ADI 三轴加速度计 ADXL317 在车载拾音上的应用

时间:2024-11-05 08:57来源:Terry Yuan 公司:骏龙科技

摘要:本文主要介绍车载拾音类产品的表现形式、声学传感器的类型、选择和ADI三轴加速度计ADXL317在车载拾音上的应用。

《ADI 音频在 PCBA 里的通用传输格式》《深入了解数字音频接口 TDM 在软硬件配置中的问题》两篇文章中,我们介绍过目前关于汽车音频主流的一些架构和设计思路,也聊过数字音频格式里面的一些主流格式和配置方法。基于此,本文将介绍在这个架构之上的一些边缘应用的设计思路,主要围绕拾音类的相关应用展开描述。
目前在车上做的拾音类产品主要有四种表现形式:
l 第一种是以 A2B 作为加解串芯片加 PDM 数字麦克风的拾音应用,主要用于采集人声,或者采集特定部位的噪声;
l 第二种是 A2B 加振动传感器,主要用于采集避震、发动机引擎等低频率高振幅度的相关噪声,后面会展开说明为什么要用它进行采集;
l 第三钟是 A2B 加 PDM 麦克风加扬声器,主要用于头枕类的应用,一方面做分区的人声采集,另一方面进行分区音乐播放;
l 第四个是 A2B 加无线音频接收芯片,配合一些麦克风做车载卡拉 OK (目前运用的不算特别多),功放暂时不涉及。
 
声学传感器的类型和选择
在声学传感器的选择中,一般要根据环境来确定。在麦克风领域,我们熟悉的就有很多种选择,诸如:电容式麦克风、动圈麦克风、铝带麦克风、驻极体麦克风等等。这些麦克风各有特点,大家可根据需求合理选择。
例如在录音棚里,我们所用的一般都是电容式麦克风,因为需要捕捉很多声音的细节和比较高的动态,而面对高声压的设备,我们一般就用动圈式麦克风。在车载上,用的最多的就是电容与驻极体的模拟麦克风了,但是随着新型硅传感器的普及,使用量将会越来越多。数字硅麦克风一方面便于和数字信号的相关芯片连接,另一方面体积比较小,在人声这些频段,动态大,且 SNR 相当优秀。
 
三轴MEMS拾音
首先为大家介绍三轴 MEMS 拾音产品存在的意义。在传统汽车厂商的设计中,因为在车上进行语音通信时,使用手机会比较不方便,所以汽车厂商一般会在车身拆分麦克风和扬声器这 2 个独立的单元。在麦克风单元上,以前模拟类型的麦克风用的最多的就是驻极体麦克风(ECM)类型,ECM 类型的驻极体一般具备高通的特性以及调整成超心型极性图,通过长长的导线进行传输,固有的一些缺陷是对于低频段拾音能力的不足,以及 SNR 噪声的引入,所以三轴 I2S 加速度计就有其存在的意义。
目前我们主要用到的芯片是 ADI 的 ADXL317,它是一款 3 轴 ±16g I2S 数字加速度计,它能做到的就是拾取三轴的振动噪声数据,将之直接转换为数字音频格式传输到音频链路中进行处理,主要应用在 RNC 和 ANC 这些领域,这是我们用一般硅 MEMS 还有驻极体拾音器所拾取不到的,或者拾取到也是噪声源样本太过于不精确,会妨碍我们的功能处理。下图 (图1) 为 ADXL317 内部框架图: 

图1 ADXL317 内部框架图
从图中看出,显示三轴的物理 sensor,将振动信号倒入到 SENSE ELECTRONICS,转换为电信号后,三轴对应三个 ADC,进行数字量的转化,再进行一个高切,这个地方是减少高频噪声,且它的频响主要集中在低频段,最后转化为 IIS 音频信号传出来。总体来看,IIC 进行控制,出三轴 IIS 数据,可以和 A2B 完美搭配,做成模块,方便安装到待测目标点位。
对于这个设备最关键的一些指标 — 带宽、分辨率、位深、延时和噪声,带宽用户可选带宽 500hz~4Khz,48khz 14bit 数据,90us 延时以及 xy 轴 55ug/hz 的相关噪声,它们已经足够覆盖应用。目前该器件支持 TDM2/4/8,位深一般是 16bits 或 32bits。
目前用来配合应用的温漂、轴向线性可以根据手册图示查看,但在设计时要注意,重力是一个恒定的 +1g 的加速度力,会影响整体,所以在应用设计时要考虑到重力因素,它对这种低克重加速度计影响很大。同时在安装时应该考虑到不同方位对不同轴向的影响,从而对 1g 进行加减。

图2 重力加速度响应
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,具体的配对方式在ADI 音频在 PCBA 里的通用传输格式一文中有详细介绍过,这里就不过多赘述了。值得注意的是,这边 IIC 只支持 100khz 的传输速率,请勿选择 400khz 速率的传输方式。
接下来介绍对于该器件的初始化顺序:
1. 3.3V 的供电起来后,等待 1ms 再进行寄存器的读写。
2. 启动后该器件有 DEVID 寄存器是只读的,通过读取 DEVID_ID0 寄存器来确定连接还有命令序列是否正确,该值要等于 0x22。
3. 要先向 USER_REG_KEY 寄存器写入密钥,不然其他可写寄存器的写入都被忽略,可以理解为就是一个锁,要先写 0xBC & 0x43 写入 0x80,解锁后就可以正常写入,注意要单字节写入,不能以 buffer 形式写。
4. 轴位配置,每个轴有自己的数字滤波器,包括 CIC,低通 IIC,高通滤波器,默认是 4khz,具体自己进行选择。
1. 配置 TDM 的相关信息,一般是 IIS_CFG0/1、CLOCK_RATE,可以配置 TDM 的封装格式、速率等其他基础配置。
涉及到一些单位换算,数据格式的抽取与转化,大家可以参考ADXL317 quick start User guide。
 
自检查模式
ADXL317 分别有正自检、负自检还有交流自检查模式,分别是 XY:+3.6g,Z:+6.6g,负自检为负值,交流自检时 100Hz 的方波。第一次上单时,一般是需要对设备进行自检的,大部分三轴 MEMS 都是如此,为了保证采样的足够精准,所以基本上都会进行这样一个过程。
与之对应,我们是通过 x_ST_AC & x_ST_POS & x_ST_NEG 这三个位来控制具体的自检类型 (正负自检以及交流自检)。同时要考虑重量问题,不然很容易校准掉。具体自检步骤在 datasheet-pg16 有相关描述。由于 TDM 格式和 IIC 格式基本是一些基础配置,这里也不过多赘述,下面介绍滤波器涉及到延时以及噪声等相关因素:
• Low-pass CIC filter,始终开启,可选角频率7.66khz,3.83khz,1.91khz,957hz。
• Low-pass IIR filter,使能开启,可选角频率5khz,2.5khz,1.25khz,625hz。
• High-pass filter,使能开启,可选角频率29.8hz,7.46hz,1.85hz,0.46hz。
在配置时,对截止频率的选择,需要我们在代测物的相关频率范围、有效带宽、噪声和延时中做均衡。频率越高,延时越小,噪声越大;频率越低,噪声越小,但是延时高,因此要尽可能的平衡以达到最佳效果。

图3 ADXL317 相关滤波器指标图示
根据上文的一些相关描述,以下给出一版 ADXL317 初始化配置,供大家参考:

图4 ADXL317 初始化配置
 
总结
除上面介绍的三轴 MEMS 拾音外,对于麦克风阵列的相关车载拾音设计还有头枕类,这个比较简单,一个是多 PDM 麦克风阵列,一个是麦克风阵列与 AMP 一起的产品,注意以上这些都是直接和 A2B 一起连接设计,用于汽车各个部位的拾音,可以用于汽车做的 AEC,ANC、RNC 等多场景。目前 RNC 因为价格比较高,还只在一些高端的车型上体现,以后整体成本下降,会用的越来越多。
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