DVD處理器ES60X8在汽車音響系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2003年第5期

摘   要： 本文簡(jiǎn)要了介紹ES60X8系列DVD處理器，給出了以ES60X8為基礎(chǔ)的車載DVD音響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各模塊間的接口設(shè)計(jì)；著重介紹了外接SDRAM的電子抗震設(shè)計(jì)和PCB抗干擾設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： DVD；汽車音響；電子抗震；PCB抗干擾設(shè)計(jì)

引言
近年來(lái)隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的興起，與之相關(guān)的汽車多媒體技術(shù)也蓬勃發(fā)展起來(lái)。目前的汽車多媒體主要集中在視聽技術(shù)方面。而DVD技術(shù)的成熟，給人們帶來(lái)了清晰度更高、聽覺(jué)感受更加完美、播放時(shí)間更長(zhǎng)的視聽效果，代表了當(dāng)今汽車音響業(yè)界的發(fā)展方向。
汽車音響設(shè)計(jì)比家用音響設(shè)計(jì)有著更高的要求：由于汽車音響使用空間小、環(huán)境溫度高，這就要更多地考慮抗高溫抗干擾設(shè)計(jì)；同時(shí)，常有路面不平而造成顛簸的運(yùn)行環(huán)境，這就要考慮汽車音響的抗干擾設(shè)計(jì)。
本文介紹的車載DVD音響系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)模塊化、集成化、通用化，聲像性能優(yōu)越，抗震性好的特點(diǎn)。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
音響系統(tǒng)的編/解碼系統(tǒng)有兩種基本實(shí)現(xiàn)方法：一種是采用高速通用微處理器如DSP芯片，由DSP芯片身兼編/解碼功能與系統(tǒng)控制功能，具有較好的靈活性和適應(yīng)性。然而對(duì)DSP性能、開發(fā)要求和成本要求高，不利于生產(chǎn)廠家批量生產(chǎn)。另一種是采用成熟的專用視頻芯片與性能要求不高的主控CPU構(gòu)建。采用第二種方案與采用DSP進(jìn)行全面的自行開發(fā)設(shè)計(jì)相比，將大大地減少硬件規(guī)模，縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，減少生產(chǎn)成本。
本系統(tǒng)采用DVD處理器ES60X8與主控CPU TMP87CH47U作為主構(gòu)件，能夠?qū)崿F(xiàn)CD、VCD、MP3、DVD等多種格式的音響播放。ES60X8系列DVD處理器是ESS公司的產(chǎn)品，它包括兩個(gè)并行處理單元，一個(gè)RISC處理器，一個(gè)向量引擎，和額外的硬件資源來(lái)執(zhí)行特定的編碼/解碼任務(wù)。這些資源與兩個(gè)分立的數(shù)據(jù)總線連接。ES60X8內(nèi)建視頻DAC，視頻編碼，直接輸出模擬視頻信號(hào)，有效簡(jiǎn)化外圍電路。伺服電路讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)ES60X8直接輸出模擬視頻信號(hào)與數(shù)字音頻信號(hào)；ES60X8以EPROM作為程序/數(shù)據(jù)外部存儲(chǔ)器，以SDRAM作為顯示存儲(chǔ)器。由于ES60X8進(jìn)行了所有關(guān)于音頻/視頻信號(hào)的處理，主控CPU并不需要地址/數(shù)據(jù)總線，所以主控CPU僅需控制ES60X8與處理LCD顯示面板及遙控器操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用的主要元器件有：
* ESS公司的208引腳QFP封裝DVD處理器ES60X8進(jìn)行MPEG1、MPEG2的音頻/視頻數(shù)據(jù)流處理。ES60X8可以支持DVD-Video， DVD-Audio， Video CD 1.1， 2.0， 3.0， Super Video CD (SVCD)， CD-DA，MP3， Kodak Picture-CD。同時(shí)內(nèi)建4個(gè)10位視頻DAC，提供模擬視頻信號(hào)輸出，省卻在外圍電路添加視頻DAC。
* 系統(tǒng)主CPU采用Toshiba的44引腳QFP封裝TMP87CH47U。它是主頻為8MHz的8位高性能微控制器。包含CPU內(nèi)核、ROM、RAM、I/O端口等完善的配置。同時(shí)具有看門狗(Watch Dog)定時(shí)器，5種節(jié)電方式，并且提供可以直接驅(qū)動(dòng)LED的大電流輸出能力。
* 音頻D/A元件采用24位的WM8706，最高采樣頻率192KHz，帶有音量控制的立體聲DAC。

圖2  DMA方式連線圖

ES60X8的周邊接口設(shè)計(jì)
ES60X8在汽車音響中的周邊接口設(shè)計(jì)主要包括：與主控CPU接口、與音頻DAC(WM8706)接口、與程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EPROM接口、與伺服電路接口。
ES60X8與主控CPU接口
ES60X8提供VFD(Vacuum  Fluorescent Display，真空熒光顯示屏)接口。
由于車載DVD系統(tǒng)一般要求即使在不放碟時(shí)系統(tǒng)主控CPU仍在低功耗運(yùn)行，此時(shí)提供顯示面板上的當(dāng)前時(shí)間顯示，主控CPU對(duì)ES60X8輸出待機(jī)控制信號(hào)。
主控CPU向ES60X8提供VFD的時(shí)鐘信號(hào)、VFD控制信號(hào)；ES60X8則通過(guò)VFD接口向主控CPU提供串行VFD數(shù)據(jù)信號(hào)。
ES60X8與音頻DAC(WM8706)接口
ES60X8的音頻接口是雙向串行口，能與外部ADC/DAC連接，提供I2S格式的PCM音頻數(shù)據(jù)。ES60X8提供兩種音頻接口模式：
*立體聲，使用TSD0引腳傳輸串行音頻數(shù)據(jù)。
*AC-3和DTS5.1聲效，使用TSD0~TSD2傳輸音頻數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)采用的是立體聲聲效，ES60X8向音頻DAC(WM8706)提供音頻DAC時(shí)鐘，音頻數(shù)據(jù)輸出(引腳TSD0)與音頻傳輸幀同步信號(hào)(引腳TWS)。
ES60X8與EPROM接口
ES60X8外接EPROM作為開機(jī)畫面數(shù)據(jù)與部分顯示程序存儲(chǔ)器。
ES60X8與伺服電路接口
系統(tǒng)使用的是三洋DVD機(jī)芯，它采用雙光頭設(shè)計(jì)，能夠兼讀DVD、VCD 、CD、MP3。機(jī)芯隨機(jī)配套伺服電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)約了開發(fā)成本。
ES60X8與伺服電路接口主要包括控制信號(hào)與16位數(shù)據(jù)信號(hào)。

電子抗震設(shè)計(jì)：16MB SDRAM
一般的家用DVD播放機(jī)在播放碟片時(shí)并不會(huì)出現(xiàn)劇烈搖晃的外部播放條件，從而不需要考慮播放機(jī)的抗震問(wèn)題；然而，車載DVD播放機(jī)的運(yùn)行環(huán)境大大不同。由于一般的路面都會(huì)有小的不平整，會(huì)對(duì)碟片的播放造成一定的影響，如播放稍有停滯；在較大幅度的震動(dòng)時(shí)(這是車載系統(tǒng)的一個(gè)不可避免的情況)，沒(méi)有抗震能力的播放機(jī)就會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的停頓現(xiàn)象，到恢復(fù)正常讀碟甚至可能耗時(shí)4~8秒。
我們?cè)O(shè)計(jì)的車載DVD系統(tǒng)在機(jī)械上采用TPE硅油阻尼器減震設(shè)計(jì)；同時(shí)，在電路設(shè)計(jì)上增加一片16MB的SDRAM作為電子抗震手段，從而即使在大幅度、長(zhǎng)時(shí)間的震動(dòng)環(huán)境下仍能保持流暢的播放效果。
ES60X8提供16位接口，與SDRAM/EDO連接，作為DVD的視頻存儲(chǔ)器。ES60X8外部存儲(chǔ)器接口可以最大尋址128 MB，所以外接SDRAM/EDO的最大存儲(chǔ)容量為16MB。
設(shè)計(jì)中的容量為16MB、存取時(shí)間為9ns的SDRAM足以在兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成訪問(wèn)存儲(chǔ)器的操作，總線訪問(wèn)可以在零等待情況下完成。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是預(yù)讀DVD數(shù)據(jù)到SDRAM中，然后將SDRAM中的數(shù)據(jù)解碼處理。由于標(biāo)準(zhǔn)單面單層DVD容量為4.7GB，播放時(shí)間為135分鐘，理想情況下能獲得16(MB)*135(分)*60(秒/分)/(4.7*1024(MB))=27秒的抗震效果。實(shí)際上由于軟件效率較低等原因而不能達(dá)到27秒，實(shí)測(cè)結(jié)果能抗震6秒左右。為了取得更長(zhǎng)時(shí)間的抗震效果，應(yīng)該軟件上改善數(shù)據(jù)存取效率。
SDRAM的PCB布線應(yīng)注意其信號(hào)線應(yīng)布在元器件層，且使用盡可能短的布線，同時(shí)過(guò)孔也應(yīng)該盡可能的少，以減少由于信號(hào)路線的不連續(xù)而產(chǎn)生的反射現(xiàn)象。在布SDRAM的時(shí)鐘信號(hào)線時(shí)，由于其時(shí)鐘頻率與解碼器的工作頻率相同，要注意合理布線以減少互擾。
同時(shí)，為了加快傳輸大批量數(shù)據(jù)的速度，ES60X8與SDRAM之間采用DMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而不需要占用ES60X8的資源，保證其解碼速度。ES60X8內(nèi)置DMA總線控制器，提供下面幾個(gè)通道的32位數(shù)據(jù)交換：視頻數(shù)據(jù)總線與存儲(chǔ)器；視頻解碼器與存儲(chǔ)器；ESS RISC與存儲(chǔ)器；ESS RISC與視頻數(shù)據(jù)總線。圖2是ES60X8與16MB SDRAM的DMA方式連線圖。
ES60X8的DSCK提供SDRAM的時(shí)鐘信號(hào)；，，，輸出對(duì)SDRAM的控制信號(hào)。DB00~DB15是數(shù)據(jù)線，MA00~MA11是地址線。

抗干擾設(shè)計(jì)
串?dāng)_問(wèn)題
筆者在調(diào)試時(shí)曾經(jīng)碰到不能正常轉(zhuǎn)碟的問(wèn)題，最后發(fā)現(xiàn)是電路板的兩個(gè)地之間連線過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，形成幾十毫歐的電阻造成的問(wèn)題。
由于DVD播放機(jī)中同時(shí)存在數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)，如在本系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)視頻/音頻D/A產(chǎn)生模擬信號(hào)，其中音頻模擬信號(hào)還需要用放大器件進(jìn)行放大。所以在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，模擬地與數(shù)字地要分開布線，最后在一點(diǎn)接于電源地，從而防止信號(hào)串?dāng)_。電源線與地線要盡量粗、寬。除了要減少壓降外，更重要的是減少耦合噪聲。
高溫問(wèn)題
由于汽車音響系統(tǒng)要求體積小(長(zhǎng)寬深為182mm*53mm*160mm)，狹小的空間不利于空氣對(duì)流，加上它一般安裝在汽車前部，離發(fā)動(dòng)機(jī)近，通風(fēng)不良，外部溫度加速本機(jī)升溫過(guò)程。而且內(nèi)置的功放發(fā)熱量很大，一般來(lái)說(shuō)運(yùn)行幾分鐘后，功放IC的溫度可以達(dá)到100℃。而產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的晶振元件若溫度過(guò)高，將產(chǎn)生工作點(diǎn)漂移問(wèn)題。因此，與一般的家用DVD播放機(jī)相比，車載DVD系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要額外地考慮元器件合理布局問(wèn)題及采用適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?br/>車載DVD系統(tǒng)采用的對(duì)溫度敏感的關(guān)鍵元器件都是要求耐高溫的汽車音響專用元器件。如MPEG2解碼IC ES60X8的工作溫度為0℃~70℃，高效率功放IC(TDA7454)的工作溫度為-55℃~150℃。
同時(shí)在播放機(jī)后板加大面積散熱鋁合金，高效率功放IC(TDA7454)設(shè)計(jì)在電路板邊緣，用散熱硅涂料粘貼在鐵質(zhì)機(jī)殼上，一則利于散熱，二則減少對(duì)其它電路特別是小信號(hào)放大器件的干擾。有些車載DVD播放機(jī)還在后板加裝專用的風(fēng)扇進(jìn)行散熱。
使用看門狗定時(shí)器抗干擾
看門狗定時(shí)器是一個(gè)遞減計(jì)數(shù)器，它在經(jīng)過(guò)一個(gè)指定的時(shí)間間隔后復(fù)位微處理器。在一個(gè)正常運(yùn)行的系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件應(yīng)該周期地重啟看門狗定時(shí)器，使看門狗定時(shí)器重新開始遞減定時(shí)。當(dāng)軟件或硬件工作不正常時(shí)，系統(tǒng)并不會(huì)馬上復(fù)位，而是等看門狗定時(shí)器計(jì)時(shí)超時(shí)，產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)。
使用看門狗定時(shí)器能迅速檢測(cè)到CPU運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤(如由噪聲干擾引起的程序“跑飛”狀況)，自動(dòng)將系統(tǒng)復(fù)位到正常運(yùn)行狀態(tài)，可大幅度提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能。
在啟動(dòng)CPU的看門狗定時(shí)器后，在程序運(yùn)行小于定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間內(nèi)，應(yīng)該在程序中設(shè)置重啟看門狗定時(shí)器指令，否則會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。同時(shí)，高效的看門狗定時(shí)器設(shè)計(jì)應(yīng)該是重啟看門狗定時(shí)器指令數(shù)量最少的。這兩方面是一對(duì)矛盾，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮。所以，在編寫系統(tǒng)軟件時(shí)，何處安放重啟看門狗定時(shí)器指令是看門狗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。這需要正確估計(jì)程序運(yùn)行的各種可能情況(如程序中的各種轉(zhuǎn)跳、嵌套)所需要的時(shí)間，可以同時(shí)采用流程圖分析與系統(tǒng)仿真來(lái)分析。

結(jié)語(yǔ)
所設(shè)計(jì)的基于ES60X8 DVD處理器與8位微處理器TMP87CH47U的車載音響系統(tǒng)已經(jīng)順利通過(guò)測(cè)試，并在國(guó)內(nèi)某汽車音響廠家批量生產(chǎn)。今后需要進(jìn)行的改進(jìn)是在軟硬件優(yōu)化問(wèn)題上，以進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能。■

參考文獻(xiàn)
1 ES60X8/18/28/38 Vibratto  DVD Processor Solutions Data Sheet. ESS Technology. Inc. 2001
2 TMP87C447U/TMP87C847U/TMP87CH47U/TMP87C847LU/TMP87CH47LU. Toshiba
3 Data Sheet of WM8706，Wolfson Microelectronics Ltd. June 2002
4 Data Sheet of TDA7454. ST Microelectronics. October 1999
5 The Ten Commandments of Excellent Design. Peter Chambers. VLSI Technology. Inc. 1997
6 吳秀清，周荷琴. 《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》. 合肥.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社. 1999