù)據(jù)位有效加倍的 PCM 輸出，則可以使用“MEE”命令?；謴?fù)交錯(cuò)的 PDM 流后，可以將 PDM 位抽取/濾波為 PCM 樣本，常見的抽取率為 64，有多種算法可用于實(shí)現(xiàn)這種抽取。
2. 電源供應(yīng)
   • 內(nèi)部供電：可從 AURIX? lite Kit V2 的 3.3V 電源供電，此時(shí)麥克風(fēng)、時(shí)鐘和音頻編解碼器等功能可用，但音頻放大器無法使用。需要將 3V3 供電跳線設(shè)置為“LK”，LK 供電跳線可忽略。
   • 外部供電：若需要使用音頻放大器，則需通過螺絲端子向電路板外部提供 12V 到 24V 的電源。根據(jù)使用的揚(yáng)聲器負(fù)載和所需的放大器功率，電源應(yīng)能夠在 24V 時(shí)提供高達(dá) 6A 的峰值電流，否則瞬態(tài)輸出功率將受到限制，最壞情況下可能導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。在這種供電模式下，AURIX? lite Kit V2 也可通過音頻屏蔽板反向供電，3.3V 電源域也可由本地低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）供電。3V3 供電跳線可忽略，但必須設(shè)置其中一個(gè)選項(xiàng)；若要反向?yàn)?AURIX? lite Kit V2 供電，則需設(shè)置 LK 供電跳線。
3. 音頻輸入和輸出：默認(rèn)情況下，配備兩個(gè) 3.5mm 立體聲插孔，用于連接外部音頻設(shè)備，如耳機(jī)或 MP3 播放器。若需要將音頻輸出連接到外部音頻設(shè)備（如 Hi - Fi 接收器），可使用“LINE OUT”接口。所有三個(gè)端口均連接到 SGTL5000 音頻編解碼器。需注意，耳機(jī)接地端（Headphone - GND）有直流偏置，因此不要在耳機(jī)接地端和全局接地端之間進(jìn)行外部連接，該端口主要用于連接耳機(jī)，若要連接其他設(shè)備，建議使用音頻隔離變壓器。
4. 音頻放大器
   • 立體聲 BTL 操作：默認(rèn)情況下，MA12070P 音頻放大器配置為 BTL（橋接負(fù)載）操作模式，可連接一對(duì)最小阻抗為 4 歐姆的立體聲揚(yáng)聲器。
   • 單聲道 PBTL 操作：可對(duì)音頻屏蔽板進(jìn)行修改，使 MA12070P 工作在 PBTL（并聯(lián)橋接負(fù)載）模式。在此模式下，放大器作為單聲道放大器工作，可驅(qū)動(dòng)低至 2 歐姆的負(fù)載，僅使用 I2S 總線上的左聲道樣本，右聲道樣本作為虛擬樣本。需要進(jìn)行兩項(xiàng)修改：在 PCB 電阻焊盤上放置一個(gè) 0402 的 0 歐姆電阻或進(jìn)行焊橋連接；在兩個(gè)正輸出端和兩個(gè)負(fù)輸出端之間進(jìn)行線連接。修改完成后，可連接單聲道揚(yáng)聲器，但需注意，根據(jù) MA12070P 的組裝設(shè)計(jì)步驟，在 PBTL 模式下，削波指示燈可能會(huì)持續(xù)亮起。
   • I2C 操作和音頻格式：默認(rèn)情況下，I2C 總線與 MA12070P 斷開連接，因?yàn)樵谀承┣闆r下，I2C 總線可能會(huì)被阻塞。MA12070P 上電復(fù)位后的默認(rèn)音頻格式配置為 232 位數(shù)據(jù)幀、BCLK = 64 fs 和左對(duì)齊 I2S 格式。若需要更改音頻格式或進(jìn)行進(jìn)一步的高級(jí)配置（如電源模式或限幅器設(shè)置），則需要在底部橋接兩個(gè)焊錫跳線。但需注意，若在沒有外部電源的情況下使用音頻屏蔽板（MA12070P 未供電且 I2C 跳線已橋接），I2C 總線可能無法正常工作。
5. 外部音頻 ADC / DAC：為了對(duì) XENSIV? IM67D120A 麥克風(fēng)或 MERUS? MA12070P 放大器進(jìn)行進(jìn)一步的性能評(píng)估（特別是信噪比測量），板載編解碼器的音頻性能可能不足。此時(shí)，建議通過排線連接外部音頻 ADC / DAC，或者通過以太網(wǎng)連接進(jìn)行無壓縮音頻流傳輸。

麥克風(fēng)陣列板

1. 系統(tǒng)概念：PDM 麥克風(fēng)可以通過使用增強(qiáng)型 Delta - Sigma 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（EDSADC）模塊進(jìn)行連接，該模塊可以繞過內(nèi)部模擬 Delta - Sigma 調(diào)制器，從而使濾波器結(jié)構(gòu)可以直接從麥克風(fēng)獲取 PDM 數(shù)據(jù)。EDSADC 具有可配置的抽取率，范圍為 4 到 512。為了使音頻流與專用音頻時(shí)鐘源同步（在本套件中，與頂部音頻屏蔽板上的其他音頻設(shè)備同步），可以向 EDSADC 提供外部 PDM 時(shí)鐘。在本套件中，PDM 時(shí)鐘由 TOM0CH8 生成，該時(shí)鐘與其他音頻時(shí)鐘（如 MCLK、BCLK、WCLK 等）同步。由于時(shí)鐘信號(hào)需要分配到 8 個(gè)不同的時(shí)鐘接收器，因此在設(shè)計(jì)中集成了一個(gè)時(shí)鐘緩沖器設(shè)備。

軟件支持

工具鏈

Aurix? 音頻應(yīng)用套件和 Aurix? lite Kit V2 可與多種開發(fā)工具配合使用，包括 Infineon 的免費(fèi)基于 Eclipse 的 IDE Aurix? Development Studio 或 HIGHTEC 的基于 Eclipse 的 FreeEntryToolchain。Aurix? Development Studio 是一個(gè)全面的開發(fā)環(huán)境，包括 C 編譯器、多核調(diào)試器和 Infineon 的低級(jí)別驅(qū)動(dòng)程序（iLLD），無時(shí)間和代碼大小限制，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用代碼的編輯、編譯和調(diào)試。FreeEntryToolchain 是一個(gè)完整的 C / C++ 開發(fā)環(huán)境，包含 PLS - MC 的源級(jí) UDE 調(diào)試器，同樣基于 Infineon 的低級(jí)別驅(qū)動(dòng)程序（iLLD）。

代碼示例

Infineon 的 GitHub 頻道上為 AURIX? 音頻應(yīng)用套件提供了一個(gè)專用的代碼庫，其中包含進(jìn)一步的支持材料和基本的代碼示例。所有這些代碼示例均使用 Aurix? Development Studio 開發(fā)，可直接使用，無需進(jìn)一步修改。開發(fā)者可定期查看該代碼庫，以獲取新的或更新的代碼示例。

網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用提示

使用以太網(wǎng) PPS 作為音頻參考時(shí)鐘

對(duì)于高性能音頻網(wǎng)絡(luò)（如 AVB），可能需要從網(wǎng)絡(luò)分布式媒體時(shí)鐘（如 AVB CRF 流）中導(dǎo)出本地音頻時(shí)鐘。可以使用以太網(wǎng) MAC 的 PPS 輸出引腳在靈活 PPS 模式下（在與 IEEE 802.1AS gPTP 時(shí)鐘相關(guān)的指定時(shí)間戳處生成脈沖）本地恢復(fù)媒體時(shí)鐘。該時(shí)鐘信號(hào)可通過板載 CS2000CP - CZZ PLL 恢復(fù)為 24.576 MHz 參考時(shí)鐘。

1. 基于硬件的方法：PPS 信號(hào)僅在 P14.4 上可用，由于該引腳未連接到屏蔽頭，因此需要在 AURIX? lite Kit V2 和音頻屏蔽板之間進(jìn)行手動(dòng)焊接線連接。同時(shí)，在軟件中需確保 P10.4 處于高阻態(tài)。
2. 基于軟件的方法：可以在 P10.4 上軟件模擬 PPS 輸出。使用以太網(wǎng) MAC 的 PPS 中斷信號(hào)觸發(fā) GTM TOM2CH6（在 P10.4 上可用），以單觸發(fā)模式輸出脈沖。

音頻 PTP 交叉時(shí)間戳

除了時(shí)鐘恢復(fù)外，通常還需要在音頻時(shí)鐘（通常是 WCLK）和 PTP 時(shí)間之間實(shí)現(xiàn)精確的交叉時(shí)間戳。在 Aurix? 中，建議將模擬音頻接口與直接內(nèi)存訪問（DMA）結(jié)合使用，采用雙緩沖操作模式。這樣可以在每次緩沖區(qū)切換時(shí)直接在硬件中生成 PTP 交叉時(shí)間戳，無需 CPU 干預(yù)，從而使音頻時(shí)鐘以低于 50ns 的精度間接進(jìn)行時(shí)間戳標(biāo)記。

綜上所述，AURIX? 音頻應(yīng)用套件在硬件設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)音頻應(yīng)用方面都具有豐富的功能和靈活性。電子工程師們可以根據(jù)具體需求，充分利用該套件的特點(diǎn)，開發(fā)出高質(zhì)量的音頻應(yīng)用系統(tǒng)。大家在使用過程中，有沒有遇到什么特別的問題或者有獨(dú)特的應(yīng)用思路呢？歡迎一起交流探討。