【導(dǎo)讀】A2B是一種雙向高帶寬數(shù)字音頻總線,能夠在很長的距離上(節(jié)點(diǎn)間的距離長達(dá)30 m,整個總線長度為300 m),使用一條2線式非屏蔽雙絞線(UTP)電纜傳輸I2S/TDM/PDM數(shù)據(jù)、I2C/SPI控制信息以及時鐘和供電信號。該總線在汽車應(yīng)用和統(tǒng)一通信應(yīng)用中已經(jīng)非常成熟。通過不斷的深入開發(fā),A2B還可用于許多商業(yè)和工業(yè)用途。
摘要
ADI公司A2B?總線的全新增強(qiáng)功能為數(shù)據(jù)和音頻傳輸與分發(fā)帶來新的發(fā)展。智能樓宇、大廳、房間或智能家居均可從新型收發(fā)器的眾多集成特性中獲益。新的A2B增強(qiáng)功能包括總線長度更長,可達(dá)300米,并且總線功率更高,可達(dá)50 W。本文重點(diǎn)介紹了這些增強(qiáng)功能如何幫助打造更復(fù)雜的系統(tǒng)。文中展示了一些應(yīng)用示例,其中A2B總線可以幫助簡化布線架構(gòu),而涉及的硬件和軟件工作量非常少。
引言
A2B是一種雙向高帶寬數(shù)字音頻總線,能夠在很長的距離上(節(jié)點(diǎn)間的距離長達(dá)30 m,整個總線長度為300 m),使用一條2線式非屏蔽雙絞線(UTP)電纜傳輸I2S/TDM/PDM數(shù)據(jù)、I2C/SPI控制信息以及時鐘和供電信號。該總線在汽車應(yīng)用和統(tǒng)一通信應(yīng)用中已經(jīng)非常成熟。通過不斷的深入開發(fā),A2B還可用于許多商業(yè)和工業(yè)用途。
商業(yè)、辦公和公共建筑要求公共廣播系統(tǒng)(PA)持續(xù)可用。PA是由麥克風(fēng)、放大器、揚(yáng)聲器和相關(guān)設(shè)備組成的電子系統(tǒng)。它能提高人聲、樂器或其他聲源的響度。舉例而言,這種系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)的警報(bào)系統(tǒng)。在緊急情況下,清晰的語音指示比傳統(tǒng)的警報(bào)器更能有效地引導(dǎo)人們做出正確的反應(yīng),幫助人們更好地理解情況,并有可能避免災(zāi)難的發(fā)生。
此外,音樂分發(fā)、語音警報(bào)、廣播和對講功能可以成為該系統(tǒng)的一部分,系統(tǒng)的復(fù)雜性因而會增加。隨著系統(tǒng)不斷發(fā)展,以及對額外廣播功能的需求不斷增加,設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜。A2B技術(shù)可能有助于滿足這一需求。
為了服務(wù)大量節(jié)點(diǎn),使用以太網(wǎng)作為物理層時,每個節(jié)點(diǎn)都需要配備昂貴的微控制器。此方法常用于簡單的音頻和控制設(shè)備。除以太網(wǎng)外,100V線路也被使用,并具有通過電纜傳輸電力的優(yōu)勢,但它們在一個方向上只能傳輸一個音頻信號,無法添加數(shù)據(jù)通信,并且所需的變壓器非常笨重。
這就是A2B發(fā)揮作用的地方。A2B讓本地相關(guān)設(shè)備(如揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、對講站、控制面板和傳感器)能夠通過簡單線纜以菊花鏈形式連接起來。
A2B易于使用和實(shí)施,是理想的解決方案。A2B收發(fā)器可以連接到設(shè)備,用戶將獲得64個雙向音頻通道(32個下行通道和32個上行通道),這些通道可以配對,與位于端點(diǎn)的外圍設(shè)備進(jìn)行I2C/SPI/GPIO通信。無需開發(fā)或使用更復(fù)雜的時隙協(xié)議棧。
A2B是一種高速雙向時間同步總線,可傳輸I2S/TDM以及I2C、SPI、GPIO數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)速率為50 Mbps。這種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢是任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的延遲低至50 μs。
借助非屏蔽雙絞線(UTP),可將多達(dá)17個節(jié)點(diǎn)(包括主節(jié)點(diǎn))以菊花鏈形式連接到一條總線上??偩€長度可長達(dá)300米,而每個節(jié)點(diǎn)之間的距離可達(dá)30米。通信可以從一個節(jié)點(diǎn)到另一個節(jié)點(diǎn),這意味著如果選擇48 kHz和16位,則每個節(jié)點(diǎn)都可以向任何其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送32個音頻通道。數(shù)據(jù)大小可以根據(jù)不同的需求確定,數(shù)據(jù)速率可以設(shè)置為1.5 kHz至192 kHz之間。數(shù)據(jù)寬度越小、數(shù)據(jù)速率越低,可用通道數(shù)越多。
另一大亮點(diǎn)是總線功率,整條總線可以傳輸高達(dá)50 W的功率。因此,節(jié)點(diǎn)可以通過總線遠(yuǎn)程供電,而無需額外的本地電源。中等輸出功率的揚(yáng)聲器節(jié)點(diǎn)也可以通過A2B總線供電。但是,如果功率需求更高,則需要外部電源。
圖1.A2B網(wǎng)絡(luò)及其相連模塊的設(shè)置示例。
圖1展示了A2B總線的靈活性,它能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置。由于收發(fā)器已經(jīng)集成了許多模塊和接口,因此通常不需要單獨(dú)的微控制器即可運(yùn)行。
如圖所示,簡單的節(jié)點(diǎn)是一個麥克風(fēng)陣列,它采用AD2437收發(fā)器??蛇B接多達(dá)四個PDM麥克風(fēng)。這種麥克風(fēng)陣列可用于定位噪聲源以執(zhí)行噪聲消除,或找到音頻的到達(dá)方向。在這種情況下,可以從相鄰背景噪聲中提取該音頻源。由于總線延遲非常低,此陣列不一定需要位于同一個節(jié)點(diǎn)上。它可以輕松地分布于房間內(nèi)不同位置的多個節(jié)點(diǎn)。電源將從總線獲取,因?yàn)榇斯?jié)點(diǎn)的功耗非常低,無需單獨(dú)的電源。因此,解決方案非常小且易于安裝。例如,我們設(shè)計(jì)過一個尺寸為35mm × 19mm的節(jié)點(diǎn),其中包括導(dǎo)線連接器和總線電源電路。
如果需要更復(fù)雜的功能,可以通過I2S輸出將單獨(dú)的D類或任何其他功率放大器連接到AD2437。此外,還可以連接音頻編解碼器。由于音頻通常不會隨時中斷,因此可以采用I2C接口來并行設(shè)置功率放大器或編解碼器。借助這種配置,可以創(chuàng)建一個簡單的總線供電對講終端。AD2437還具有GPIO,其中一些提供脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。這可以用作鍵盤端口輸入來與主機(jī)交互。如果按下某個鍵,主機(jī)就會收到中斷,從而可以建立通信。PWM輸出可用于指示通信是否處于活動狀態(tài),驅(qū)動LED(指示連接狀態(tài)),以及指示所需的所有其他信息。這種簡單但有效的功能不需要單獨(dú)的微控制器,整個系統(tǒng)的軟件工作得以簡化。
復(fù)雜度更高的對講終端(如帶有圖形用戶界面(GUI))可以使用微控制器通過SPI獲取數(shù)據(jù)。請注意,SPI總線最大速度為10 Mbps。
對于純揚(yáng)聲器節(jié)點(diǎn)(可能位于天花板或建筑物的其他部分,需要更高輸出功率),外部電源將足以滿足需求??偩€電源不需要插入到主機(jī)節(jié)點(diǎn),可以將其插入到任何中間節(jié)點(diǎn)的某個位置,以減輕電纜內(nèi)的電流壓力。
圖2.公共廣播系統(tǒng)示例。
在很多其他應(yīng)用中,功能豐富的A2B也優(yōu)于以前使用的技術(shù),可以取而代之。這些應(yīng)用包括需要通信和多通道音頻傳輸?shù)膽?yīng)用。
護(hù)士呼叫/通知系統(tǒng)由以太網(wǎng)配置組成,復(fù)雜度較低。在這種情況下,將有一個房間控制器通過以太網(wǎng)連接,但與患者終端的連接將通過A2B運(yùn)行。此配置能夠通過一根UTP電纜將所有必要的音頻、數(shù)據(jù)和電源傳輸?shù)椒块g內(nèi)分布的多達(dá)16張床位。每個終端都可以輕松配備一個小型微控制器,以便為每位患者提供豐富的音頻通道選擇。顯示屏可以指示通道選擇、時間和警報(bào)狀態(tài)。警報(bào)按鈕可以直接連接到其中一個GPIO,以觸發(fā)房間控制器上的中斷。此外,如果患者行動受限,選定的終端可以即時將麥克風(fēng)信號傳輸?shù)椒块g控制器。系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換選定的關(guān)鍵詞并觸發(fā)警報(bào)。
由于此環(huán)境的安裝可能變化多端,因此系統(tǒng)必須支持方便地修改其設(shè)置。網(wǎng)絡(luò)中終端的添加和刪除將由主機(jī)提供的即插即用協(xié)議棧處理。為了在移除的終端上保持菊花鏈配置,可以使用一個小型適配器來橋接缺失的節(jié)點(diǎn)。如果通信中斷,診斷程序?qū)?bào)告故障。
A2B總線的超低延遲和完全同步行為對柜臺對講系統(tǒng)也有益。多個麥克風(fēng)可以位于不同位置,使用波束成形技術(shù)清晰地分離柜臺前講話者的聲音通道。所有來自鄰近人員的背景噪音都將被抑制。任何隔音屏障(如玻璃墻)之間都可以建立清晰的對話。通常,柜臺、醫(yī)院的隔離區(qū)域或潔凈室設(shè)施都很適合采用此類解決方案。
圖3.柜臺對講系統(tǒng)示例。
類似地,監(jiān)獄對講系統(tǒng)中的所有麥克風(fēng)數(shù)據(jù)都可以傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng),許多音頻通道(如不同的無線電頻道)可以廣播到每間牢房。
使用波束成形的另一個典型例子是會議系統(tǒng),允許在會議室中放置許多麥克風(fēng)。語音轉(zhuǎn)文本系統(tǒng)需要能夠?qū)⒉煌f話者的音頻信號清晰分離。由于延遲低,所有麥克風(fēng)通道可以同時傳輸?shù)街鳈C(jī)控制器或數(shù)字信號處理器(DSP),以計(jì)算不同的波束位置。
另一種方法是使用座位到座位桌面麥克風(fēng)或耳機(jī),并將其連接到口譯系統(tǒng)。在這里,所有與會者都可以獲得自動翻譯成各自母語的個性化音頻數(shù)據(jù)。通過使用較低質(zhì)量的音頻帶寬,系統(tǒng)可以支持相當(dāng)多的通道。因此,主機(jī)可以接收所有麥克風(fēng)信號,并輕松進(jìn)行優(yōu)先級排序。排序方式可以基于信號強(qiáng)度從高到低,也可以采用系統(tǒng)控制的方式,僅向選定的人員開放語音。在這種情況下,所有終端都可以通過總線供電,而不需要在桌子上布置局部電源。
家用自動化系統(tǒng)日益普及,其便捷的燈光、暖氣、空調(diào)和卷簾控制功能廣為人知。除此之外,這些系統(tǒng)還需要將音頻分發(fā)到許多房間。這樣,您在房屋的任何位置都能聽到門鈴聲,即使在浴室中聆聽高音頻品質(zhì)的收藏播放列表也不例外。將音頻流傳輸?shù)郊抑腥魏挝恢玫墓δ?,以及支持麥克風(fēng)通過語音命令控制房屋的功能,都非常實(shí)用。相較于通過WLAN進(jìn)行無線連接,有線連接可提供更可靠的鏈路并減輕無線流量負(fù)載。
A2B非常適合專業(yè)音頻系統(tǒng)、家庭錄音室和現(xiàn)場舞臺設(shè)施,利用CAT5或XLR等現(xiàn)有電纜技術(shù)就能輕松實(shí)現(xiàn)音頻連接。觀看視頻,了解更多信息:A2B:不限于汽車應(yīng)用——錄音室耳機(jī)混頻器演示。
讓我們來更深入了解A2B總線,以及它如何能夠雙向處理如此多的音頻通道。A2B總線以48 kHz心跳的方式通過總線發(fā)送超幀。數(shù)據(jù)以1024倍的速率傳輸,總線上的數(shù)據(jù)流頻率達(dá)到49.152 MHz。超幀由兩部分組成:一部分是上行,另一部分是下行,通信由同步控制幀和同步響應(yīng)幀啟動。在下行/上行時隙內(nèi)插入所有I2S/TDM數(shù)據(jù)、I2C數(shù)據(jù)、GPIO和中斷信息。
主機(jī)生成時鐘,所有節(jié)點(diǎn)與該時鐘同步,使得系統(tǒng)始終同步。同步控制幀中的前同步碼確保所有節(jié)點(diǎn)同步并且可向外設(shè)提供時鐘。這樣做的好處是整個音頻鏈不需要額外的時鐘、本地振蕩器或異步采樣速率轉(zhuǎn)換器。
圖4.A2B超幀。
圖5.A2B數(shù)據(jù)流。
啟動時,直連到第一個A2B收發(fā)器芯片(如AD2437)的主機(jī)處理器將把它設(shè)置為主節(jié)點(diǎn)。主機(jī)處理器提供穩(wěn)定的48 kHz信號,收發(fā)器將開始用其鎖相環(huán)(PLL)鎖定該信號。主節(jié)點(diǎn)設(shè)置完成后,它開始逐個啟動子節(jié)點(diǎn)。
SigmaStudio+軟件支持全系統(tǒng)設(shè)置,包括音頻通道和節(jié)點(diǎn)配置。它是一款圖形化編程、診斷和調(diào)整工具,允許設(shè)計(jì)人員添加音頻編解碼器、D類放大器等外設(shè),輕松創(chuàng)建A2B網(wǎng)絡(luò)的圖形用戶界面。針對Linux系統(tǒng)的軟件協(xié)議棧和即插即用協(xié)議棧都已提供,便于在運(yùn)行期間添加或刪除總線上的節(jié)點(diǎn)。
帶XLR或RJ45連接器的主評估模塊或子節(jié)點(diǎn)評估模塊支持A2B,包括電源傳輸。
結(jié)論
新型A2B收發(fā)器的功能進(jìn)一步增強(qiáng),例如電纜更長且總線功率更高,這為各種應(yīng)用開拓了廣泛的機(jī)會,尤其是在需要通過簡單布線將多個音頻通道連接到控制數(shù)據(jù)的情況下。如果總線上連接的設(shè)備既有簡單節(jié)點(diǎn),也有復(fù)雜節(jié)點(diǎn),那么總線允許即使在不太復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)上也能采用低成本硬件實(shí)現(xiàn)。即使在非音頻應(yīng)用中,例如準(zhǔn)確同步的傳感器網(wǎng)絡(luò),A2B也能顯著簡化應(yīng)用。
(來源:ADI,作者:Roland Prager,現(xiàn)場應(yīng)用工程師)
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀:
高效控制:類比半導(dǎo)體DR7808在新能源汽車中的應(yīng)用
2024全數(shù)會從深圳出發(fā),引領(lǐng)全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)新風(fēng)向標(biāo),預(yù)約免費(fèi)門票!