DVD處理器ES60X8在汽車(chē)音響系統中的設計

電子設計應用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為基礎的車(chē)載DVD音響系統結構，各模塊間的接口設計；著(zhù)重介紹了外接SDRAM的電子抗震設計和PCB抗干擾設計。
關(guān)鍵詞： DVD；汽車(chē)音響；電子抗震；PCB抗干擾設計

引言
近年來(lái)隨著(zhù)我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的興起，與之相關(guān)的汽車(chē)多媒體技術(shù)也蓬勃發(fā)展起來(lái)。目前的汽車(chē)多媒體主要集中在視聽(tīng)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(tīng)覺(jué)感受更加完美、播放時(shí)間更長(cháng)的視聽(tīng)效果，代表了當今汽車(chē)音響業(yè)界的發(fā)展方向。
汽車(chē)音響設計比家用音響設計有著(zhù)更高的要求：由于汽車(chē)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計；同時(shí)，常有路面不平而造成顛簸的運行環(huán)境，這就要考慮汽車(chē)音響的抗干擾設計。
本文介紹的車(chē)載DVD音響系統，具有設計模塊化、集成化、通用化，聲像性能優(yōu)越，抗震性好的特點(diǎn)。

圖1  系統結構圖

系統結構
音響系統的編/解碼系統有兩種基本實(shí)現方法：一種是采用高速通用微處理器如DSP芯片，由DSP芯片身兼編/解碼功能與系統控制功能，具有較好的靈活性和適應性。然而對DSP性能、開(kāi)發(fā)要求和成本要求高，不利于生產(chǎn)廠(chǎng)家批量生產(chǎn)。另一種是采用成熟的專(zhuān)用視頻芯片與性能要求不高的主控CPU構建。采用第二種方案與采用DSP進(jìn)行全面的自行開(kāi)發(fā)設計相比，將大大地減少硬件規模，縮短開(kāi)發(fā)周期，增強系統可靠性，減少生產(chǎn)成本。
本系統采用DVD處理器ES60X8與主控CPU TMP87CH47U作為主構件，能夠實(shí)現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)執行特定的編碼/解碼任務(wù)。這些資源與兩個(gè)分立的數據總線(xiàn)連接。ES60X8內建視頻DAC，視頻編碼，直接輸出模擬視頻信號，有效簡(jiǎn)化外圍電路。伺服電路讀出的數據經(jīng)ES60X8直接輸出模擬視頻信號與數字音頻信號；ES60X8以EPROM作為程序/數據外部存儲器，以SDRAM作為顯示存儲器。由于ES60X8進(jìn)行了所有關(guān)于音頻/視頻信號的處理，主控CPU并不需要地址/數據總線(xiàn)，所以主控CPU僅需控制ES60X8與處理LCD顯示面板及遙控器操作。系統結構圖如圖1所示。
系統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/視頻數據流處理。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)內建4個(gè)10位視頻DAC，提供模擬視頻信號輸出，省卻在外圍電路添加視頻DAC。
* 系統主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內核、ROM、RAM、I/O端口等完善的配置。同時(shí)具有看門(mén)狗(Watch Dog)定時(shí)器，5種節電方式，并且提供可以直接驅動(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(xiàn)圖

ES60X8的周邊接口設計
ES60X8在汽車(chē)音響中的周邊接口設計主要包括：與主控CPU接口、與音頻DAC(WM8706)接口、與程序/數據存儲器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(chē)載DVD系統一般要求即使在不放碟時(shí)系統主控CPU仍在低功耗運行，此時(shí)提供顯示面板上的當前時(shí)間顯示，主控CPU對ES60X8輸出待機控制信號。
主控CPU向ES60X8提供VFD的時(shí)鐘信號、VFD控制信號；ES60X8則通過(guò)VFD接口向主控CPU提供串行VFD數據信號。
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音頻數據。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據。
*AC-3和DTS5.1聲效，使用TSD0~TSD2傳輸音頻數據。
本系統采用的是立體聲聲效，ES60X8向音頻DAC(WM8706)提供音頻DAC時(shí)鐘，音頻數據輸出(引腳TSD0)與音頻傳輸幀同步信號(引腳TWS)。
ES60X8與EPROM接口
ES60X8外接EPROM作為開(kāi)機畫(huà)面數據與部分顯示程序存儲器。
ES60X8與伺服電路接口
系統使用的是三洋DVD機芯，它采用雙光頭設計，能夠兼讀DVD、VCD 、CD、MP3。機芯隨機配套伺服電路，簡(jiǎn)化了系統設計，節約了開(kāi)發(fā)成本。
ES60X8與伺服電路接口主要包括控制信號與16位數據信號。

電子抗震設計：16MB SDRAM
一般的家用DVD播放機在播放碟片時(shí)并不會(huì )出現劇烈搖晃的外部播放條件，從而不需要考慮播放機的抗震問(wèn)題；然而，車(chē)載DVD播放機的運行環(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(chē)載系統的一個(gè)不可避免的情況)，沒(méi)有抗震能力的播放機就會(huì )出現長(cháng)時(shí)間的停頓現象，到恢復正常讀碟甚至可能耗時(shí)4~8秒。
我們設計的車(chē)載DVD系統在機械上采用TPE硅油阻尼器減震設計；同時(shí)，在電路設計上增加一片16MB的SDRAM作為電子抗震手段，從而即使在大幅度、長(cháng)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的視頻存儲器。ES60X8外部存儲器接口可以最大尋址128 MB，所以外接SDRAM/EDO的最大存儲容量為16MB。
設計中的容量為16MB、存取時(shí)間為9ns的SDRAM足以在兩個(gè)時(shí)鐘周期內完成訪(fǎng)問(wèn)存儲器的操作，總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)可以在零等待情況下完成。系統的設計是預讀DVD數據到SDRAM中，然后將SDRAM中的數據解碼處理。由于標準單面單層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到27秒，實(shí)測結果能抗震6秒左右。為了取得更長(cháng)時(shí)間的抗震效果，應該軟件上改善數據存取效率。
SDRAM的PCB布線(xiàn)應注意其信號線(xiàn)應布在元器件層，且使用盡可能短的布線(xiàn)，同時(shí)過(guò)孔也應該盡可能的少，以減少由于信號路線(xiàn)的不連續而產(chǎn)生的反射現象。在布SDRAM的時(shí)鐘信號線(xiàn)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(xiàn)以減少互擾。
同時(shí)，為了加快傳輸大批量數據的速度，ES60X8與SDRAM之間采用DMA進(jìn)行數據傳輸而不需要占用ES60X8的資源，保證其解碼速度。ES60X8內置DMA總線(xiàn)控制器，提供下面幾個(gè)通道的32位數據交換：視頻數據總線(xiàn)與存儲器；視頻解碼器與存儲器；ESS RISC與存儲器；ESS RISC與視頻數據總線(xiàn)。圖2是ES60X8與16MB SDRAM的DMA方式連線(xiàn)圖。
ES60X8的DSCK提供SDRAM的時(shí)鐘信號；，，，輸出對SDRAM的控制信號。DB00~DB15是數據線(xiàn)，MA00~MA11是地址線(xiàn)。

抗干擾設計
串擾問(wèn)題
筆者在調試時(shí)曾經(jīng)碰到不能正常轉碟的問(wèn)題，最后發(fā)現是電路板的兩個(gè)地之間連線(xiàn)過(guò)于細長(cháng)，形成幾十毫歐的電阻造成的問(wèn)題。
由于DVD播放機中同時(shí)存在數字信號與模擬信號，如在本系統中，經(jīng)過(guò)視頻/音頻D/A產(chǎn)生模擬信號，其中音頻模擬信號還需要用放大器件進(jìn)行放大。所以在設計PCB時(shí)，模擬地與數字地要分開(kāi)布線(xiàn)，最后在一點(diǎn)接于電源地，從而防止信號串擾。電源線(xiàn)與地線(xiàn)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(chē)音響系統要求體積小(長(cháng)寬深為182mm*53mm*160mm)，狹小的空間不利于空氣對流，加上它一般安裝在汽車(chē)前部，離發(fā)動(dòng)機近，通風(fēng)不良，外部溫度加速本機升溫過(guò)程。而且內置的功放發(fā)熱量很大，一般來(lái)說(shuō)運行幾分鐘后，功放IC的溫度可以達到100℃。而產(chǎn)生時(shí)鐘信號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播放機相比，車(chē)載DVD系統設計中要額外地考慮元器件合理布局問(wèn)題及采用適當的降溫措施。
車(chē)載DVD系統采用的對溫度敏感的關(guān)鍵元器件都是要求耐高溫的汽車(chē)音響專(zhuān)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)在播放機后板加大面積散熱鋁合金，高效率功放IC(TDA7454)設計在電路板邊緣，用散熱硅涂料粘貼在鐵質(zhì)機殼上，一則利于散熱，二則減少對其它電路特別是小信號放大器件的干擾。有些車(chē)載DVD播放機還在后板加裝專(zhuān)用的風(fēng)扇進(jìn)行散熱。
使用看門(mén)狗定時(shí)器抗干擾
看門(mén)狗定時(shí)器是一個(gè)遞減計數器，它在經(jīng)過(guò)一個(gè)指定的時(shí)間間隔后復位微處理器。在一個(gè)正常運行的系統中，系統軟件應該周期地重啟看門(mén)狗定時(shí)器，使看門(mén)狗定時(shí)器重新開(kāi)始遞減定時(shí)。當軟件或硬件工作不正常時(shí)，系統并不會(huì )馬上復位，而是等看門(mén)狗定時(shí)器計時(shí)超時(shí)，產(chǎn)生系統復位信號。
使用看門(mén)狗定時(shí)器能迅速檢測到CPU運行時(shí)的錯誤(如由噪聲干擾引起的程序“跑飛”狀況)，自動(dòng)將系統復位到正常運行狀態(tài)，可大幅度提高整個(gè)系統的抗干擾性能。
在啟動(dòng)CPU的看門(mén)狗定時(shí)器后，在程序運行小于定時(shí)器觸發(fā)時(shí)間內，應該在程序中設置重啟看門(mén)狗定時(shí)器指令，否則會(huì )產(chǎn)生系統復位。同時(shí)，高效的看門(mén)狗定時(shí)器設計應該是重啟看門(mén)狗定時(shí)器指令數量最少的。這兩方面是一對矛盾，在軟件設計時(shí)需要綜合考慮。所以，在編寫(xiě)系統軟件時(shí)，何處安放重啟看門(mén)狗定時(shí)器指令是看門(mén)狗設計的關(guān)鍵。這需要正確估計程序運行的各種可能情況(如程序中的各種轉跳、嵌套)所需要的時(shí)間，可以同時(shí)采用流程圖分析與系統仿真來(lái)分析。

結語(yǔ)
所設計的基于ES60X8 DVD處理器與8位微處理器TMP87CH47U的車(chē)載音響系統已經(jīng)順利通過(guò)測試，并在國內某汽車(chē)音響廠(chǎng)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?！?/p>

參考文獻
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