探索 AURIX™ 音频应用套件：硬件设计与网络音频应用剖析

引言

在当今的音频技术领域，开发一套高效且多功能的音频应用套件至关重要。Infineon Technologies AG 推出的 AURIX™ 音频应用套件（Audio Application Kit）为音频开发者提供了强大的工具。本文将深入剖析该套件的硬件设计和网络音频应用，带领大家了解其特点和技术细节。

文件下载：Infineon Technologies KIT_A2G_MIC_ARRAY AURIX™麦克风阵列板.pdf

套件概述

AURIX™ 音频应用套件包含音频屏蔽板（Audio Shield Board）和麦克风阵列板（Microphone Array Board）两块电路板。它必须与 AURIX™ lite Kit V2（配备 SAK - TC375TP96F300W 微控制器）配合使用，单独使用或与其他微控制器套件搭配均无法正常工作。其中，音频屏蔽板可与 AURIX™ lite Kit V2 独立使用，而麦克风阵列板的运行还需要音频屏蔽板的支持。

规格参数

板块	相关设备及参数
音频屏蔽板	音频放大器：Infineon MERUS™ MA12070P；麦克风：Infineon XENSIV™ IM67D120A（AEC - Q103 合格）；电源：多个 Infineon OPTIREGTM 系列器件；音频编解码器：NXP SGTL5000；音频 PLL：Cirrus Logic CS2000CP - CZZ；参考振荡器：ECS 7050MV - 245.7 - BN - TR（24.576 MHz）；尺寸：68.5x53.3 mm；电源：可选 3.3V 从 AURIX T lite Kit v2 供电或 12V 到 24V 外部输入；连接器：多种类型（音频输入、耳机输出、电源输入、立体声音频放大器输出等）；其他：反向极性保护等
麦克风阵列板	麦克风：Infineon XENSIV™ IM67D120A（AEC - Q103 合格）；时钟分配：Texas Instruments LMK1C1108；尺寸：131.0x66.04 mm；电源：3.3V 由 AURIX™ lite Kit V2 提供；其他：12 个 360° 圆形排列的 LED 和 3 个通用状态 LED

硬件设计详解

音频屏蔽板

1. 系统概念
   • I²S 仿真：AURIX™ TC3xx 系列本身没有原生的 I²S / TDM 接口，但可通过使用排队 SPI（Q - SPI）模块在从操作模式下与通用定时器模块（GTM）作为时钟发生器来仿真该接口，在系统级别上模拟 I²S / TDM 主接口。外部音频参考时钟通过定时器输入模块（TIM）注入到 GTM 集群中，为定时器输出模块（TOM）阵列提供时钟。TOM 对输入时钟进行分频，以生成如 WCLK、BCLK、MCLK 等时钟信号。由于 QSPI 模块仅支持 CPOL = 1 的从操作模式，因此需要一个与 BCLK 反相的时钟来驱动 QSPI 模块。QSPI 的从选择输入连接到一个处于单次定时器模式的 TOM，该 TOM 将生成一个与 I²S 数据字的第一个最高有效位（MSB）同步的高 - 低转换脉冲。通过自由配置所有 TOM 的周期时间和占空比，几乎可以实现任何音频接口配置（如 I²S、TDM、C’9 等）。
   • 基于软件抽取的 PDM 麦克风接口：该仿真概念还允许同时连接立体声 PDM（双数据速率）流和 I²S 输出，这对于立体声配置的 MEMS 麦克风非常有用。在这种情况下，QSPI - CLK 的频率可以设置为 I²S - BCLK / PDM - CLK 的两倍，以便锁存左右声道的 PDM 位。同时，QSPI 可以输出与正常 I²S - BCLK 相关的 PCM - I²S 数据流。在 TriCore 内部，可以使用“SPIT”汇编命令将交错的 PDM 流有效地恢复到两个单独的 PDM 缓冲区中，对于需要将单数据位有效加倍的 PCM 输出，则可以使用“MEE”命令。恢复交错的 PDM 流后，可以将 PDM 位抽取/滤波为 PCM 样本，常见的抽取率为 64，有多种算法可用于实现这种抽取。
2. 电源供应
   • 内部供电：可从 AURIX™ lite Kit V2 的 3.3V 电源供电，此时麦克风、时钟和音频编解码器等功能可用，但音频放大器无法使用。需要将 3V3 供电跳线设置为“LK”，LK 供电跳线可忽略。
   • 外部供电：若需要使用音频放大器，则需通过螺丝端子向电路板外部提供 12V 到 24V 的电源。根据使用的扬声器负载和所需的放大器功率，电源应能够在 24V 时提供高达 6A 的峰值电流，否则瞬态输出功率将受到限制，最坏情况下可能导致系统复位。在这种供电模式下，AURIX™ lite Kit V2 也可通过音频屏蔽板反向供电，3.3V 电源域也可由本地低压差线性稳压器（LDO）供电。3V3 供电跳线可忽略，但必须设置其中一个选项；若要反向为 AURIX™ lite Kit V2 供电，则需设置 LK 供电跳线。
3. 音频输入和输出：默认情况下，配备两个 3.5mm 立体声插孔，用于连接外部音频设备，如耳机或 MP3 播放器。若需要将音频输出连接到外部音频设备（如 Hi - Fi 接收器），可使用“LINE OUT”接口。所有三个端口均连接到 SGTL5000 音频编解码器。需注意，耳机接地端（Headphone - GND）有直流偏置，因此不要在耳机接地端和全局接地端之间进行外部连接，该端口主要用于连接耳机，若要连接其他设备，建议使用音频隔离变压器。
4. 音频放大器
   • 立体声 BTL 操作：默认情况下，MA12070P 音频放大器配置为 BTL（桥接负载）操作模式，可连接一对最小阻抗为 4 欧姆的立体声扬声器。
   • 单声道 PBTL 操作：可对音频屏蔽板进行修改，使 MA12070P 工作在 PBTL（并联桥接负载）模式。在此模式下，放大器作为单声道放大器工作，可驱动低至 2 欧姆的负载，仅使用 I²S 总线上的左声道样本，右声道样本作为虚拟样本。需要进行两项修改：在 PCB 电阻焊盘上放置一个 0402 的 0 欧姆电阻或进行焊桥连接；在两个正输出端和两个负输出端之间进行线连接。修改完成后，可连接单声道扬声器，但需注意，根据 MA12070P 的组装设计步骤，在 PBTL 模式下，削波指示灯可能会持续亮起。
   • I²C 操作和音频格式：默认情况下，I²C 总线与 MA12070P 断开连接，因为在某些情况下，I²C 总线可能会被阻塞。MA12070P 上电复位后的默认音频格式配置为 232 位数据帧、BCLK = 64 fs 和左对齐 I²S 格式。若需要更改音频格式或进行进一步的高级配置（如电源模式或限幅器设置），则需要在底部桥接两个焊锡跳线。但需注意，若在没有外部电源的情况下使用音频屏蔽板（MA12070P 未供电且 I²C 跳线已桥接），I²C 总线可能无法正常工作。
5. 外部音频 ADC / DAC：为了对 XENSIV™ IM67D120A 麦克风或 MERUS™ MA12070P 放大器进行进一步的性能评估（特别是信噪比测量），板载编解码器的音频性能可能不足。此时，建议通过排线连接外部音频 ADC / DAC，或者通过以太网连接进行无压缩音频流传输。

麦克风阵列板

1. 系统概念：PDM 麦克风可以通过使用增强型 Delta - Sigma 模数转换器（EDSADC）模块进行连接，该模块可以绕过内部模拟 Delta - Sigma 调制器，从而使滤波器结构可以直接从麦克风获取 PDM 数据。EDSADC 具有可配置的抽取率，范围为 4 到 512。为了使音频流与专用音频时钟源同步（在本套件中，与顶部音频屏蔽板上的其他音频设备同步），可以向 EDSADC 提供外部 PDM 时钟。在本套件中，PDM 时钟由 TOM0CH8 生成，该时钟与其他音频时钟（如 MCLK、BCLK、WCLK 等）同步。由于时钟信号需要分配到 8 个不同的时钟接收器，因此在设计中集成了一个时钟缓冲器设备。

软件支持

工具链

Aurix™ 音频应用套件和 Aurix™ lite Kit V2 可与多种开发工具配合使用，包括 Infineon 的免费基于 Eclipse 的 IDE Aurix™ Development Studio 或 HIGHTEC 的基于 Eclipse 的 FreeEntryToolchain。Aurix™ Development Studio 是一个全面的开发环境，包括 C 编译器、多核调试器和 Infineon 的低级别驱动程序（iLLD），无时间和代码大小限制，可实现应用代码的编辑、编译和调试。FreeEntryToolchain 是一个完整的 C / C++ 开发环境，包含 PLS - MC 的源级 UDE 调试器，同样基于 Infineon 的低级别驱动程序（iLLD）。

代码示例

Infineon 的 GitHub 频道上为 AURIX™ 音频应用套件提供了一个专用的代码库，其中包含进一步的支持材料和基本的代码示例。所有这些代码示例均使用 Aurix™ Development Studio 开发，可直接使用，无需进一步修改。开发者可定期查看该代码库，以获取新的或更新的代码示例。

网络音频应用提示

使用以太网 PPS 作为音频参考时钟

对于高性能音频网络（如 AVB），可能需要从网络分布式媒体时钟（如 AVB CRF 流）中导出本地音频时钟。可以使用以太网 MAC 的 PPS 输出引脚在灵活 PPS 模式下（在与 IEEE 802.1AS gPTP 时钟相关的指定时间戳处生成脉冲）本地恢复媒体时钟。该时钟信号可通过板载 CS2000CP - CZZ PLL 恢复为 24.576 MHz 参考时钟。

1. 基于硬件的方法：PPS 信号仅在 P14.4 上可用，由于该引脚未连接到屏蔽头，因此需要在 AURIX™ lite Kit V2 和音频屏蔽板之间进行手动焊接线连接。同时，在软件中需确保 P10.4 处于高阻态。
2. 基于软件的方法：可以在 P10.4 上软件模拟 PPS 输出。使用以太网 MAC 的 PPS 中断信号触发 GTM TOM2CH6（在 P10.4 上可用），以单触发模式输出脉冲。

音频 PTP 交叉时间戳

除了时钟恢复外，通常还需要在音频时钟（通常是 WCLK）和 PTP 时间之间实现精确的交叉时间戳。在 Aurix™ 中，建议将模拟音频接口与直接内存访问（DMA）结合使用，采用双缓冲操作模式。这样可以在每次缓冲区切换时直接在硬件中生成 PTP 交叉时间戳，无需 CPU 干预，从而使音频时钟以低于 50ns 的精度间接进行时间戳标记。

综上所述，AURIX™ 音频应用套件在硬件设计和网络音频应用方面都具有丰富的功能和灵活性。电子工程师们可以根据具体需求，充分利用该套件的特点，开发出高质量的音频应用系统。大家在使用过程中，有没有遇到什么特别的问题或者有独特的应用思路呢？欢迎一起交流探讨。