现代车载数字音频系统的研究与实现

摘要：随着世界汽车工业的快速发展和微处理器技术的不断进步，嵌入式技术在汽车电子领域取得了不断的进步。本文根据车载音频产品任务的多样性，提出了一套针对以后车载市场应用的数字音频系统的解决方法。

关键词：数字音频；MP3；USB控制器；数字功放；静态电流

前言

车内的音响系统，尤其是车内音响，发展较快，可分为两个时期。一是常规的调频/调幅+汽车卡片式的模式，即类比式的时代。二是轿车光盘时代。最近几年，随着各种数字娱乐设备的普及，汽车上的MP3也逐渐走入大众的视野。在这一点上，用户会逐渐地对汽车的使用需求越来越大，表现也越来越好；同时，随着软、硬件的不断进步，尤其是在该行业中，以嵌入式单片机为主的高速发展，更是为满足客户的要求提供了条件。随着处理器功能的不断提升，其储存与传送能力的提升，加上多种无线通讯的深入发展，使得车载音响系统的发展十分迅速。

1车载音频系统设计

1.1车载音频系统的架构

该软件由射频信号接受、信号译码、信号处理、信号输出、信号功率控制、微处理器模块等六个主要功能组成。在无线语音接收方面，利用NXP公司的两个leafDice调谐器完成调频/调幅的功能；该系统使用了东芝公司的TMP92单片机和TC94A92单片机，再加上iPOD公司的授权芯片，能够解码目前比较热门的MP3、WMA、AAC等多种多个时钟的数字音频格式，并能完整地对主流iPOD产品进行回放操控。数字声音处理部分使用了NXP公司的SAF7741（通常称为DIRANA2）作为数字信号处理器。该系统使用了T公司4路经典D级功率放大器，实现了高功率高质量的音响效果[1]。该系统采用TI公司的多路切换电源TAS43331作为系统的主要部分，并在该系统中加入了若干个专用于Tuner和它的天线功率电路。CAN总线控制系统选用TI公司的新型SH65HVDA541型，仅需要一个3.3V的待机供电，5V的接接点就可以切断。前端采用TFT屏幕与FPGA相结合，因此显示更佳。该单片机部分选用NEC850SJ3，替代了传统的TITMS470，降低了其价格并实现了较低的静态电流。

1.2数字音频处理

以NXP公司生产的SAF7741DSP为核心，设计了一套完整的硬件电路。DSP是一种新型的、具有特定功能的微控制器。DSP芯片与普通的ASP芯片相比，它是一个独立的哈佛体系，拥有专用的硬件乘法器、大量使用流水运算、专用DSP命令，能够在较短的时间内完成多种数字信号的处理。SAF7741是由NXP公司研制的一种与Tuner芯片leafDICE配套的DSP芯片。它最大的优势就是与前面的两块leafDICEtuner一起工作，可以有效地消除各种干扰。在车辆这种运动环境下，近信道与多途的干涉问题已成为制约语音信号接收效果的主要因素。SAF7741采用了精准的临轨压制方法，采用了双天线、双调谐系统结构以及内置的Antenna/PhaseDiversity等软件实现了对信号的有效压制。

1.3音频输出

该系统并未沿用经典A、B类功率放大器，而将经典D级功率放大器应用于汽车音响系统。本文所使用的是TI公司TAS5414，它是一款4路D型放大器，输出功率达到4*100W。由于没有使用增压回路，因此我们将其设定为4*25W的功率。

2车载音频解码及播放控制的设计与实现

2.1数字音频电路的结构组成

该系统以USB,SD,iPOD作为声音的输入.其中USB设备和iPOD之间的通信采用的是USB总线，而SD板上的数据则通过SPI向TMP92发送。TMP92在探测到iPOD装置后，将与iPOD验证芯片iPOD2.0B通信，从而获得对iPOD的授权。TMP92可以选择以各种不同的方法来选择并传输给TC94A92F译码芯片。CD信号经IS总线传送至TC94A92F。SAF7741芯片主要负责对输入的数据进行处理，将其传送到ClassD的功放中，再将其放大到音箱上[2]。

2.2接口控制芯片TMP92和解码芯片TC94A92的电路设计

在该系统中，使用了东芝公司的界面控制器TMP92和TC94A92进行了语音译码。TMP92是一款32位东芝公司生产的32位处理器，内置512KROM,32KRAM，支持USB,SD和苹果认证的芯片。TC94A92是一款数字处理芯片，它的内部DAC部件能够支援外界的BCKi、LRCKi、AI等各种不同的声音格式，并具有24位FIR数字滤波功能。

3数字功放模块的设计与实现

3.1本系统数字功放方案架构介绍

这套设备需要六个声音输入，四个常规声音，一个副线，一个CI，都需要一个纯粹的数字功率放大器。在分析了目前市面上各种型号的数字功率放大器后，选择了TI公司的TAS5414作为主控芯片。

3.2TAS5414硬件电路设计

TAS5414拥有4个模拟输入、四路BTL、4个I℃地址选择，并拥有专利的减少POP和Click声的专利科技，并具备所有的模拟功率放大器的诊断能力[3]。不过，因为数码放大器的切换频率很高，所以对输入功率，以及声音的控制，都有很高的要求，特别是在声音的输出上，要从电路的设计、元件的选择、布线等几个方面，都要进行细致的考虑。下面是TAS5414在这个系统中的具体实现。

3.3TAS5414工作状态的设定

1)待机

在汽车音响设备处于备用状态时，需要将全部可关机的电力全部关掉，以确保电力消耗降至最低。在这种情况下，TAS5414的第4条腿（待机）可以由MCU置于低位，这时晶体振荡器就会停止工作，而输出MOS管进入高电阻悬浮，同时，所有的数字和模拟功率都被切断，所以静止电流仅为2uA。

2)静音

通常在想要安静的时候，MCU会将TAS5414中的2位（mute）调到较低，这时的MOS晶体管只能打开50%，其他的都跟平时一样，这样就可以再次释放Mute，快速地进入回放状态。不过，在发动车子的时候，音响里总会有一种POP的声响，那是由于开机时的噪声通过扩音器被放大到扬声器里。此系统输入起动讯号，在车辆起动时，先发出一低电平，使TAS5414安静，待系统平稳后，再恢复安静。

3)高阻

如果TAS5414检测到的是一个短路或开路的信号，则可将TAS5414置于一个高电阻的工作模式。这时，输出电阻很大，但是电源，温度通讯都很好，单片机可以从温度总线读取故障。

4)正常工作

启动信号总是处于高电平，单片机可以通过ClaSSDMUTE信号来实现对功率放大器的“静默”与“回放”，并由“温度”总线对功率放大器的增益进行调节。

4结语

1)采用译码方法，可以同时进行各种不同的语音编码，但其价格相对较高，因此有必要寻求一种性价比较高的方法。

2)第一次将经典D级功率放大器用于汽车音响。不过在没有增压回路的情况下，也就是4*25W的输出。另外，对于ClassD功率放大器的电磁兼容性，在试验过程中也存在一定的问题。在未来的设计中，还需要在过滤，配线等方面做一些改善，才能达到更好的效果。

3)静止线路限制在150uA以下，而有些用户则要求100uA以下，这就要求寻找更好的方法。

参考文献

[1]吴炜，常义林．基于时延范围预测的媒体播放控制算法[J]．西安电子科技大学学报：自然科学版，2O05，32(2)：272—275．

[2]李运兵．微控制器中按键处理技巧及应用[J]．计算机系统应用，2010，19(2)：195—197．

[3]博创科技．MP3播放器与u盘设计[M]．北京：清华大学出版社，2004．