在嵌入式系统中，越来越需要提供高清音频代替蜂鸣器来实现用户反馈，包括报警和报警。虽然哔哔声或唧唧声在过去是有效的，但用户希望高级的声音只能通过播放MP3和其他文件格式来产生。问题是音频回放可能会让人紧张，增加系统的成本和复杂度。第一直觉是找到一个可以播放MP3的微控制器，但这通常会增加几美元的材料清单(BOM ),并需要相当复杂的嵌入式软件。
音频编解码器是一种可以平衡额外成本和软件复杂性的解决方案。音频编解码器不仅可以接受来自微控制器的音频数据流，还具有许多功能，以便开发人员可以仔细调整音频播放系统，提高系统的音质。
本文将讨论音频编解码器的功能，开发人员在选择时应考虑的主要特性以及如何有效地使用它。本文将以AKM半导体、德州仪器和Maxim Integrated为例介绍和说明解决方案，同时也介绍其他厂商的解决方案。最后，将介绍如何使用编解码器加速音频播放应用程序的开发并降低系统成本的技巧和诀窍。
什么是音频编解码器？
音频编解码器是一种硬件组件，可以对包含音频信息的数字数据流进行编码或解码。音频编解码器非常有用，因为它可以分担微控制器的音频处理任务。这样可以大大降低软件的复杂度，也可以用在低成本低性能微控制器的特定应用中。典型的音频编解码器将包含几个功能块：
用于发送或接收编码数字音频数据的I2S接口。
用于配置和读取音频编解码器控制寄存器的I2C接口。
连接到模数转换器(ADC)的麦克风输入。
至少一个音频输出通道，如扬声器输出，但大多数还包括一个线路输出，也可能包括多个扬声器输出，用于立体声播放。
包含高通、低通、陷波和均衡器滤波器的数字功能块，用于调整音频回放和录音。
让我们以AKM Semiconductor的AK4637EN 24位音频编解码器为例，它因其低成本和强大的音频功能而广受欢迎(图1)。AK4637EN具有所有这些功能，并配有蜂鸣器输入，可通过使用所需频率的脉宽调制(PWM)信号产生蜂鸣器。
图1: AK 4637EN是一款单声道扬声器输出的音频编解码器，具有音频播放和录音功能。该器件还包含一个内部音频功能模块，可用于过滤输入和输出音频，以提高音频保真度。(来源：AKM半导体)
开发人员会发现，音频编解码器之间的主要区别在于它们是提供单声道音频还是立体声音频输出，以及数字块功能。例如，AK4637EN采用了高通滤波器、低通滤波器、四段均衡器、自动调平通道功能和单段均衡器。后者可以用作陷波滤波器。开发人员如何设置这些数字滤波器将极大地影响系统的声音。不熟悉音频播放的开发人员有时会害怕音频编解码器。例如，虽然AK4637EN是一个简单的音频编解码器，但快速浏览一下规格就会发现它有64个可配置寄存器。乍一看，似乎很多，但这些寄存器大多用于设置各种可用数字滤波器的滤波系数。为了让系统正常输出音频，只需要少量的寄存器，这就使得音频编解码器的驱动开发比新手想象的要简单很多。
如何选择音频编解码器
在产品开发过程中，选择任何设备的关键因素之一就是成本，音频编解码器也不例外。但是，应该记住，开发人员获得的东西是值得的，所以当涉及到音频时，团队必须仔细权衡设计要求和解决方案的关键参数。首先要考虑的是音频编解码器的输出要求。有几种不同的选择。例如，AK4637EN具有线路输出和单声道扬声器输出。还有其他编解码器，比如德州仪器的TLV320AIC3110IRHBR立体声音频编解码器，可以驱动两个功率为1.29W的扬声器(图2)。
图2: TitlV320AIC3110IRHBR是一款音频编解码器，除麦克风输入外，还具有立体声输出和放大功能。该编解码器可通过内部放大器驱动1.29W功率，并具有可编程数字音频功能模块。(来源：德州仪器)
其他音频编解码器，如Maxim Integrated MAX9867，设计用于仅驱动一对耳机(图3)。MAX9867具有典型的I2S和I2C数字接口，还包括立体声麦克风输入和两个数字选择线输入。
图3: Maxim集成MAX 9867音频编解码器可以驱动立体声耳机，在数字、麦克风和线路输入之间进行选择。(来源：美心综合)
在这三种解决方案中，确定什么样的输出类型(甚至输入类型)是前期的关键决策。开发人员还需要考虑他们将驱动什么样的负载。音频编解码器将直接驱动耳机、一个扬声器或一对扬声器，它将提供什么输出电平？如果系统想要驱动5W扬声器，嵌入式系统中没有多少编解码器可以做到这一点。相反，开发人员可能希望选择线路输出，并使用单独的D类放大器来直接驱动扬声器。这样既能节省一些成本，又能带来设计的灵活性。最后两个考虑因素是内部布线和数字滤波能力。这才是决定音频编解码器真正差异化和成本差异的地方。例如TLV320AIC311IRHBR具有音爆消除和软启动功能，可以最大限度地减少扬声器的音爆，使其平滑过渡到音频播放。该设备的每个输出通道还配有一个内部混频器和一个数字音量控制器。开发人员应仔细平衡电路所需的音频编解码器、BOM和电路板空间的要求。
音频回放系统
使用音频编解码器时，必须考虑到除了音频编解码器之外，还有几个不同的功能模块是成功播放音频所必需的。具体的功能块会根据应用和决策以稍微不同的方式播放，图4只是一个大概的解释。
图4:如典型嵌入式应用中音频播放系统的总连接框图所示，需要将音频文件存储在单片机或外部存储器中。(资料来源：贝宁戈嵌入式集团z)
这张图有几点值得讨论。首先，存储音频播放文件有一些方法。有两种选择，一种是将文件存储在内部，即微控制器的闪存中，另一种是存储在外部闪存中。如何选择取决于音频文件的大小和微控制器内部的闪存容量。开发者还需要考虑采用什么样的音频播放格式。最常见的格式是MP3。在这种情况下，所选MCU需要支持MP3解码的软件堆栈。通过这种方式，可以打开MP3文件，然后可以使用动态内存访问(DMA)控制器通过I2S接口将音频信号推出。甚至I2S端口也可以配置为主/从和其他几种模式，因此需要仔细检查，以确保数据以正确的速率传输到编解码器。如前所述，是否需要外部音频放大器取决于具体应用。典型编解码器的输出功率在1-1.5W左右，对于驱动小型扬声器非常有用。如果你想驱动3W或更高功率的扬声器，你需要使用外部放大器。同样，最广泛使用的是D类音频放大器。放大器不一定需要具有可变增益。音频编解码器可以数字调节音量控制器，以提供较宽的输出功率范围。经常被忽视的一个方面是大容量电容。播放音频时，电源轨会被严重拉扯。如果电路板上电容不足，输出质量会受到很大影响，会出现鼻音等不必要的噪音。在测试过程中，可以通过仔细监控电源轨来检测这些声音。在PC板的开发中，通过在电路板上预留更多的空间来尝试不同的电容值是一个好主意，以便调整输出电路。
音频编解码器选择的应用技巧和技术
音频编解码器可以大大简化嵌入式软件，并为应用程序提供良好的音质。如果开发人员以前从未使用过音频编解码器，它们可能会很棘手。为了成功利用音频编解码器，R&D团队应牢记以下“提示和技巧”:
微控制器中使用直接存储器访问控制器(DMA)功能来为音频编解码器提供最少的CPU干预。这将有助于确保编解码器有足够的数据来处理。
当没有播放音频时，请使用编解码器静音功能，以防止低电平输出噪声进入扬声器。
当禁用或启用播放时，请使用音频编解码器的软静音功能，以防止扬声器音爆和其他不必要的噪音。
编解码器初始化后，使用终端应用程序输出编解码器寄存器。这在试图调试问题或调整扬声器输出电路和音箱时特别有用。
充分利用编解码器内部的数字滤波机制。通过数字滤波器，开发人员可以实现平衡输出，滤除不必要的高频和低频信号，最大限度地提高音响系统的音质。
请不要忘记，只有当电路板和扬声器安装在盒子里时，调谐才是一项有用的工作，因为盒子和安装将产生巨大的差异。
开发人员可以使用Maxim Integrated的MAX9867EVKIT评估套件进行实验(图5)。
图Max9867的MAX9867EVKIT评估套件通过USB线连接PC，具有RCA输入、耳机输出和光纤收发模块。(来源：美心综合)
该套件由电路板和相关软件组成。它被配置为使用索尼/飞利浦数字接口(S/PDIF)发送和接收音频数据，但也可以设置为使用I2S。该套件有两个RCA输入插孔，两个3.5 mm模拟输出耳机插孔，以及一个光纤收发模块。该软件与Windows兼容。当通过USB线连接PC时，会打开一个图形用户界面(GUI)，开发者可以在这个界面中试验MAX9867的设置(图6)。
图6:使用基于Windows的GUI，用户可以试验MAX9867的各种设置，从时钟和数字音频(选定的选项卡)开始，一直到寄存器1和寄存器2(右侧)。(来源：美心综合)
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嵌入式系统的用户已经非常习惯于高质量的音频，他们现在不愿意使用蜂鸣器和蜂鸣器来代替警报、报警和其他用户音频反馈。这使得开发团队有责任在其系统中实现MP3播放功能。乍一看，这是一项复杂的工作。然而，通过在微控制器旁使用正确的音频编解码器并遵循一些设计最佳实践，开发人员可以平衡音频应用的成本和复杂性。
原标题：利用音频编解码器实现高保真嵌入式音频体验：详细设计策略在此！
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审计唐子红
标签：音频编解码器功能