電子設計應用2003年第5期

摘   要： 本文簡要了介紹ES60X8系列DVD處理器，給出了以ES60X8為基礎的車載DVD音響系統結構，各模塊間的接口設計；著重介紹了外接SDRAM的電子抗震設計和PCB抗干擾設計。
關鍵詞： DVD；汽車音響；電子抗震；PCB抗干擾設計

引言
近年來隨著我國汽車產業的興起，與之相關的汽車多媒體技術也蓬勃發展起來。目前的汽車多媒體主要集中在視聽技術方面。而DVD技術的成熟，給人們帶來了清晰度更高、聽覺感受更加完美、播放時間更長的視聽效果，代表了當今汽車音響業界的發展方向。
汽車音響設計比家用音響設計有著更高的要求：由于汽車音響使用空間小、環境溫度高，這就要更多地考慮抗高溫抗干擾設計；同時，常有路面不平而造成顛簸的運行環境，這就要考慮汽車音響的抗干擾設計。
本文介紹的車載DVD音響系統，具有設計模塊化、集成化、通用化，聲像性能優越，抗震性好的特點。

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、開發要求和成本要求高，不利于生產廠家批量生產。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構建。采用第二種方案與采用DSP進行全面的自行開發設計相比，將大大地減少硬件規模，縮短開發周期，增強系統可靠性，減少生產成本。
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公司的產品，它包括兩個并行處理單元，一個RISC處理器，一個向量引擎，和額外的硬件資源來執行特定的編碼/解碼任務。這些資源與兩個分立的數據總線連接。ES60X8內建視頻DAC，視頻編碼，直接輸出模擬視頻信號，有效簡化外圍電路。伺服電路讀出的數據經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進行了所有關于音頻/視頻信號的處理，主控CPU并不需要地址/數據總線，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。同時內建4個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。同時具有看門狗(Watch Dog)定時器，5種節電方式，并且提供可以直接驅動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的周邊接口設計
ES60X8在汽車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。
由于車載DVD系統一般要求即使在不放碟時系統主控CPU仍在低功耗運行，此時提供顯示面板上的當前時間顯示，主控CPU對ES60X8輸出待機控制信號。
主控CPU向ES60X8提供VFD的時鐘信號、VFD控制信號；ES60X8則通過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作為開機畫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，簡化了系統設計，節約了開發成本。
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并不會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題；然而，車載DVD播放機的運行環境大大不同。由于一般的路面都會有小的不平整，會對碟片的播放造成一定的影響，如播放稍有停滯；在較大幅度的震動時(這是車載系統的一個不可避免的情況)，沒有抗震能力的播放機就會出現長時間的停頓現象，到恢復正常讀碟甚至可能耗時4~8秒。
我們設計的車載DVD系統在機械上采用TPE硅油阻尼器減震設計；同時，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、長時間的震動環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、存取時間為9ns的SDRAM足以在兩個時鐘周期內完成訪問存儲器的操作，總線訪問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。實際上由于軟件效率較低等原因而不能達到27秒，實測結果能抗震6秒左右。為了取得更長時間的抗震效果，應該軟件上改善數據存取效率。
SDRAM的PCB布線應注意其信號線應布在元器件層，且使用盡可能短的布線，同時過孔也應該盡可能的少，以減少由于信號路線的不連續而產生的反射現象。在布SDRAM的時鐘信號線時，由于其時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，為了加快傳輸大批量數據的速度，ES60X8與SDRAM之間采用DMA進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總線控制器，提供下面幾個通道的32位數據交換：視頻數據總線與存儲器；視頻解碼器與存儲器；ESS RISC與存儲器；ESS RISC與視頻數據總線。圖2是ES60X8與16MB SDRAM的DMA方式連線圖。
ES60X8的DSCK提供SDRAM的時鐘信號；，，，輸出對SDRAM的控制信號。DB00~DB15是數據線，MA00~MA11是地址線。

抗干擾設計
串擾問題
筆者在調試時曾經碰到不能正常轉碟的問題，最后發現是電路板的兩個地之間連線過于細長，形成幾十毫歐的電阻造成的問題。
由于DVD播放機中同時存在數字信號與模擬信號，如在本系統中，經過視頻/音頻D/A產生模擬信號，其中音頻模擬信號還需要用放大器件進行放大。所以在設計PCB時，模擬地與數字地要分開布線，最后在一點接于電源地，從而防止信號串擾。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。
高溫問題
由于汽車音響系統要求體積小(長寬深為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前部，離發動機近，通風不良，外部溫度加速本機升溫過程。而且內置的功放發熱量很大，一般來說運行幾分鐘后，功放IC的溫度可以達到100℃。而產生時鐘信號的晶振元件若溫度過高，將產生工作點漂移問題。因此，與一般的家用DVD播放機相比，車載DVD系統設計中要額外地考慮元器件合理布局問題及采用適當的降溫措施。
車載DVD系統采用的對溫度敏感的關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。有些車載DVD播放機還在后板加裝專用的風扇進行散熱。
使用看門狗定時器抗干擾
看門狗定時器是一個遞減計數器，它在經過一個指定的時間間隔后復位微處理器。在一個正常運行的系統中，系統軟件應該周期地重啟看門狗定時器，使看門狗定時器重新開始遞減定時。當軟件或硬件工作不正常時，系統并不會馬上復位，而是等看門狗定時器計時超時，產生系統復位信號。
使用看門狗定時器能迅速檢測到CPU運行時的錯誤(如由噪聲干擾引起的程序“跑飛”狀況)，自動將系統復位到正常運行狀態，可大幅度提高整個系統的抗干擾性能。
在啟動CPU的看門狗定時器后，在程序運行小于定時器觸發時間內，應該在程序中設置重啟看門狗定時器指令，否則會產生系統復位。同時，高效的看門狗定時器設計應該是重啟看門狗定時器指令數量最少的。這兩方面是一對矛盾，在軟件設計時需要綜合考慮。所以，在編寫系統軟件時，何處安放重啟看門狗定時器指令是看門狗設計的關鍵。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)所需要的時間，可以同時采用流程圖分析與系統仿真來分析。

結語
所設計的基于ES60X8 DVD處理器與8位微處理器TMP87CH47U的車載音響系統已經順利通過測試，并在國內某汽車音響廠家批量生產。今后需要進行的改進是在軟硬件優化問題上，以進一步提高產品性能?！?/p>

參考文獻
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. 《微型計算機原理與接口技術》. 合肥.中國科學技術大學出版社. 1999