基于USB HOST音頻解碼器的數(shù)字音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以往在設(shè)計(jì)數(shù)字音頻系統(tǒng)時(shí)，需要工程師具備相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并且在軟件開發(fā)方面也要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。ROHM公司的USB HOST音頻解碼器大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，軟件解碼都由芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以很輕松地構(gòu)建數(shù)字音頻系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的CD播放系統(tǒng)、MP3播放器的設(shè)計(jì)通常需要存儲(chǔ)器控制器、解碼器、DAC、系統(tǒng)控制器等，這些模塊分散在各個(gè)IC中，硬件和軟件設(shè)計(jì)都比較復(fù)雜。而USB HOST音頻解碼器將這些功能集成于單芯片中，外部?jī)H需少量的晶振和阻容元件，大大降低了成本，而且可靠性提高。

芯片功能

ROHM公司的USB HOST音頻解碼器中所有的解碼工作都是由硬件自動(dòng)完成的，不同于其它內(nèi)嵌CPU的設(shè)計(jì)方案，減少了軟件編程的復(fù)雜度。內(nèi)部集成了USB和SD卡控制器，可以直接訪問存儲(chǔ)器中的文件。芯片按Unicode編碼對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)的音樂文件排序，并按順序播放。內(nèi)置了FAT文件系統(tǒng)，可以自動(dòng)區(qū)分音樂文件和非音樂文件。芯片還可以自動(dòng)跳讀損壞文件，來防止產(chǎn)生噪音。芯片內(nèi)置了鍵盤控制器，可以外接4 X 3按鍵矩陣。音頻輸出支持模擬輸出和數(shù)字輸出。模擬輸出時(shí)可直接連接揚(yáng)聲器放大器，并且內(nèi)置了7種音效均衡器，在輸出時(shí)可以通過I²C總線來選擇。數(shù)字輸出支持高通用性的I2S BUS和SPDIF，可以很方便地連接到下一級(jí)數(shù)字信號(hào)處理電路中。芯片內(nèi)置了一個(gè)I²C總線接口，可以與微型控制器進(jìn)行通訊。USB HOST音頻解碼器的功能框圖見圖1。

圖1: USB HOST音頻解碼器功能框圖。

芯片可執(zhí)行的音樂文件操作包括：播放、暫停、停止、快進(jìn)/快退、跳到下一曲/上一曲、重復(fù)播放、隨機(jī)播放、音量調(diào)節(jié)、文件瀏覽、讀取ID3信息等。

該芯片具有三種工作模式，可通過功能引腳來選擇：

模式1也叫“獨(dú)立模式”。芯片工作時(shí)不需要外接微型控制器，可以作為主機(jī)直接播放存儲(chǔ)器中的音樂文件，通過內(nèi)置的鍵盤控制器讀取外部的按鍵操作來選擇播放模式。芯片還內(nèi)置了7個(gè)LED驅(qū)動(dòng)接口，通過LED豐富的表現(xiàn)，可以清楚地了解到其工作模式。在該模式下芯片還支持自動(dòng)播放功能，上電后會(huì)自動(dòng)讀取和播放存儲(chǔ)器中的音樂文件，不需要外部干預(yù)。

模式2和模式3稱為“從動(dòng)模式”。芯片需要外接微型控制器，通過I²C總線傳輸指令，設(shè)計(jì)人員需要編寫相應(yīng)的控制軟件。這兩種模式的實(shí)現(xiàn)相對(duì)于模式1復(fù)雜一些，但可以構(gòu)建更高性能的系統(tǒng)。其中，模式2的工作流程類似于模式1的按鍵輸入，需要通過接收微型控制器發(fā)出的指令執(zhí)行"PLAY"、"PAUSE"等操作。在模式3中，芯片通過I²C總線將存儲(chǔ)器中的音樂文件的位置發(fā)送給微型控制器，然后控制器通過指定文件的位置來選擇播放。播放時(shí)，芯片會(huì)每隔100ms讀取播放時(shí)間，通過LCD可以將曲目的播放時(shí)間、曲名等信息顯示出來。在這兩種模式中，芯片還具有RESUME功能，在下次播放時(shí)可從上次停止的地方繼續(xù)播放。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文將介紹使用ROHM的USB HOST音頻解碼器BU9437AKV和NEC的16位單片機(jī)uPD1166組成的數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。BU9437支持MP3和WMA文件解碼，具有上面所述的USB HOST音頻解碼芯片的所有功能。

1．硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要參考BU9437的從動(dòng)模式來設(shè)計(jì)，通過I²C總線接收MCU發(fā)來的控制信息，實(shí)現(xiàn)模式2和模式3的功能。

BU9437配置了SD卡和USB接口，同時(shí)為了保護(hù)USB設(shè)備在熱插拔的過程中不受到損壞，我們還設(shè)計(jì)了USB保護(hù)開關(guān)，使用的也是ROHM的USB High Side Switch芯片。音頻輸出使用的是模擬立體聲輸出，外接了一個(gè)耳機(jī)功放，可以通過耳機(jī)或有源音箱來收聽聲音。MCU外接了一個(gè)五向的開關(guān)，可以方便地進(jìn)行菜單的選擇。LCD為16 X 2的字符型點(diǎn)陣液晶，可以顯示功能菜單、文件信息等簡(jiǎn)單畫面。芯片通過I²C總線與MCU通訊。硬件系統(tǒng)框圖見圖2，BU9437應(yīng)用電路見圖3。

圖2：USB HOST數(shù)字音頻系統(tǒng)框圖

圖3：U9437應(yīng)用電路圖

2．軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)是利用MCU的鍵盤中斷來判斷并識(shí)別鍵值，主程序循環(huán)查詢鍵值及BU9437的狀態(tài)，根據(jù)鍵值向BU9437發(fā)送不同的命令，同時(shí)在LCD上顯示BU9437的工作狀態(tài)等信息。主程序流程圖見圖5。

圖5：軟件流程圖。

導(dǎo)航鍵的操作使用中斷來處理，當(dāng)有任何一個(gè)按鍵被按下時(shí)產(chǎn)生按鍵中斷，在中斷程序中除了防抖之外還要判斷按鍵的優(yōu)先級(jí)，中斷程序中將直接得到按鍵的鍵值。

液晶顯示模組有8位數(shù)據(jù)線，編寫了專用的子程序用來發(fā)送顯示數(shù)據(jù)。

USB HOST 芯片的控制是通過I²C總線來實(shí)現(xiàn)的，軟件還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的I²C通訊程序，使其滿足I²C總線的通訊協(xié)議，通訊時(shí)序見圖4。

圖4：I²C總線通訊時(shí)序。

3. 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. USB HOST芯片需要外接一個(gè)16.9344MHz的晶振，如果使用無源晶振應(yīng)注意該晶振的起振條件，選擇合適的震蕩電路，保證芯片上電后晶振能正常工作。

2. 選擇模擬音頻作為輸出時(shí)，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)最好將模擬地和數(shù)字地分開，并且在電源輸入時(shí)加大容量的濾波電容或鉭電容，可以很好地抑制噪音。

3. 為了增加軟件的可靠性，當(dāng)讀取寄存器的值時(shí)，讀取到的第一個(gè)字節(jié)都是系統(tǒng)的忙閑狀態(tài)，每次讀取時(shí)軟件都要處理此字節(jié)。

本文小結(jié)

ROHM公司的USB HOST音頻解碼芯片不僅適合于車載級(jí)應(yīng)用，還能用于衛(wèi)生間、保健設(shè)備等通常與音樂無關(guān)的設(shè)備，可以簡(jiǎn)單地播放出治療音樂、自然環(huán)境音等。另外，還可以用于娛樂設(shè)備的音樂、效果音的播放，以及公共交通的車內(nèi)廣播等語音發(fā)聲。這種情況下，語音數(shù)據(jù)保存在USB存儲(chǔ)器、SD存儲(chǔ)卡中，因此需要更新語音數(shù)據(jù)時(shí)，即快速又方便。