探索 AURIX? 音頻應用套件：硬件設計與網絡音頻應用剖析

引言

在當今的音頻技術領域，開發一套高效且多功能的音頻應用套件至關重要。Infineon Technologies AG 推出的 AURIX? 音頻應用套件（Audio Application Kit）為音頻開發者提供了強大的工具。本文將深入剖析該套件的硬件設計和網絡音頻應用，帶領大家了解其特點和技術細節。

文件下載：Infineon Technologies KIT_A2G_MIC_ARRAY AURIX?麥克風陣列板.pdf

套件概述

AURIX? 音頻應用套件包含音頻屏蔽板（Audio Shield Board）和麥克風陣列板（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 獨立使用，而麥克風陣列板的運行還需要音頻屏蔽板的支持。

規格參數

硬件設計詳解

音頻屏蔽板

1. 系統概念
   • 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 SPI（Q - SPI）模塊在從操作模式下與通用定時器模塊（GTM）作為時鐘發生器來仿真該接口，在系統級別上模擬 I2S / TDM 主接口。外部音頻參考時鐘通過定時器輸入模塊（TIM）注入到 GTM 集群中，為定時器輸出模塊（TOM）陣列提供時鐘。TOM 對輸入時鐘進行分頻，以生成如 WCLK、BCLK、MCLK 等時鐘信號。由于 QSPI 模塊僅支持 CPOL = 1 的從操作模式，因此需要一個與 BCLK 反相的時鐘來驅動 QSPI 模塊。QSPI 的從選擇輸入連接到一個處于單次定時器模式的 TOM，該 TOM 將生成一個與 I2S 數據字的第一個最高有效位（MSB）同步的高 - 低轉換脈沖。通過自由配置所有 TOM 的周期時間和占空比，幾乎可以實現任何音頻接口配置（如 I2S、TDM、C’9 等）。
   • 基于軟件抽取的 PDM 麥克風接口：該仿真概念還允許同時連接立體聲 PDM（雙數據速率）流和 I2S 輸出，這對于立體聲配置的 MEMS 麥克風非常有用。在這種情況下，QSPI - CLK 的頻率可以設置為 I2S - BCLK / PDM - CLK 的兩倍，以便鎖存左右聲道的 PDM 位。同時，QSPI 可以輸出與正常 I2S - BCLK 相關的 PCM - I2S 數據流。在 TriCore 內部，可以使用“SPIT”匯編命令將交錯的 PDM 流有效地恢復到兩個單獨的 PDM 緩沖區中，對于需要將單數據位有效加倍的 PCM 輸出，則可以使用“MEE”命令。恢復交錯的 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現這種抽取。
2. 電源供應
   • 內部供電：可從 AURIX? lite Kit V2 的 3.3V 電源供電，此時麥克風、時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。根據使用的揚聲器負載和所需的放大器功率，電源應能夠在 24V 時提供高達 6A 的峰值電流，否則瞬態輸出功率將受到限制，最壞情況下可能導致系統復位。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壓器（LDO）供電。3V3 供電跳線可忽略，但必須設置其中一個選項；若要反向為 AURIX? lite Kit V2 供電，則需設置 LK 供電跳線。
3. 音頻輸入和輸出：默認情況下，配備兩個 3.5mm 立體聲插孔，用于連接外部音頻設備，如耳機或 MP3 播放器。若需要將音頻輸出連接到外部音頻設備（如 Hi - Fi 接收器），可使用“LINE OUT”接口。所有三個端口均連接到 SGTL5000 音頻編解碼器。需注意，耳機接地端（Headphone - GND）有直流偏置，因此不要在耳機接地端和全局接地端之間進行外部連接，該端口主要用于連接耳機，若要連接其他設備，建議使用音頻隔離變壓器。
4. 音頻放大器
   • 立體聲 BTL 操作：默認情況下，MA12070P 音頻放大器配置為 BTL（橋接負載）操作模式，可連接一對最小阻抗為 4 歐姆的立體聲揚聲器。
   • 單聲道 PBTL 操作：可對音頻屏蔽板進行修改，使 MA12070P 工作在 PBTL（并聯橋接負載）模式。在此模式下，放大器作為單聲道放大器工作，可驅動低至 2 歐姆的負載，僅使用 I2S 總線上的左聲道樣本，右聲道樣本作為虛擬樣本。需要進行兩項修改：在 PCB 電阻焊盤上放置一個 0402 的 0 歐姆電阻或進行焊橋連接；在兩個正輸出端和兩個負輸出端之間進行線連接。修改完成后，可連接單聲道揚聲器，但需注意，根據 MA12070P 的組裝設計步驟，在 PBTL 模式下，削波指示燈可能會持續亮起。
   • I2C 操作和音頻格式：默認情況下，I2C 總線與 MA12070P 斷開連接，因為在某些情況下，I2C 總線可能會被阻塞。MA12070P 上電復位后的默認音頻格式配置為 232 位數據幀、BCLK = 64 fs 和左對齊 I2S 格式。若需要更改音頻格式或進行進一步的高級配置（如電源模式或限幅器設置），則需要在底部橋接兩個焊錫跳線。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 XENSIV? IM67D120A 麥克風或 MERUS? MA12070P 放大器進行進一步的性能評估（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，建議通過排線連接外部音頻 ADC / DAC，或者通過以太網連接進行無壓縮音頻流傳輸。

麥克風陣列板

1. 系統概念：PDM 麥克風可以通過使用增強型 Delta - Sigma 模數轉換器（EDSADC）模塊進行連接，該模塊可以繞過內部模擬 Delta - Sigma 調制器，從而使濾波器結構可以直接從麥克風獲取 PDM 數據。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鐘源同步（在本套件中，與頂部音頻屏蔽板上的其他音頻設備同步），可以向 EDSADC 提供外部 PDM 時鐘。在本套件中，PDM 時鐘由 TOM0CH8 生成，該時鐘與其他音頻時鐘（如 MCLK、BCLK、WCLK 等）同步。由于時鐘信號需要分配到 8 個不同的時鐘接收器，因此在設計中集成了一個時鐘緩沖器設備。

軟件支持

工具鏈

Aurix? 音頻應用套件和 Aurix? lite Kit V2 可與多種開發工具配合使用，包括 Infineon 的免費基于 Eclipse 的 IDE Aurix? Development Studio 或 HIGHTEC 的基于 Eclipse 的 FreeEntryToolchain。Aurix? Development Studio 是一個全面的開發環境，包括 C 編譯器、多核調試器和 Infineon 的低級別驅動程序（iLLD），無時間和代碼大小限制，可實現應用代碼的編輯、編譯和調試。FreeEntryToolchain 是一個完整的 C / C++ 開發環境，包含 PLS - MC 的源級 UDE 調試器，同樣基于 Infineon 的低級別驅動程序（iLLD）。

代碼示例

Infineon 的 GitHub 頻道上為 AURIX? 音頻應用套件提供了一個專用的代碼庫，其中包含進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，可直接使用，無需進一步修改。開發者可定期查看該代碼庫，以獲取新的或更新的代碼示例。

網絡音頻應用提示

使用以太網 PPS 作為音頻參考時鐘

對于高性能音頻網絡（如 AVB），可能需要從網絡分布式媒體時鐘（如 AVB CRF 流）中導出本地音頻時鐘。可以使用以太網 MAC 的 PPS 輸出引腳在靈活 PPS 模式下（在與 IEEE 802.1AS gPTP 時鐘相關的指定時間戳處生成脈沖）本地恢復媒體時鐘。該時鐘信號可通過板載 CS2000CP - CZZ PLL 恢復為 24.576 MHz 參考時鐘。

1. 基于硬件的方法：PPS 信號僅在 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行手動焊接線連接。同時，在軟件中需確保 P10.4 處于高阻態。
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 MAC 的 PPS 中斷信號觸發 GTM TOM2CH6（在 P10.4 上可用），以單觸發模式輸出脈沖。

音頻 PTP 交叉時間戳

除了時鐘恢復外，通常還需要在音頻時鐘（通常是 WCLK）和 PTP 時間之間實現精確的交叉時間戳。在 Aurix? 中，建議將模擬音頻接口與直接內存訪問（DMA）結合使用，采用雙緩沖操作模式。這樣可以在每次緩沖區切換時直接在硬件中生成 PTP 交叉時間戳，無需 CPU 干預，從而使音頻時鐘以低于 50ns 的精度間接進行時間戳標記。

綜上所述，AURIX? 音頻應用套件在硬件設計和網絡音頻應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具體需求，充分利用該套件的特點，開發出高質量的音頻應用系統。大家在使用過程中，有沒有遇到什么特別的問題或者有獨特的應用思路呢？歡迎一起交流探討。