基于USB HOST音频解码器的数字音频系统设计

以往在设计数字音频系统时，需要工程师具备相关的知识和经验，并且在软件开发方面也要花费大量的时间和精力。ROHM公司的USB HOST音频解码器大大简化了设计流程，软件解码都由芯片内部实现，设计者可以很轻松地构建数字音频系统。

传统的CD播放系统、MP3播放器的设计通常需要存储器控制器、解码器、DAC、系统控制器等，这些模块分散在各个IC中，硬件和软件设计都比较复杂。而USB HOST音频解码器将这些功能集成于单芯片中，外部仅需少量的晶振和阻容元件，大大降低了成本，而且可靠性提高。

芯片功能

ROHM公司的USB HOST音频解码器中所有的解码工作都是由硬件自动完成的，不同于其它内嵌CPU的设计方案，减少了软件编程的复杂度。内部集成了USB和SD卡控制器，可以直接访问存储器中的文件。芯片按Unicode编码对存储器内的音乐文件排序，并按顺序播放。内置了FAT文件系统，可以自动区分音乐文件和非音乐文件。芯片还可以自动跳读损坏文件，来防止产生噪音。芯片内置了键盘控制器，可以外接4 X 3按键矩阵。音频输出支持模拟输出和数字输出。模拟输出时可直接连接扬声器放大器，并且内置了7种音效均衡器，在输出时可以通过I²C总线来选择。数字输出支持高通用性的I2S BUS和SPDIF，可以很方便地连接到下一级数字信号处理电路中。芯片内置了一个I²C总线接口，可以与微型控制器进行通讯。USB HOST音频解码器的功能框图见图1。

图1: USB HOST音频解码器功能框图。

芯片可执行的音乐文件操作包括：播放、暂停、停止、快进/快退、跳到下一曲/上一曲、重复播放、随机播放、音量调节、文件浏览、读取ID3信息等。

该芯片具有三种工作模式，可通过功能引脚来选择：

模式1也叫“独立模式”。芯片工作时不需要外接微型控制器，可以作为主机直接播放存储器中的音乐文件，通过内置的键盘控制器读取外部的按键操作来选择播放模式。芯片还内置了7个LED驱动接口，通过LED丰富的表现，可以清楚地了解到其工作模式。在该模式下芯片还支持自动播放功能，上电后会自动读取和播放存储器中的音乐文件，不需要外部干预。

模式2和模式3称为“从动模式”。芯片需要外接微型控制器，通过I²C总线传输指令，设计人员需要编写相应的控制软件。这两种模式的实现相对于模式1复杂一些，但可以构建更高性能的系统。其中，模式2的工作流程类似于模式1的按键输入，需要通过接收微型控制器发出的指令执行"PLAY"、"PAUSE"等操作。在模式3中，芯片通过I²C总线将存储器中的音乐文件的位置发送给微型控制器，然后控制器通过指定文件的位置来选择播放。播放时，芯片会每隔100ms读取播放时间，通过LCD可以将曲目的播放时间、曲名等信息显示出来。在这两种模式中，芯片还具有RESUME功能，在下次播放时可从上次停止的地方继续播放。

设计实现

本文将介绍使用ROHM的USB HOST音频解码器BU9437AKV和NEC的16位单片机uPD1166组成的数字音频系统的设计实例。BU9437支持MP3和WMA文件解码，具有上面所述的USB HOST音频解码芯片的所有功能。

1．硬件设计

硬件电路主要参考BU9437的从动模式来设计，通过I²C总线接收MCU发来的控制信息，实现模式2和模式3的功能。

BU9437配置了SD卡和USB接口，同时为了保护USB设备在热插拔的过程中不受到损坏，我们还设计了USB保护开关，使用的也是ROHM的USB High Side Switch芯片。音频输出使用的是模拟立体声输出，外接了一个耳机功放，可以通过耳机或有源音箱来收听声音。MCU外接了一个五向的开关，可以方便地进行菜单的选择。LCD为16 X 2的字符型点阵液晶，可以显示功能菜单、文件信息等简单画面。芯片通过I²C总线与MCU通讯。硬件系统框图见图2，BU9437应用电路见图3。

图2：USB HOST数字音频系统框图

图3：U9437应用电路图

2．软件设计

软件的设计是利用MCU的键盘中断来判断并识别键值，主程序循环查询键值及BU9437的状态，根据键值向BU9437发送不同的命令，同时在LCD上显示BU9437的工作状态等信息。主程序流程图见图5。

图5：软件流程图。

导航键的操作使用中断来处理，当有任何一个按键被按下时产生按键中断，在中断程序中除了防抖之外还要判断按键的优先级，中断程序中将直接得到按键的键值。

液晶显示模组有8位数据线，编写了专用的子程序用来发送显示数据。

USB HOST 芯片的控制是通过I²C总线来实现的，软件还设计了相应的I²C通讯程序，使其满足I²C总线的通讯协议，通讯时序见图4。

图4：I²C总线通讯时序。

3. 设计注意事项

1. USB HOST芯片需要外接一个16.9344MHz的晶振，如果使用无源晶振应注意该晶振的起振条件，选择合适的震荡电路，保证芯片上电后晶振能正常工作。

2. 选择模拟音频作为输出时，在PCB设计时最好将模拟地和数字地分开，并且在电源输入时加大容量的滤波电容或钽电容，可以很好地抑制噪音。

3. 为了增加软件的可靠性，当读取寄存器的值时，读取到的第一个字节都是系统的忙闲状态，每次读取时软件都要处理此字节。

本文小结

ROHM公司的USB HOST音频解码芯片不仅适合于车载级应用，还能用于卫生间、保健设备等通常与音乐无关的设备，可以简单地播放出治疗音乐、自然环境音等。另外，还可以用于娱乐设备的音乐、效果音的播放，以及公共交通的车内广播等语音发声。这种情况下，语音数据保存在USB存储器、SD存储卡中，因此需要更新语音数据时，即快速又方便。