ADI三軸加速度計(jì)ADXL317在車載拾音上的應(yīng)用

在《ADI 音頻在 PCBA 里的通用傳輸格式》和《深入了解數(shù)字音頻接口 TDM 在軟硬件配置中的問(wèn)題》兩篇文章中，我們介紹過(guò)目前關(guān)于汽車音頻主流的一些架構(gòu)和設(shè)計(jì)思路，也聊過(guò)數(shù)字音頻格式里面的一些主流格式和配置方法?；诖耍疚膶⒔榻B在這個(gè)架構(gòu)之上的一些邊緣應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路，主要圍繞拾音類的相關(guān)應(yīng)用展開(kāi)描述。

目前在車上做的拾音類產(chǎn)品主要有四種表現(xiàn)形式：

第一種是以 A2B 作為加解串芯片加 PDM 數(shù)字麥克風(fēng)的拾音應(yīng)用，主要用于采集人聲，或者采集特定部位的噪聲；

第二種是 A2B 加振動(dòng)傳感器，主要用于采集避震、發(fā)動(dòng)機(jī)引擎等低頻率高振幅度的相關(guān)噪聲，后面會(huì)展開(kāi)說(shuō)明為什么要用它進(jìn)行采集；

第三種是 A2B 加 PDM 麥克風(fēng)加揚(yáng)聲器，主要用于頭枕類的應(yīng)用，一方面做分區(qū)的人聲采集，另一方面進(jìn)行分區(qū)音樂(lè)播放；

第四種是 A2B 加無(wú)線音頻接收芯片，配合一些麥克風(fēng)做車載卡拉 OK (目前運(yùn)用的不算特別多)，功放暫時(shí)不涉及。

聲學(xué)傳感器的類型和選擇

在聲學(xué)傳感器的選擇中，一般要根據(jù)環(huán)境來(lái)確定。在麥克風(fēng)領(lǐng)域，我們熟悉的就有很多種選擇，諸如：電容式麥克風(fēng)、動(dòng)圈麥克風(fēng)、鋁帶麥克風(fēng)、駐極體麥克風(fēng)等等。這些麥克風(fēng)各有特點(diǎn)，大家可根據(jù)需求合理選擇。

例如在錄音棚里，我們所用的一般都是電容式麥克風(fēng)，因?yàn)樾枰蹲胶芏嗦曇舻募?xì)節(jié)和比較高的動(dòng)態(tài)，而面對(duì)高聲壓的設(shè)備，我們一般就用動(dòng)圈式麥克風(fēng)。在車載上，用的最多的就是電容與駐極體的模擬麥克風(fēng)了，但是隨著新型硅傳感器的普及，使用量將會(huì)越來(lái)越多。數(shù)字硅麥克風(fēng)一方面便于和數(shù)字信號(hào)的相關(guān)芯片連接，另一方面體積比較小，在人聲這些頻段，動(dòng)態(tài)大，且 SNR 相當(dāng)優(yōu)秀。

三軸 MEMS 拾音

首先為大家介紹三軸 MEMS 拾音產(chǎn)品存在的意義。在傳統(tǒng)汽車廠商的設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵谲嚿线M(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí)，使用手機(jī)會(huì)比較不方便，所以汽車廠商一般會(huì)在車身拆分麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器這 2 個(gè)獨(dú)立的單元。在麥克風(fēng)單元上，以前模擬類型的麥克風(fēng)用的最多的就是駐極體麥克風(fēng) (ECM) 類型，ECM 類型的駐極體一般具備高通的特性以及調(diào)整成超心型極性圖，通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線進(jìn)行傳輸，固有的一些缺陷是對(duì)于低頻段拾音能力的不足，以及固定噪聲的引入，所以三軸 I2S 加速度計(jì)就有其存在的意義。

目前我們主要用到的芯片是 ADI 的 ADXL317，它是一款 3 軸 ±16g I2S 數(shù)字加速度計(jì)，它能做到的就是拾取三軸的振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)，將之直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻格式傳輸?shù)揭纛l鏈路中進(jìn)行處理，主要應(yīng)用在 RNC 和 ANC 這些領(lǐng)域，這是我們用一般硅 MEMS 還有駐極體拾音器所拾取不到的，或者拾取到也是噪聲源樣本太過(guò)于不精確，會(huì)妨礙我們的功能處理。下圖 (圖1) 為 ADXL317 內(nèi)部框架圖：

圖1 ADXL317 內(nèi)部框架圖

從圖中看出，顯示三軸的物理 sensor，將振動(dòng)信號(hào)倒入到 SENSE ELECTRONICS，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，三軸對(duì)應(yīng)三個(gè) ADC，進(jìn)行數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，再進(jìn)行一個(gè)高切，這個(gè)地方是減少高頻噪聲，且它的頻響主要集中在低頻段，最后轉(zhuǎn)化為 IIS 音頻信號(hào)傳出來(lái)。總體來(lái)看，IIC 進(jìn)行控制，出三軸 IIS 數(shù)據(jù)，可以和 A2B 完美搭配，做成模塊，方便安裝到待測(cè)目標(biāo)點(diǎn)位。

對(duì)于這個(gè)設(shè)備最關(guān)鍵的一些指標(biāo) — 帶寬、分辨率、位深、延時(shí)和噪聲，帶寬用戶可選帶寬 500hz~4Khz，48khz 14bit 數(shù)據(jù)，90us 延時(shí)以及 xy 軸 55ug/hz 的相關(guān)噪聲，它們已經(jīng)足夠覆蓋應(yīng)用。目前該器件支持 TDM2/4/8，位深一般是 16bits 或 32bits。

目前用來(lái)配合應(yīng)用的溫漂、軸向線性可以根據(jù)手冊(cè)圖示查看，但在設(shè)計(jì)時(shí)要注意，重力是一個(gè)恒定的 +1g 的加速度力，會(huì)影響整體，所以在應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到重力因素，它對(duì)這種低克重加速度計(jì)影響很大。同時(shí)在安裝時(shí)應(yīng)該考慮到不同方位對(duì)不同軸向的影響，從而對(duì) 1g 進(jìn)行加減。

圖2 重力加速度響應(yīng)

I2S 的一般支持 3.072Mhz 的 32bit-IIS 或者 16bit-TDM4，或者 6.144Mhz 的 32bit-TDM4 以及 16bit-TDM8，具體的配對(duì)方式在《ADI 音頻在 PCBA 里的通用傳輸格式》一文中有詳細(xì)介紹過(guò)，這里就不過(guò)多贅述了。值得注意的是，這邊 IIC 只支持 100khz 的傳輸速率，請(qǐng)勿選擇 400khz 速率的傳輸方式。

接下來(lái)介紹對(duì)于該器件的初始化順序：

3.3V 的供電起來(lái)后，等待 1ms 再進(jìn)行寄存器的讀寫(xiě)。

啟動(dòng)后該器件有 DEVID 寄存器是只讀的，通過(guò)讀取 DEVID_ID0 寄存器來(lái)確定連接還有命令序列是否正確，該值要等于 0x22。

要先向 USER_REG_KEY 寄存器寫(xiě)入密鑰，不然其他可寫(xiě)寄存器的寫(xiě)入都被忽略，可以理解為就是一個(gè)鎖，要先寫(xiě) 0xBC & 0x43 寫(xiě)入 0x80，解鎖后就可以正常寫(xiě)入，注意要單字節(jié)寫(xiě)入，不能以 buffer 形式寫(xiě)。

軸位配置，每個(gè)軸有自己的數(shù)字濾波器，包括 CIC，低通 IIC，高通濾波器，默認(rèn)是 4khz，具體自己進(jìn)行選擇。

配置 TDM 的相關(guān)信息，一般是 IIS_CFG0/1、CLOCK_RATE，可以配置 TDM 的封裝格式、速率等其他基礎(chǔ)配置。

涉及到一些單位換算，數(shù)據(jù)格式的抽取與轉(zhuǎn)化，大家可以參考 ADXL317 quick start User guide。

自檢查模式

ADXL317 分別有正自檢、負(fù)自檢還有交流自檢查模式，分別是 XY：+3.6g，Z：+6.6g，負(fù)自檢為負(fù)值，交流自檢時(shí) 100Hz 的方波。第一次上電時(shí)，一般是需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行自檢的，大部分三軸 MEMS 都是如此，為了保證采樣的足夠精準(zhǔn)，所以基本上都會(huì)進(jìn)行這樣一個(gè)過(guò)程。

與之對(duì)應(yīng)，我們是通過(guò) x_ST_AC & x_ST_POS & x_ST_NEG 這三個(gè)位來(lái)控制具體的自檢類型 (正負(fù)自檢以及交流自檢)。同時(shí)要考慮重量問(wèn)題，不然很容易校準(zhǔn)錯(cuò)誤。具體自檢步驟在 datasheet-pg16 有相關(guān)描述。由于 TDM 格式和 IIC 格式基本是一些基礎(chǔ)配置，這里也不過(guò)多贅述，下面介紹濾波器涉及到延時(shí)以及噪聲等相關(guān)因素：

Low-pass CIC filter，始終開(kāi)啟，可選角頻率 7.66khz，3.83khz，1.91khz，957hz。

Low-pass IIR filter，使能開(kāi)啟，可選角頻率 5khz，2.5khz，1.25khz，625hz。

High-pass filter，使能開(kāi)啟，可選角頻率 29.8hz，7.46hz，1.85hz，0.46hz。

在配置時(shí)，對(duì)截止頻率的選擇，需要我們?cè)诖鷾y(cè)物的相關(guān)頻率范圍、有效帶寬、噪聲和延時(shí)中做均衡。頻率越高，延時(shí)越小，噪聲越大；頻率越低，噪聲越小，但是延時(shí)高，因此要盡可能的平衡以達(dá)到最佳效果。

圖3 ADXL317 相關(guān)濾波器指標(biāo)圖示

根據(jù)上文的一些相關(guān)描述，以下給出一版 ADXL317 初始化配置，供大家參考：

圖4 ADXL317 初始化配置

總結(jié)

除上面介紹的三軸 MEMS 拾音外，對(duì)于麥克風(fēng)陣列的相關(guān)車載拾音設(shè)計(jì)還有頭枕類，這個(gè)比較簡(jiǎn)單，一個(gè)是多 PDM 麥克風(fēng)陣列，一個(gè)是麥克風(fēng)陣列與 AMP 一起的產(chǎn)品，注意以上這些都是直接和 A2B 一起連接設(shè)計(jì)，用于汽車各個(gè)部位的拾音，可以用于汽車做的 AEC，ANC、RNC 等多場(chǎng)景。目前 RNC 因?yàn)閮r(jià)格比較高，還只在一些高端的車型上體現(xiàn)，以后整體成本下降，會(huì)用的越來(lái)越多。