MAXQ3120 混合信号微控制器的应用案例

监视系统的设计者和厂商一直希望微控制器能够为日常监视应用提供不断增加的通用功能，包括满足用电计量、汽车监控、数据搜集和传感器调节等方面的要求。MAXQ3120 就是为了满足这些要求而开发的低功耗、高速微控制器。它的主要技术规范如下。

监视系统的设计者和厂商一直希望微控制器能够为日常监视应用提供不断增加的通用功能，包括满足用电计量、汽车监控、数据搜集和传感器调节等方面的要求。MAXQ3120 就是为了满足这些要求而开发的低功耗、高速微控制器。它的主要技术规范如下。

• 16 位、每秒8 百万条指令(8MIPS)、单周期RISK 核
• 32kB 闪存(flash 存储器)
• 512B RAM
• 具有独立波特率产生器的2 个UART
• 3 个定时器，其中1 个支持PWM D/A
• 红外通信功能
• 可驱动112 段LCD 的控制器
• 依靠电池备份、具有日历和亚秒闹钟功能的实时时钟
• 16 x 16 位单周期乘法器和40 位累加器
• 2 个16 位精密模数转换器(ADC)

下面介绍利用MAXQ3120 微控制器的以上特性和模拟I/O 及DSP 功能可以完成一些什么样的任务。

语音记录子系统
概念: 给一组工程师一片ADC，他们就会发现如何用它来记录语音。但是，除了简单的记录声音，MAXQ3120 还能够做很多事情。以MAXQ3120 为核心，配合用户接口元件和廉价的NAND 闪存，就可构建一个功能完善的语音记录子系统。

细节: 可以利用MAXQ3120 的一个ADC 和PWM 定时器实现音频I/O。ADC 的额定输入电压为+1V 到-1V，其内置的前置放大器的可编程增益可达16。通常，具有内置阻抗匹配的电容式拾音头可以直接连接到ADC的输入端。如果需要低噪声或高增益，可以采用Maxim 公司的前置放大器MAX4467，该放大器能为拾音头提供所需的偏置，且为电池供电的应用提供功耗极低的关断模式。在输出端，用一个单级放大器驱动扬声器，该放大器同时还具有一定的抗混叠和PWM 平滑功能。

音频信号被转换成数字信号后，必须进行压缩和存储，以备重放。8MIPS 的处理能力使MAXQ3120 拥有足够的"马力"来应付许多常用的标准语音编码任务。此领域的"金科玉律"是ITU G.711 编码，其工作速率为64kbps，每秒发送和接收8000 个8 位采样。ITU G.711 编码有两种不同的传递函数，用来将12 位采样值转换为8 位编码字。这两种函数就是通常所谓的A 律(主要用在欧洲)和μ律(主要用在美国)。

如果期望更高的压缩率，可以牺牲一些话音质量，采用ITU G.726 编码。G.726 编码采用自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)方案对语音信号进行更高效率的编码。这种编码支持多种位率，最低为16kbps。对大多数应用来说，该编码要求的处理速度不大于3MIPS。ITU G.711 和ITU G.726 编码都只需要很少的RAM。在录音阶段，定时器每125μs (8MHz 时钟频率下每1000 个处理器周期)产生一次中断请求，微处理器响应中断后，计算在上一个定时器周期内得到的采样值的平均值(二或三个采样，ADC 每48μs 采样一次)，以便获得需要的8kHz 采样率。之后，所采集的16 位采样就可采用选定的编码方案进行编码。在回放时，采样数据被线性化后送到PWM 控制器，驱动扬声器。

压缩后的音频数据就可用于存储，但MAXQ3120 微控制器除了程序闪存外没有其他的存储器，因此需用外部存储器来存储语音数据。对于此应用性价比最高的外部存储器是NAND 闪存，其容量可达8 吉位。对于16kbps 编码，这种器件可提供超过6 天的语音存储。但是，NAND 闪存并不完善。首先，大多数NAND闪存器件都带有一个"瑕疵图"，告诉应用软件在存储器阵列中的何处有"坏点"存在。其次，就像其他的可擦除存储器一样，在长期使用后，NAND 闪存的有些单元会丧失存储能力。幸运的是，NAND 闪存的这些缺陷对语音应用的影响不大，不像对固态磁盘等应用的影响那么大。在语音应用中，NAND 闪存的这些缺陷可以被忽略，它们最多使语音中存在瞬间干扰。

对于容量如此巨大的语音存储，必须进行有效的存储管理。这项工作由系统的用户接口部分完成，用户接口部分的核心是LCD 控制器。它能够驱动4 个公共面上的28 段显示，MAXQ3120 的LCD 控制器兼容于大量现有的3V LCD 玻璃。可以非常低的成本获得定制的LCD 模块。

用户可以通过连接到MAXQ3120 通用I/O 端口的按钮来控制语音记录系统。MAXQ3120 有4 个8 位通用I/O 端口与器件的其他功能共用。

还需要做什么？ MAXQ3120 是用于高级语音记录系统的理想微控制器。在利用它设计语音记录系统时，设计者仅需要完成下列工作：
• 设计用户接口: 选择一款LCD，确定如何显示信息、设置按钮功能、如何记录和组织语音数据。
• 选择声码器: 可以选用以上提到的两个ITU 编码器之一，也可以选用其他的专用编码器，在存储器容量足够大时还可以直接存储语音信号的原始采样值。许多标准编码器的C 语言源代码是可以买到的，因此只需要简单地开发接口程序。
• 选择存储介质: NAND 闪存是理想的选择，但也可以根据实际情况选择其他的存储器，例如，廉价的通用可移动存储器(SD、SmartMedia™或MMC 存储卡)。有些厂商还可提供存储卡接口的C 语
言源代码和开发工具。
• 电池管理: 如果语音记录系统用电池供电，就需要某种形式的电源管理。Maxim 有多种高效的低功耗电池管理方案。结合这些方案和MAXQ3120 的低功耗停止和睡眠模式，将使语音记录器具有满意的电池寿命。