简单易控的无机芯汽车音响设计

瑞萨电子

在汽车电子应用方面，需要用到很多如CAN、LIN、MOST以及蓝牙等协议，传动系统、底盘、安全系统、仪表盘等等。汽车音响、汽车导航也是重要的一环。

车载信息娱乐系统趋势

传统的车载音响包括Tuner及收音机、CD播放功能，随着人们的需求越来越多，可能会加入USB设备、蓝牙等设备的功能，慢慢地人们发现只是"听"已经不够了，需要有视频、摄像头功能，再后来需要导航功能。在这些其中，如图1所示，车载彩色TFT显示音响和车载多媒体音响年增长率是最高的。



图1 车载信息娱乐系统趋势

多媒体功能每年都在增强，如图2所示。对于多媒体功能来说，最先只是CD的播放或者支持USB或者SD卡等，慢慢地随着iPod的普及，需要支持iPod功能和iPod蓝牙的功能，包括USB3.0。而彩色TFT从WQVGA到VGA的显示，到RD的显示以及最后会和Smart Phone做连接显示等，不难发现，功能会越来越加强。

车载多媒体音响系统模块如图3所示，由一个主控MCU控制的Tuner、CD DSP伺服器USB模组和iPod功能等组成。


图2 车载信息娱乐系统的功能



图3 多媒体音响功能模块

在这里，多媒体音响功能有AM/FM；CD，USB，SD，iPod，Bluetooth；MP3，WMA，AAC；Character Display。

AE1-L无机芯车载音响方案

AE1-L是瑞萨电子无机芯车载音响方案。在传统的汽车音响使用AE1-L之后，如图4所示，就可以直接增加音频解码(MP3/WMA/AAC)和USB/SD接口，并且可以去掉CD机芯变身Low Cost Car Audio (LCC Audio)。这样就可以变成一个低成本音响方案。这个方案的灵活性是很好的，可以满足不同客户的不同需求。

AE1-L 产品方块图如图5所示，从连通性来说，AE1-L支持USB Memory、DMP、iPod、SD、CARD READER、HUB等，所支持的音频包括MP3、WMA、AAC、WAV，AE1-L的内部还带了控制元件，可以做文件系统分析、USB驱动和SD驱动等等。从界面来说，可以支持USB I/F、HOST I/F、SD(SPI) I/F、I2S output、Download I/F(64-pin version)和Serial Flash I/F(AE1-LF)等。

AE1-L分为5个产品线，分为标准级和车规级，从封装上来说分为48-pin和64-pin。其中AE1-L有3款产品是不需要外挂Flash的，AE1-LF有2款产品可以支持外部的Flash自我升级功能，比如你有iPod功能，当iPod协议发生更改，可以通过外部Flash来对AE1-LF进行升级以支持最新的协议，实现自我升级的功能，并且全线都支持MCU功能的自升级。

64-pin的AE1-L支持数据下载功能，传送除了通过USB 存储器和SD卡读取音乐文件外，还可以传送特定文件，传送图片数据，以给外部的图形显示或者由外部MCU进行分析使用的功能。

另外一个显著的功能是MCU自升级功能，MCU可以通过AE1-L来读取外部USB或者SD设备的自身代码系统，实现主控制器的自我升级功能。

AE1-L特性归纳来说就是易控制，是简单设计的USB memory/iPod/SD音频系统，并且还具有低成本的特性，是成本优化的具有连接功能音响。与此同时，还能实现小面积的系统布局。AE1-L提供两种尺寸封装，分别是48-pin和64-pin 封装，48-pin封装尺寸是7mm×7mm ，64-pin封装尺寸是10mm×10mm。客户可以很容易在现有的音频播放器方案上增加AE1-L。

新的SoCs整合了USB主控制器和音频解码功能，因此单芯片SoCs可以直接从USB设备，SD卡和其他数码音乐播放器中播放音乐。扩展功能可以用外部Flash实现。



图4 传统的汽车音响使用AE1-L



图5 AE1-L产品方块图

AE1-L具有多样的产品特性。USB 2.0 (FS) 主机界面；丰富的连通性包括USB存储器、SD卡、iPod和其他音乐播放器；HUB/卡读取器；特色包括即插即播、内置软件和中间件、可升级、不需要开发工具；支持多种音频格式包括MP3/WMA/AAC/WAV；功能更新包括AE1-L（使用内部ROM，不需要外部Serial Flash），AE1-LF（使用外部Serial Flash，可随时升级软件）。

简单易控也是AE1-L特性，使用命令可以通过MCU控制AE1-L。瑞萨电子为MASK版本和外部FALSH版本开发了程序；压缩音频解码（MP3/WMA/AAC）； USB主驱动器；SD驱动（SPI）；USB文件系统(FAT16/32)；采用I/F的系统控制器 (API)；音频播放 (play，stop，random等)。在现有的MCU S/W上，客户仅仅需要增加AE1-L控制命令便可完成。

AE1-L开发工具包括文件、原理图和固件三个部分。文件包括数据表和用户手册以及应用注解两部分。原理图包括示范板的原理图和PCB布局。固件包括示范板的MCU代码（78K0和R8C）。

AE1-L示范板

AE1-L HDK 主要特征：

• MCU–R8C/2A，时钟频率20MHz，ROM 64KB, RAM 3kB

•音频芯片–音频解码

•显示设备–OLED 256像素×64像素, 支持中英文文字显示

•输入接口–2个旋钮（分别带1个按键），6个按键

•存储媒介–支持U盘，SD卡

•音频输出–4声道输出，1耳机输出

•音频格式–支持MP3，AAC，WMA，WAV格式

AE1-L (&microD63911/uPD63551/uPD63531) 和 AE1-LF (μPD63530/ μPD63910) 是集成USB（通用串行总线）主机(Host)控制器的音频解码器SoC。适于汽车和消费电子应用，如数字汽车音响。单个芯片上整合了USB 2.0 (全速12Mbps) 主机控制器以及USB音频系统所需的功能。其内置的标准集成软件包括：USB控制，MP3，WMA和AAC解码功能，WAV文件播放功能，文件系统控制和系统控制功能。用户开发的应用软件只需发送简单的控制命令。从而极大地缩短了开发所需的时间。

MCU内部模块的驱动：

•Clock

•Timer0, Timer1, Timer2

•CSI0 (MCU与AE1-LF通讯用)

•CSI1 (MCU与Serial Flash通讯用)

•I2C(MCU与E-Volume通讯用)

•ort (Key/ Rotary encoder/ LED

•reset control/ power control)

•相关中断等等

周边外设的驱动：AE1-L，OLED，E-Volume，Serial Flash (字库，LOG，各图形标识，用户设定参数，恢复播放信息)。

接口内容是抽象化的周边功能和访问外设的API，分别为AE1-L，Display，E-Volume，Serial Flash (设计存储字库, LOG, 各图形标识，用户设定参数等)。

系统服务有应用服务（Clock、Timer）和错误状态管理。

通过任务管理，实现各功能。主要任务包括：Host任务（负责管理设备状态），AE1-L任务（实现AE1-L功能（存储媒介访问、音频解码）），Display任务（在各种状态下显示人机交互信息），E-Volume任务（管理音频属性）。

事件及信息流表现为，当有事件发生，包括按键或者旋钮，根据接收对象来分类，消息类型分为AE1-L模块接收的消息、Display模块接收的消息、E-Volume模块接收的消息。值得注意的是，Host模块只发送消息，不需要接收其他模块发送的消息，Display模块只接收消息，AE1-L模块和E-Volume模块，则根据场合和功能的不同，既是某些消息的发送方，也是另外一些消息的接收方。

MCU系统时钟，根据不同运行状态，选用两种时钟源：在Power on状态下，MCU系统时钟使用片上高速时钟，约40MHz(MCU内部固定2分频)。

在Power down状态下，MCU系统时钟使用片上低速时钟，约125kHz。值得注意的是，综合考虑MCU用到的2种通信模式(时钟同步串行通讯及I2C通信)，和片上高速时钟精度(常温下约2%),Power on状态下选用片上高速时钟。低功耗采用片上低速时钟，3.3V供电/8分频条件下，电流消耗145μA。

Host的主要机能有系统管理，主状态管理；解释Key和Encoder事件，以及产生相应的消息；调度其他小型服务，例如：保存和读取设置参数、LED显示、Watchdog等。

HDK为外围器件提供可控的3种电源，12V/5V/3.3V。在Power down状态下，关闭外围器件电源，以降低功耗。MCU低功耗，采用片上低速时钟(约125kHz)方式。理论上，R8C2A在“VCC=3V，系统时钟为片上低速时钟，8分频”的条件下，电流消耗为145μA。

为改善系统的可靠性，使用了Watchdog超时复位功能。在系统时钟为片上高速时钟时(在Power up状态下)，Watchdog定时约为209ms。当系统时钟为片上低速时钟时(在Power down状态下)，Watchdog定时约为512ms。

目前软件占用MCU的资源有ROM Code 40kBytes；ROM Data 11k Bytes；RAM 2kBytes。

问答选编

问：这个音响方案对于电源干扰的问题如何解决的？

答：我们在电源电路上增加了大电容滤波以及稳压二极管稳压，通过LDO模块实现去除外部电源抖动。

问：请专家介绍MCU自主升级功能?在什么情况下升级？如何操作？

答：如果客户需要修改整个产品功能或者其他要求，就可以通过u盘对MCU进行升级。

问：在汽车设计的哪些领域用到这个芯片呢？

答：汽车音响等需要音频解码的都可以用到。

问：内置Flash有多大，外置允许多大？

答：内置Flash是无法对用户开放的，用户无法使用，因此不必要关心。外部Flash，您可以根据相应的AE1的firmware的大小进行选择合适的Serial Flash大小，目前大概是100kB。

问：器件是否支持iPhone/iPad/iPod的USB播放？是否支持蓝牙？

答：支持iPhone/iPad/iPod的USB播放。不支持蓝牙，但可以通过MCU外接蓝牙模块。

问：AE1-L/F实现了简单易控的无机芯汽车音响，那么对环境有什么要求呢？

答：芯片本身对环境没有特别的要求，完整方案需要注意EMC设计。

问：AE1-L除了实现USB Module功能还具有什么特性？

答：AE1_L除了支持USB之外，还可以支持SD卡、USB HUB，也可支持ipod（某些型号的AE1），另外，可以支持音量大小的调节。

问：请介绍AE1-L的功耗和降功耗特性？

答： AE1-L这款示范板正常运行的功耗大概在200mA左右，低功耗模式下大概在5mA左右。

问：和AE1-L接口的MCU有哪些类型？采用什么样的通信接口？

答： AE1_L和MCU的通讯方式是CSI，另外加RTS和CTS两个PIN，也就是说总共5个PIN:CLK、SI、SO、RTS、CTS。DEMO板有两种：78K0和R8C MCU。

问：要支持视频处理功能等多媒体功能,AE1-L需要增加什么外部器件?

答：可以使用带视频解码的MCU或者单独外接视频处理芯片。Renesas有相关带音频和视频解码的MCU，例如SH2A系列。

问：“无机芯”是何具体概念？

在线座谈（Online Seminar）是中电网于2000年推出的创新服务，通过“视频演示＋专家解说＋在线问答”三位一体相结合的形式，充分发挥网络平台的便捷性，实现了先进半导体技术提供商与系统设计工程师的实时互动交流，其形式和内容都广受电子行业工程师的好评。本刊每期将挑选一些精华内容整理成文，以飨读者。欲了解更多、更详细的内容，敬请登录http://seminar.eccn.com。