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如何采用用32位微控制器构建蓝牙音频设备

归档日期:04-19       文本归类:多点控制器      文章编辑:爱尚语录

  蓝牙和音频应用实际上就是互为对方而生。 蓝牙市场成功的第一个十年几乎完全得益于在音频耳机中的集成蓝牙技术。 当智能手机走进人们生活时,蓝牙仍是一种自然选择,几乎在每一个部智能手机芯片中都能找到蓝牙的踪迹。 人们喜欢用智能手机传输音乐。

  随着蓝牙和智能手机的不断发展,应用已经有些跟不上速度了,尽管这在某种程度上有悖正常事物发展顺序。 然而,随着只能由一个蓝牙主机设备到一个蓝牙从设备单向通话时代的迅速完结,上述情况也在发生变化。

  对设计工程师来说,这意味着多协议、多连接、多设备,以及一个崭新而美妙的音频应用世界已如黎明破晓般来临。 智能手机用户希望有更多选择,而蓝牙技术已为此做好了准备。

  在十多年时间里,蓝牙高级音频分发规范 (A2DP) 让各种各样的设备实现了很便利的无线立体声功能。 不过,现在的客户更希望用智能手机通过异于原有设想的方式来控制音频娱乐。

  当与音视频遥控规范 (AVRCP) 等其它规范结合使用时,可把智能手机当做无线遥控器控制家中的其它蓝牙音频设备,不过应用可能会变得十分复杂。

  虽然旨在让最终用户拥有的几乎是无缝应用,但这些应用却在软件开发和认证时给设计工程师带来诸多大挑战,而且在一个生态系统内,在要求互操作能力的配件上实现这些应用时情况尤为严重。

  设计人员有两种架构选择。 在过去十年中,主流架构要求蓝牙模块在硬件中执行大多数功能配对、连接和音频传输。 也就是说,蓝牙模块是一个音频编解码器,通过硬线连接方式执行这些功能。 另一种架构选择则是在软件中执行几乎全部功能;于是,32 位 MCU 在这种架构中登场了。 在软件中实现蓝牙堆栈就是将实际音频转换为架构中非常薄的一层。 这样,设计人员便能在任何地方、任何时间访问大量配置的数据流。

  对于传统蓝牙模块,同时执行蓝牙串行端口规范 (SPP) 和高级音频分发规范 (A2DP) 是不可能的。 通过让软件访问蓝牙协议堆栈,设计人员能创建这样的应用,即能保持多个设备与音频流连接,在让用户听到声音内容的同时也可控制该音频流以及通常与音频无关的其它功能。 换句话说,音频流和控制数据流同时工作,但不会中断其中任何一个。

  一个简单易懂的例子就是将台灯和扬声器系统组合在一起,让用户在欣赏音乐的同时,用智能手机控制台灯亮度。 该应用经过复杂的扩展后,便可用智能手机控制照明系统色彩、强度、随音乐做出的各种变化,以及控制音频流。 在该应用中增加“智能家庭”概念扩大了控制范围,可控制自动调温器、车库门开启器,以及其它支持蓝牙的家用电器,而这些家电曾支持传统音频编解码器。

  蓝牙控制在这些应用中具有安全优势,因为可对数据流经进行配置,使其独立于物联网 (IoT)。 几乎没有人愿意把自己车库门开启器的简单过程暴露在云端的操作不确定中,而这种情况却最容易发生,如采用 WI-Fi 解决方案时。

  在已有多个规范同时工作的应用中组合音频和数据控制功能,会更多地扩展新应用。 在音频娱乐领域,支持软件的概念被称作“打断” (break-in),它允许多个手持设备控制同一个音频流。 在聚会时,人们可以从同一个支持蓝牙的音频内容库中轮流挑选自己喜欢的音乐。 启用自动点唱 (juke-box) 模式后,最终用户可在播放列表中添加自己喜爱的乐曲。 MCU 解决方案启用了“打断” 模式,允许多达七部智能手机采用不同的音频传输和控制方式控制同一个音频系统。

  尽管 Bluetooth SIG 已制定并批准了 30 多个规范,但在蓝牙“音频 + 控制”的全新应用领域发展初期,最重要的大概是以下四个:

  高级音频分发规范 (A2DP)用于多媒体音频传输的最常见规范。 通过 SBC 传输音频内容,并支持 MPEG 和 AAC 压缩编解码器。

  音视频遥控规范 (AVRCP)用于电视、家庭影院等的标准化遥控规范,通常与 A2DP 配合使用。 最近获批的特性是音频同步,例如,当手持设备上的音量改变时,受控于该手持设备的系统音量也作相应调节。

  多个规范在软件实现过程中可以同时激活,这让设计人员在创建新应用时拥有极大的灵活性。 换言之,把数据流和音频流集成在一起将会促成更高级的系统。

  在设计阶段,必须提供仿真、测试和认证(应牢记利用蓝牙)所需的一切。 因此,一个完整的开发系统远不止音频部分,还会集成用于控制显示器、按钮、LED、智能手机和音乐的各种功能。 此外,还应包括用于音频处理功能的 DSP 能力。 系统控制当然不仅是音乐本身,迫使我们不得不采用 32 位 MCU。

  图 1 所示为基本蓝牙音频系统的数据通道和主要元件,我们以此为起点详细介绍创建此类功能的基本设计点。

  从全新“音频 + 控制”应用组合的角度看该图,发送设备 (source) 侧为手机,正在传输可以进行加密的编码数据(音频和控制)。 数据会最终找到进入基带层(蓝牙无线电)的途径。 数据流执行接收设备 (sink) 侧的协议堆栈,接收侧设备可以是上文提到的任何设备/智能家电。

  软件解决方案同时包括多协议堆栈和一个可以在源代码中修改的应用层。 堆栈处理规范通信,能与各种各样附加应用元件进行互动,包括音频解码器、数字过滤、发送侧速率转换和控制特性。 有多个解码器可用于支持蓝牙 A2DP 音频流的音频,包括 SBC、AAC 和 MP3。 利用这种模块化解决方案,设备制造商可按照特性、控制和存储器成本区分各种潜在的解决方案。

  为通信链路的接收 (sink) 侧系统创建开发和入门套件是一项重要工作。 虽然兼容性和互操作性测试能让设计人员更轻松地开发应用,但对于任何 MCU 供应商来说则是一个极为重要的问题。

  目前有多种移动 OS,包括安卓 (Android)、苹果的 IOS、微软的嵌入式 Windows 以及黑莓 (Blackberry) 系统,且每个系统都有众多 OS 版本。 为确保一款切实可行的最终用户产品,套件供应商必须进行数百次兼容性和互操作测试。 根据列出的问题清单,设计人员在选择套件时,必须可靠地保证其设计能通过这些测试且返工量最少或无需返工。

  我们具体看一下该公司的 DV320032 蓝牙音频开发套件。 该套件由 100 MHz 中级 32 位 PIC 器件提供动力,具有多达 100 个 I/O 和 512 KB 闪存/128K RAM。 这一基本套件集成了可支持 Cambridge Silicon Radio 的 CSR8811 收发器的蓝牙 HCI 子板(也可提供低成本模块)。 此外,还包括一个 DAC 子板,板上集成了一个 24 位 192 kHz DAC 和耳机输出、USB 主机端口和设备接口、一个 2 英寸彩色 LCD 显示屏以及按钮控制功能。 为使开发工作变得更轻松,该套件可驱动许多不同的功能,如苹果认证适配器 (Apple Authentication Adapter) 选项、一个调试接口、一个 SPI 闪存。

  MCU 顶部有一个可编程接口模块 (PIM),可让开发人员可选择改换处理器,而不必担心失去宝贵的设计时间。 将来,设计人员利用该模块还能用更低成本或更高性能的器件灵活地更换标准 MCU。

  固件的可获取性始终是套件开发的一个关键问题。 Microchip 提供如图 3 所示固件。

  不可否认,蓝牙“音频 + 控制”应用的尖端性和复杂性令开发人员在如何开始开发方面感到些许困惑。 当然,关键器件就是 MCU 本身。 如前所述,32 位 MCU 及其 32 位指令集是同时组合音频和控制功能的理想选择。 在首次选择使用哪个套件时,开发人员可以参考表 1。该表介绍了一些应用及相应的存储器和 MIPS 要求。

  表 1:应用资源要求示例,包括应用、蓝牙堆栈、图形显示元件(感谢 Microchip Technology 提供此内容)。

  这些示例仅作演示之用,但组合在一起则说明一点,就是对于从最简单(仅蓝牙数据堆栈)到最苛刻的应用(多规范和高品质 ACC 解码器)来说,存储器和峰值 MIPS 会出现显著变化。

  一个使用语音进行数据控制的蓝牙开发新时代将孕育出许多全新的应用,让多个蓝牙规范同时激活并拥有多点控制、多线连接成为现实。 这些应用可能开发难度大,尤其因为它们必须通过蓝牙交互操作和兼容性测试。 这些应用中的许多也将会把 32 位 MCU 作为必要器件,但这不是为了满足数据深度之需,而是为了获得指令集资源。

  虽然硅器件供应商提供的开发套件和固件能显著减少设计工作,但始终没有一个万能解决方案出现。 开发人员因此必须认真挑选适合自己应用的正确解决方案,同时还应考虑固件的可获取性和硬件的性能。

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  信息描述TPS2474x 是一款针对 2.5V 至 18V 系统的集成 ORing 和 热插拔控制器。 该控制器精确且具有可编程保护设置,对设计故障隔离要求较高的高功率、高可用性系统很有帮助。 该控制器还具有可编程电流限制、快速关断和故障定时器功能,可在热短路等故障期间保护负载和电源。 可调整快速关断阈值和响应时间,以确保快速响应实际故障,同时避免误跳变。 该器件具有可编程的 SOA(安全工作区域)保护和浪涌定时器,可在所有工作条件下对金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 加以保护。 TPS2474x 将电源正常状态标志置为有效后,会在过流事件期间运行故障定时器,但不会限制电流。 当故障定时器到期后,控制器会关断。 该控制器具有两个独立定时器(浪涌/故障),用户可根据系统需求定制保护功能。 用户可利用 TPS2474x 的 ORing 功能来编程反向电压阈值和响应时间,以简化冗余电源系统的设计。特性 2.5V 至 18V 总线V 绝对最大值)可编程保护设置: 电流限制:10mV 时为 ±5% 快速跳变:20mV 时为 ±10% 反向电压:–1mV 时为 ±1mV快速跳变和反向电压可编程响应时间 可编程场效应管 (FET) 安全运行区域 (SOA) 保护双定时...

  信息 TPS2398和TPS2399集成电路是热插拔电源管理器,针对标称-48 V系统进行了优化。它们采用了改进的断路器响应,可以提供快速的短路保护,同时仍然可以使插件承受突然切换到更高电压电源时可能产生的大瞬态。它们的设计电源电压范围高达-80 V,额定可承受-100 V的尖峰电压。结合外部N沟道FET和检测电阻,它们可用于实现插入卡的实时插入和动力系统中的模块。这两款器件均提供负载电流压摆率和峰值幅度限制,可通过检测电阻值和单个外部电容轻松编程。它们还提供单线故障报告,故障卡的电气隔离以及防止误跳过流跳闸的保护。 TPS2398响应电流故障而锁定,而TPS2399在发生故障时定期重试负载。 宽输入电源:-36 V至-80 V 瞬态额定值至-100 V 改善瞬态响应 可用输入(EN) 可编程电流限制 可编程电流摆率 故障计时器以消除滋扰行程 漏极开路电源良好输出(/ PG)...

  TMS320F28377S TMS320F2837xS单核Delfino微控制器信息描述The Delfino™ TMS320F2837xS is a powerful 32-bitfloating-point microcontroller unit (MCU) designed for advanced closed-loop control applicationssuch asindustrialdrives and servo motor control;solarinverters and converters;digitalpower;transportation;andpowerline communications. Complete development packages for digital power and industrial drivesare available as part of the powerSUITE andDesignDRIVE initiatives. The real-time control subsystem is based on TI’s 32-bit C28x floating-point CPU, whichprovides 200 MHz of signal processing performance. The C28x CPU is further boosted bythe new TMU accelerator, which enables fast execution of algorithms with trigonometric operationscommon in transforms and torque loop calculations; and the VCU accelerator, which reduces the timefor complex math operations common in encoded applications. The F2837xS microcontroller family features a CLA real-time control coprocessor. TheCLA is a...

  TMS320F28379D TMS320F2837xD双核Delfino微控制器信息描述本示例中使用的 DelfinoTMS320F2837xD 是一款功能强大的 32 位浮点微控制器单元 (MCU),针对高级闭环控制 应用 而设计,例如工业驱动器和伺服电机控制、太阳能逆变器和转换器、数字电源、电力输送以及电力线通信。数字电源和工业驱动器的完整开发包作为 powerSUITE 和 DesignDRIVE 方案的一部分提供。而 Delfino 产品系列并不是 TMS320C2000产品组合的新成员,F2837xD 支持新型双核 C28x 架构,显著提升了系统性能;同时集成有模拟和控制外设,允许设计人员整合控制架构,消除了在高端系统中使用多处理器的需求。双实时控制子系统基于 TI 的 32 位 C28x 浮点 CPU,每个内核中可提供 200MHz 的信号处理性能。C28x CPU 的性能通过新型 TMU 加速器和 VCU 加速器得到了进一步提升,TMU 加速器可快速执行包含变换和转矩环路计算中常见的三角运算的算法;VCU 加速器可缩短编码应用中常见的复杂数学运算的 时间。F2837xD 微控制器系列 采用 两个 CLA 实时控制协处理器。CLA 是一款独立的 32 位浮点处理器,运行速度与主 CPU 相同。该 CLA 会对外设触发器作出响应,并与主 C28x CPU 同时执行代码。...

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  TMS320F280049C TMS320F28004x Piccolo™微控制器信息描述The Piccolo™ TMS320F28004x (F28004x) is a powerful32-bit floating-point microcontroller unit (MCU) that lets designers incorporate crucial controlperipherals, differentiated analog, and nonvolatile memory on a single device.The real-time control subsystem is based on TI’s 32-bit C28x CPU, which provides100 MHz of signal processing performance. The C28x CPU is further boosted by the newTMU extended instruction set, which enables fast execution of algorithms with trigonometricoperations commonly found in transforms and torque loop calculations; and the VCU-I extendedinstruction set, which reduces the latency for complex math operations commonly found in encodedapplications. The CLA allows significant offloading of common tasks from the main C28x CPU. The CLAis an independent 32-bit floating-point math accelerator that executes in parallel with the CPU.Additionally, the CLA has its own dedicated memory resources and it can d...

  TMS320F280048 TMS320F28004x Piccolo™微控制器信息描述The Piccolo™ TMS320F28004x (F28004x) is a powerful32-bit floating-point microcontroller unit (MCU) that lets designers incorporate crucial controlperipherals, differentiated analog, and nonvolatile memory on a single device.The real-time control subsystem is based on TI’s 32-bit C28x CPU, which provides100 MHz of signal processing performance. The C28x CPU is further boosted by the newTMU extended instruction set, which enables fast execution of algorithms with trigonometricoperations commonly found in transforms and torque loop calculations; and the VCU-I extendedinstruction set, which reduces the latency for complex math operations commonly found in encodedapplications. The CLA allows significant offloading of common tasks from the main C28x CPU. The CLAis an independent 32-bit floating-point math accelerator that executes in parallel with the CPU.Additionally, the CLA has its own dedicated memory resources and it can d...

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  TMS320F280048C TMS320F28004x Piccolo™微控制器信息描述The Piccolo™ TMS320F28004x (F28004x) is a powerful32-bit floating-point microcontroller unit (MCU) that lets designers incorporate crucial controlperipherals, differentiated analog, and nonvolatile memory on a single device.The real-time control subsystem is based on TI’s 32-bit C28x CPU, which provides100 MHz of signal processing performance. The C28x CPU is further boosted by the newTMU extended instruction set, which enables fast execution of algorithms with trigonometricoperations commonly found in transforms and torque loop calculations; and the VCU-I extendedinstruction set, which reduces the latency for complex math operations commonly found in encodedapplications. The CLA allows significant offloading of common tasks from the main C28x CPU. The CLAis an independent 32-bit floating-point math accelerator that executes in parallel with the CPU.Additionally, the CLA has its own dedicated memory resources and it can d...

  TMS320F280045 TMS320F28004x Piccolo™微控制器信息描述The Piccolo™ TMS320F28004x (F28004x) is a powerful32-bit floating-point microcontroller unit (MCU) that lets designers incorporate crucial controlperipherals, differentiated analog, and nonvolatile memory on a single device.The real-time control subsystem is based on TI’s 32-bit C28x CPU, which provides100 MHz of signal processing performance. The C28x CPU is further boosted by the newTMU extended instruction set, which enables fast execution of algorithms with trigonometricoperations commonly found in transforms and torque loop calculations; and the VCU-I extendedinstruction set, which reduces the latency for complex math operations commonly found in encodedapplications. The CLA allows significant offloading of common tasks from the main C28x CPU. The CLAis an independent 32-bit floating-point math accelerator that executes in parallel with the CPU.Additionally, the CLA has its own dedicated memory resources and it can d...

  TMS320F280041C TMS320F28004x Piccolo™微控制器信息描述The Piccolo™ TMS320F28004x (F28004x) is a powerful32-bit floating-point microcontroller unit (MCU) that lets designers incorporate crucial controlperipherals, differentiated analog, and nonvolatile memory on a single device.The real-time control subsystem is based on TI’s 32-bit C28x CPU, which provides100 MHz of signal processing performance. The C28x CPU is further boosted by the newTMU extended instruction set, which enables fast execution of algorithms with trigonometricoperations commonly found in transforms and torque loop calculations; and the VCU-I extendedinstruction set, which reduces the latency for complex math operations commonly found in encodedapplications. The CLA allows significant offloading of common tasks from the main C28x CPU. The CLAis an independent 32-bit floating-point math accelerator that executes in parallel with the CPU.Additionally, the CLA has its own dedicated memory resources and it can d...

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  信息描述 bq500511 是一款无线电源发送器控制器。在与 bq50002 模拟前端器件搭配使用时,该器件集成了创建符合 Qi 标准或 5V 专用发送器所需的全部功能。 bq500511 和 bq50002 共同构成一款紧凑型无线充电器解决方案。 bq500511 对周围环境执行 ping 操作来寻找需要供电的接收器器件,之后会与 Rx 器件安全接合、接收充电器件传输的通信数据包以及根据 WPC v1.2 规范管理功率传输。bq500511 特有的 Dynamic Power Limiting™ (DPL) 功能可最大限度地提升无线电源控制应用的灵活性。 对于功率受限的输入电源,DPL 对其可用功率进行无缝优化来改善用户体验。通过持续监测已建立电源传输的效率,该系统支持外来物体检测 (FOD),以防因在无线电源传输场中错误放置金属物体而产生功率损耗。 如果在电源传输过程中出现任何异常情况,bq500511 将对其进行处理并提供指示输出。 综合状态和故障监视特性可实现一款经 Qi 认证的低成本且稳健耐用的无线电源系统设计方案。bq500511 采用 6mm x 6mm 耐热增强型 40 引脚超薄四方扁平无引线 (VQFN) 封装。特性 符合无线 规范的数字控制器 专为与 bq50002 模拟前端搭配使用而设计 适用于无线充电...

  信息 TCC-303是一款三输出高压数模转换控制IC,专门用于控制和偏置安森美半导体的无源可调谐集成电路(PTIC)。这些PTIC控制器适用于移动电话和专用RF调谐应用。安森美半导体在移动电话中的可调谐电路的实施可以显着改善天线辐射性能。 PTIC控制器通过1 V至24 V的偏置电压进行控制.TCC-303高压PTIC控制器具有专为满足这一需求而设计,提供三个独立的高压输出,可并行控制多达三个不同的可调谐PTIC。该设备通过MIPI RFFE数字接口完全控制。 控制安森美半导体的PTIC可调谐电容器 符合蜂窝和其他无线 V可编程DAC输出的V集成升压转换器 低功耗 MIPI RFFE接口(1.8 V) 可用于WLCSP(RDL球阵列) 符合MIPI 26 MHz回读 电路图、引脚图和封装图...

  信息 TCC-226是一款六输出高压数模转换控制IC,专门用于控制和偏置安森美半导体的PassiveTunable集成电路(PTIC)。 这些PTIC控制器适用于移动电话和专用RF调谐应用。安森美半导体在移动电话中可调谐电路的实现可以显着改善天线辐射性能。 PTIC控制器通过1 V至24 V的偏置电压进行控制.TCC-226高压PTIC控制器专为满足这一需求而设计,提供六个独立的高压输出,可控制多达六个不同的可调PTIC平行。该器件通过多协议数字接口完全控制。 控制安森美半导体的PTIC可调谐电容器 构成完整RF调谐解决方案的一部分 符合时序要求蜂窝和其他无线个可编程DAC输出(高达24 V)的集成升压转换器 低功耗 SPI的自动检测( 30位或32位)或MIPI RFFE接口(1.8 V) WLCSP(RDL球阵列)提供 符合MIPI 26 MHz回读 足迹与TCC-303兼容 电路图、引脚图和封装图...

  信息 TCC-206是一款六输出高压数模转换控制IC,专门用于控制和偏置安森美半导体的无源可调谐集成电路(PTIC)。电容电路旨在用于移动电话和专用RF调谐应用。在移动电话中实现安森美半导体可调谐电路可以显着改善辐射天线性能。可调谐电容器通过2 V至24 V的偏置电压进行控制.TCC-206高压PTIC控制IC专门针对旨在满足这一需求,提供六个独立的高压输出,可并行控制多达六个不同的可调谐PTIC。该设备通过多协议数字接口完全控制。 控制ON半导体PTIC可调谐电容器 符合蜂窝和其他无线系统要求的时间要求 具有六个可编程输出(高达24 V)的集成升压转换器 低功耗 SPI(30或32位)或1.8 V MIPI RFFE接口的自动检测 适用于WLCSP封装(RDL球阵列) 符合MIPI 26 MHz回读 电路图、引脚图和封装图...

  信息 TCC-103是一款三输出高压数模转换控制IC,专门用于控制和偏置安森美半导体的无源可调谐集成电路(PTIC)。这些可调电容电路旨在用于移动电话和专用RF调谐应用。安森美半导体在移动电话中实现可调谐电路可以显着改善天线辐射性能。可调谐电容器通过2 V至20 V的偏置电压进行控制.TCC-103高压PTIC控制IC专门设计用于满足这一需求,提供三个独立的高压输出,可并行控制多达三个不同的可调谐PTIC。该器件通过多协议数字接口完全控制。 控制ON半导体PTIC可调谐电容器和RF调谐器 符合蜂窝和其他无线系统的时序要求 具有三个可编程输出(高达24 V)的集成升压转换器 低功耗 SPI(30或32位)或MIPI RFFE的自动检测接口(1.2 V或1.8 V) 可用于WLCSP(球形和外围阵列)以及独立或模块集成...

  信息 TCC-202是一款双输出高压数模转换控制IC,专门用于控制和偏置安森美半导体的无源可调谐集成电路(PTIC)。这些可调电容电路旨在用于移动电话和专用RF调谐应用。在移动电话中实现安森美半导体可调谐电路可以显着改善天线辐射性能。可调谐电容器通过2 V至24 V的偏置电压进行控制.TCC-202高压PTIC控制IC专门针对旨在满足这一需求,提供两个独立的高压输出,可并行控制多达两个不同的可调谐PTIC。该设备通过符合MIPI标准的接口完全控制。 控制ON Semiconductor PTIC可调谐电容 符合蜂窝和其他无线系统要求的时间要求 具有两个可编程DAC输出(高达24V)的集成升压转换器 低功耗 采用WLCSP封装(RDL球阵列) MIPI-RFFE接口 符合MIPI 26 MHz回读 电路图、引脚图和封装图...

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