基於炬芯(Actions) ATS2819的TWS藍牙音箱方案

5月31日,榮耀在上海舉行新品發布會,潮配家族也迎來“大音量重低音、單手可握、雙組合立體聲”的榮耀魔方藍牙音箱。6月21日nova 5系列發布會上,華為還帶來了多款周邊產品,包括專為nova 5定製的mini藍牙音箱。華為mini藍牙音箱一如其名非常小巧,高度僅僅56mm,直徑不過50mm,而且採用懸掛式設計,可隨身攜帶,同時表面只有一顆開關按鍵和一顆紅藍雙色指示燈。TWS真無線技術在藍牙音箱上的使用,讓用戶徹底擺脫線纜,不論是在家裡還是室外的任何角落,自由地組成立體聲揚聲器系統。藍牙音箱可以通過TWS真無線技術,兩個一組配對,主打賣點天生一對,雙聲環繞;雙音響輕鬆配對,暢享立體音效。這兩款主控晶片均來自炬芯ATS2819,專為便攜式和無線藍牙音頻設備應用。單晶片架構,輕巧、省電,可以節省前期開發投入快速上市。支持藍牙4.2,以及藍牙通話功能。

我們了解到市面上見到的米兔故事機mini、Anker Soundcore Flare燃!無線藍牙音箱、小米電視音響、AbramTek艾特銘客E6無損藍牙音效播放器、abramek艾特銘客 金剛4 藍牙音箱等音頻產品均採用了炬芯音頻解決方案;

一、總體說明

1.1模塊劃分

         ATS2819/ATS2819P標準應用方案主要分為以下功能模塊:

         Power Supply,BlueTooth,Audio Input/Output(包括codec、I2C、SPDIF),FM Receiver,disaplay(LED&LCD),USB,SPI NOR Flash Memory,SD/MMC/MS Card等。         

1.2原理圖設計總體原則
1原理圖設計需要按照方案規格的要求實現各項硬體功能,儘量避免功能模塊相互間的資源衝突。如果存在I/O復用,接收復用等情況,除了需注意檢查I/O上電狀態,接口時序等,還需要注意復用的SIO工作頻率與工作電壓域是否符合要求(如WIO),確保功能設計正確實現。
2原理圖設計要求性能達到要求。如穩定性,啟動電壓,功耗,ESD,EMI等。要注意檢查模塊電源開關狀態,選擇的原件標稱及精度、材質,接口保護元件和EMI濾波器等。
3系統時鐘26MHZ,要求CL為7~9PF,精度為+-10PPM。這樣才能保證系統能正常工作。
        4當設計PCB受限於模具大小時,各個模塊無法保證均能得到最優的布局布線(如濾波電容要求靠近IC、走線上要求儘量少的過孔與儘可能短的走線)。因為在此給出一個模塊優先級以供設計人員參考,從而提高方案設計的效率,增加一版work的可行性。將優先級以阿拉伯數據排列,1位最高:
        

1.3 PCB設計總體說明

         1 PCB設計推薦2層板。底線的銅箔儘量大且完整,使用地線將高速信號包住,或者通過地線將敏感信號和干擾源隔離開。

         2 ATS2819/ATS2819P有AGND與GND兩個地,其中AGND為模擬地,layout時要注意分地處理。

         3 元件布局儘量將敏感元件放在PCB中間,如主控,Flash,晶體等。而將其他非敏感元件放在PCB邊緣,以減少敏感元件受靜電放電損壞的幾率。

         4 如有EPAD的器件,需要多打地孔。

         5 IO扣的控制線、時鐘線和數據信號走線,一般走5~6mil,模擬的音頻線一般走8mil。對於電源走線,可根據電流的大小來決定,一般會在15~25mil之間。

         6 整個PCB的地平面要完整、連通。如器件過多或板子面積小,儘量保證有一面的低完整並多打地孔。ESD器件到電池地有一塊完整連通的地平面。

1.4模具設計總計說明

         1 作為藍牙音箱方案,模具設計要充分考慮揚聲器音腔的設計。這需要專業的音箱設計人員參與模具設計。腔體的組裝密封性一定要好,不能漏氣。

         2 有藍牙通話功能,模塊最好保證SPEAKER 與 MIC 之間有良好隔離,減少SPEAKER聲音傳到MIC裡面,導致藍牙通話效果變差。所以,喇叭和MIC都需要用密封膠封住。而且,SPEAKER 和 MIC 最好不要放在同一面。否則,也會影響通過效果。

         3 對於Speaker的選擇,保證喇叭聲音的線性度在4KHz以內要好。

         4 有諧振腔的,需要將諧振腔當成speaker來對待。

         5 有藍牙產品的模具設計時就要充分考慮藍牙天線的擺放位置及方向,天線周邊的空間不能有干擾物件存在。包括金屬,如SPEAKER和金屬外殼;還有排線,如喇叭、電源排線等。在確保天線能良好發射的情況下可考慮做部分金屬外殼與PCB共地,提高ESD性能。

 
  延伸閱讀  




二、電源模塊與地的設計

         ATS2819/ATS2819P的電源模式有:鋰電池方案,USB供電模式,無內部充電模塊。支持軟關機狀態下的觸發喚醒。

         ATS1829/ATS1829P有模擬地(AGND)與公用地(GND)兩種地,其中AGND作為整個模擬模塊的參考,必須和GND分開,設計上採用分地設計、單點接地處理。為了避免GND上各種抖動、地彈對AGND的干擾,共地點選擇有兩大原則:一是靠近電池的地(同理如果是USB供電則靠近USB的回流地);二是避開功率大(如功放地)、信號翻轉快信號(如數字模擬地)。

         使用AGND可以極大提升整機音頻性能。如在音響方案中,若功放是差分輸入端,將差分輸入正端的器件接AGND,可獲得低於接GND的底噪,同時可以減弱抑制藍牙產生的干擾信號。

         2.1電路圖設計及其原理說明

         系統電源網絡來源及作用說明:
          

                  1,BAT電源是給IC供電及VCC等電源的由來,因此設計時BAT需和其他抽電猛的電源隔開(如PA電源),防止瞬間抽點將BAT拉低導致整機掛掉。標案中採用BAT PIN直接檢測電池電量,低電檢測的閾值可以自行設置

                   2,VCC_RF是給RF系統供電,直接取VCC電。每個RF電源腳都需要就近放置一個104電容,並預留一個ESD器件。VCC_RF布線時,必須先通過濾波電容再到RF電源pin腳。在VCC_RF網絡上的ESD器件接地端要有完整地平面到電池地。

                   3.由IC輸出的VCC、AVCC可提供給外部使用,但各個外設必須有獨立濾波電容,以防止某個外設異常抽點導致VCC電壓跌落,影響其他外設甚至IC的正常工作。除了加濾波電容,建議每個使用VCC的外設都使用小電阻隔離。同時設計時需要考慮各個電源的最大負載能力,不能超出範圍。

         2.2 PCB設計說明

                   1各個電源的退耦電容儘量靠近IC的引腳,以達到良好的退耦效果。如VREFI、VCC-RF等對與整個系統至關重要的要儘量保證電容布局在退耦電容的退耦半徑內(一般距IC 60mils以內)。退耦電容的地端應就近打孔。在PCB面積小的時候應該優先確保優先級高(在4.2中已給出)的靠近IC,同優先級的則容值小的靠近IC。

                   2確保各個電源的走線寬度能夠承受相應的電流,在允許的情況下儘量加粗,減小電源走線阻抗。且避免單面走線呈環形,儘量使用星型拓撲結構。

 

三、藍牙模塊

         BlueTooth部分屬於射頻電路,較為敏感,RF的電源的濾波電容要儘可能靠近IC。由於藍牙與系統是共用一個晶體的,更換晶體時,需提供該品牌靠近0 PPM 和 +-10 PPM 的晶體來調整負載電容。軟體上可以微調IC內部電容來小範圍調整頻偏,主要是通過外部負載電容來調整。一般外部電容選取同晶振的CL電容相等,電容精度要求是+-0.25pF。

         在天線端預留tt型匹配網絡。天線匹配電容的參數,需要根據實際效果來確定,遵從的是天線諧振點在2.4G前的,匹配參數要往小調。反之,諧振點在2.4G後,需要往大調。
         

         在傳輸線靠近天線端與IC端增加TVS管以保護射頻電路。同時考慮到不影響到天線阻抗匹配,該TVS管等效電容要選取小於0.5pF。

四、 USB部分

         USB接口的DP和DM不要接反。USB DP和USB DM為差分信號線,應遵循差分走線原則,差分阻抗90+-10%歐姆;差分線包地處理,少打過孔。USB走線不要有分叉,如果同時有HOST功能,USB走線必須先到USB HOST口,再到USB DEVICE口。

五、 Nor Flash模塊

         5.1電路圖設計及其原理說明

                   ATS2819/ATS2819P 內建兩組SPI控制器,均支持一線和兩線方式。其中ATS2819 MCP NOR Flash,所以只有SPI1 可供使用。

         5.2 PCB設計說明

                   1 Flash屬於干擾較大的數字電路,其讀寫信號線和數據信號線的電場輻射較強,頻率不固定,有可能影響Audio部分,設計時注意將這些網絡遠離Audio和RF部分,在需要通過EMI的方案中,儘量將這些網絡埋在PCB內層,並通過底層隔離。退耦電容靠近Flash的管腳放置。

                   2 Flash的讀寫信號線走線儘量短、少打過孔、包地處理。

六、 ESD注意事項

         ESD涉及了硬體和模具設計,同時和軟體的配置相關。對於方案端原理圖的ESD設計重點在於:在對靜電敏感的信號線增加MLV,重要信號線加TVS管;RF走線需要加TVS管,且靠近IC端放置;根據實際PCB走線,在重點電源增加MLV或TVS管;TVS管的插入損耗必須小,特別是RFIO上的TVS管的等效電容必須要小於0.5pF的。

         6.1 電路圖設計及其原理說明

                1視頻信號傳輸線上需要加TVS管,其中靠近IC pin腳放置的TVS管必須加上,靠近天線放置的TVS管必須預留位置,視實際ESD情況決定貼或NC。
                   
               2.敏感信號線加MLV/TVS管。如ONOFF、卡的CLK/CMD/DATA、USB的DM/DP等,ONOFF與IC之間必須串接一個電阻,阻值為47K。

                
               3.在重要電源上要加MLV/TVS,如RF模塊的電源VCC-RF。

                 

         6.2 ESD硬體PCB設計

                   1.對於方案PCB一般受限於成本和模具等因素,一般面積較小、PCB層數也多為兩層板。因此ESD前期的器件布局和走線就顯得尤為重要。整體設計重點有以下:

                   (1)若PCB選擇四層板,則使用疊層結構:S-G-P-S或S-P-G-S,其中電源可以走在內層,地層要靠近高速信號線和主控。

                   (2)RFIO網絡的TVS管靠近IC放置,TVS管的地周圍就近打孔,並保持有背面有一層完整的參考地平面。
                          
                             
                            

                   (3)走線要儘量遠離板地,一些主要走線。如復位,在布局上儘量遠離USB座、TF卡槽等靜電擊打點。若是四層板則ONOFF走線要走在內層。

                     

         6.3 ESD模具設計

                   1若想要設計模具時就考慮ESD則建議使用金屬外殼,並和PCB地相連

                   2 模具密封性要好,除了必要的USB、卡座、耳機座等,其餘的儘量不要露出來

                   3 模具最好設計成一個PCB板,儘量不要設計成多個板子

 

七、 EMI

         ATS2819、ATS2819P方案中EMI輻射較為嚴重的模塊有:卡模塊、USB模塊、SPI NOR模塊、外部DC/DC模塊、外部classD 功放模塊、FMCLK信號線等

         7.1 EMI原理圖設計

                  1 每個電源都要加小電容,退耦電容儘量靠近IC PIN腳。

                   2 卡信號線的 CLK/CMD/DATA和SPINOR的MOSI/CLK上串接22R電阻,以此減弱EMI輻射。

                   3 Class D功放輸出端加濾波電路(一般使用LC濾波不損耗能量)來減弱EMI輻射。

                   4 USB的DM/DP增加共模扼流圈,同時電源增加RC濾波電路。

         7.2 EMIOCB設計

                   1 若需要過EMI認證的推薦PCB使用4層板,疊層結構使用S-G-P-S或S-P-G-S,其中高頻易產生EMI干擾和敏感易受到干擾的信號線從IC一出來就打孔下到內層去,並確保頂層和底層都有一塊完整性和連通性好的地平面覆蓋。

                   2 若使用2層板,則需要把EMI輻射較大的器件和信號線儘量靠近PCB板內,信號線用底線包起來並在底線均勻多打孔。
               

                   3 當audio底噪等性能在可接受範圍時選擇不分地,讓整個地平面完整。鋪地儘量將整個系統包起來,邊框處和空白處多打地孔。

                   4 當分主板和子板時,如果子板上有TF卡座、USB座等較大輻射時,主板與子板之間的排線至少需要2個以上的地線點,並且要兩個點要相鄰在一起。最好使用具有EMI屏蔽效果的排線,排線儘量短、粗。

 

軟體開發環境搭建
ATS2819編譯工具鏈為:GNU開發工具集,而我們開發所用的操作系統是Windows系列操作系統,所以必須安裝cygwin 平台,關於GNU開發工具集與cygwin 相關知識網上也有非常豐富的說明;
1、Cygwin安裝
因為我們只需要使用 GNU 編譯工具集,所以只需要安裝 tidy 版本就行了。註:full 版本安裝很慢,並且很容易安裝出錯,不建議安裝。
如果之前沒有安裝過,請按照第1節全新安裝,如果你曾經安裝過cygwin,但是安裝在系統盤,或者不確定是否仍然可用,請按照第2節方法完全卸載,再按照第1節全新安裝。

1.1、全新安裝 cygwin
前提:
1) cygwin 不可以安裝到系統盤符下,因為容易被其他軟體尤其是查殺軟體誤操作。
2)安裝 tidy 版本的 cygwin,需要至少 600M 的空間,請安裝前確認可用分區。下面的安裝步驟是安裝到 D:\,也可以是其它分區(除了系統盤)。
3)cygwin 需要安裝到根目錄下,不可安裝到類似 D:\Program Files\cygwin 的路徑。
4)如果你之前曾經安裝過 cygwin,安裝在系統盤,或者不確定是否仍然可用,請先卸載,卸載方法參照第2節。
步驟:
1)將 tidy版本 cygwin 拷貝到本地目錄D:\MIPS_TOOLS\cygwin_tidy, 此路徑就是下面步驟5)的路徑。
2)雙擊 setup.exe,按下一步。
3)選擇 "Install from Local Directory", 按下一步。

4)選擇非系統盤的根目錄作為安裝路徑D:\Cygwin, 按下一步。

5)選擇源安裝程序的路徑,按下一步。

6)點擊All旁邊的紅色框位置,Default 會變為 Install (如果 PC 反應慢,可能等幾秒才會變,再點會繼續 Reinstall--->Uninstall--->Default--->Install 循環,我們安裝時讓其處於 Install 狀態),按下一步繼續就可以了。

7)後面等待安裝結束就可了(需要幾分鐘才裝完)。如果在安裝過程中提升類似“內存錯誤“,很可能是你的PC內存不足,可以點擊”取消“,然後“重新啟動”PC("註銷"不能完全釋放內存),再重新安裝。
8)設置環境變量。在"環境變量"窗口下的"系統變量"子窗口中,在“path”值增加“;D:\Cygwin\bin”(路徑間用分號,最後的結尾不需要;注意:系統環境變量值為";D:\Cygwin",可以在cygwin中 make,但是無法在 cmd 命令行中 make,而造成靜態代碼分析工具 QAC 等需要調用 make 工具的其他工具運行失敗)。
9)檢查文件D:\cygwin\cygwin.bat 中的路徑是否為“chdir D:\cygwin\bin”,如果是則跳過,否則修改為此路徑"chdir D:\cygwin\bin"。

1.2、卸載 cygwin
假如你之前將 cygwin 安裝在 C:\Cygwin, 按照下面步驟刪除 (如果某些步驟中所描述的項目已經不存在,可以略過):
1)按照第1節的 1)至 4)步操作,在第 1 節 第 5)步的界面,紅色框處於 Uninstall時,按下一步進行卸載,直到完成。
2)刪除 C:Cygwin, 以及其所有的子目錄。
3)刪除系統環境變量path中 C:Cygwin 開始的路徑。
4)刪除開始--->所有程序中下圖中的3項(直接右鍵刪除)。

5)刪除註冊表中的項目(開始--->運行,輸入regedit)
" HKEY_CURRENT_USER_Software_Cygnus Solutions "
" HKEY_LOCAL_MACHINE_Software_Cygnus Solutions "

2、SDE工具鏈的安裝
Cygwin 自帶的 GNU 編譯工具鏈是面向 PC 平台的,而我們需要的 GNU 編譯工具鏈是面向 MIPS 晶片平台,必須安裝 MIPS 公司的 SDE 工具鏈。SDE 工具鏈的安裝文件為:PN0016-06.61-2B-MIPSSW-MSDE-v6.06.01.tgz。
安裝步驟如下(下面使用命令行方式操作,用戶也可以直接圖形化操作):
2.1 拷貝 PN0016-06.61-2B-MIPSSW-MSDE-v6.06.01.tgz 到目錄 D:\cygwin\tmp\ 下。
2.2 cd/usr/local  進入/usr/local,用戶的應用程序一般放該目錄下。
2.3 mkdir sde60601 創建目錄 sde60601
2.4 cd sde60601  進入 sde60601
2.5 解壓 "gzip - dc /tmp/PN0016-06.61-2B-MIPSSW-MSDE-v6.06.01.tgz | tar xf -"。
2.6 sh./bin/sdesetup.sh 執行 setup 腳本,設置一些環境變量。
Du you want to add a MIPS sim MDI library?
輸入 n
Do you want to create an FS2 probe configuration?
輸入 n
set environment globally in /etc/profile.d?
輸入 y
2.7  關掉Cygwin 再重新打開,sde 工具鏈就可以使用了。





得益於豐富的接口和更高的帶寬、更大的內存,ATS2819可以應用於更多的差異化市場,比如藍牙鍾機、拉杆音箱、後裝車機、麥克風、智能音箱等。BLE、智能語音AI等相關規格陸續開發中,敬請期待。

►場景應用圖

►產品實體圖

►展示板照片

►方案方塊圖

►Application Diagram

►軟體開發環境Cygwin的安裝界面

►固件量產工具界面

►ASET(Audio Sound Effect Tuning Tool)安裝認證權限申請對話框

►ASET(Audio Sound Effect Tuning Tool)工具界面

►核心技術優勢

炬芯推出的ATS2819 SOC單晶片解決方案,集成度非常高,讓終端產品的設計可以做到小巧、便攜; 晶片規格優勢: 1、主晶片:a)ATS2819(LQFP-48,MCP 1M Bytes NorFlash); b)ATS2819P(LQFP-64); c)ATS2819S(QFN-48,MCP 2M Bytes NorFlash); 2、顯示支持:支持數碼管;支持9路PWM呼吸燈功能;支持LCD黑白點陣屏; 3、按鍵支持:8鍵(Play,MODE,NEXT,PREV,VOL+,VOL-,FI,CONNECT);支持迴轉型編碼器輸入;支持點位器輸入; 4、支持DC5V喚醒; 5、支持內置RTC時鐘萬年曆鬧鐘,支持鬧鐘喚醒;支持外掛RTC晶片; 6、音頻輸入接口:立體聲AUX In輸入、立體聲FM輸入、2路單端MIC In、SPDIF Rx輸入(僅ATS2819P支持)、I2SRX輸入,支持I2STX&RX 5線模式; 7、音頻輸出接口:支持立體聲模擬輸出AOUTL/AOUTR;支持I2STX數字輸出,支持I2STX&RX 5線模式;支持AOUTL/AOUTR與I2STX同時輸出,同音量調節;支持耳機直驅輸出; 8、外設接口:SD/MMC Card、2路UART TX/RX、2路TWI、1路SPI、USB Device、USB Host、GPIOIO口支持SIRQ模式、支持10路10Bits精度2KHz頻率的LRADC採樣; 9、充電接口:不支持充電功能,需外帶充電IC; 10、固件存儲:ATS2819內置1M Bytes SPI Nor flash作為程序存儲器,程序可升級;支持外掛SPI NorFlash作為程序存儲器,最大16M Bytes SPI Nor flash; 11、數據存儲:支持外掛SPI Nor flash作為數據存儲,支持最大32M Bytes SPI Nor flash。

►方案規格

方案軟體規格 1、藍牙 支持立體聲藍牙音箱,支持藍牙TWS播歌,支持音箱端控制切換手機等設備切歌、調節音量、接/掛電話,支持BLE和SPP連接共存,並且均可創建多條數據通道,用ATS2819、ATS2819P模組通過藍牙4.2雙模End Product BQB認證:a,QDID:124400;b,經典Profile:A2DP V1.3、AVRCP V1.6、GAVDP V1.3、HFPV1.7、HID V1.1、IOPT、SPP V1.2;c,BLE Profile:ANS、BAS、CTS、DIS、FMP、HOGP、HIDS、HRP、HTP、IAS、LLS、NDCS、RTUS、TIP;通過藍牙5.0 Controller Component和Host Component BQB認證:a,Controller QDID:124265 b,Host QDID:113431。 2、本地播歌 支持播放SD/MMC Card、U盤、內置和外置SPI Nor Flash上的歌曲,支持FAT16、FAT32、EXFAT/Fat64 文件系統;支持8級子目錄訪問;支持無縫播放功能。 3、AUX In 4、FM Rx&Tx 5、SPDIF RX(僅ATS2819P支持) 6、HDMI/HDMI ARC(僅ATS2819P支持) 7、USB Device 支持讀卡器功能,支持USB1.1FS;支持USB音箱;支持USB HID切換上下曲/暫停播放/調音量。 8、錄音功能 9、時鐘日曆鬧鐘 10、藍牙智能音箱 支持藍牙推歌應用的藍牙智能音箱模式。 11、用戶交互 支持音箱狀態播報,按鍵音提升,音量調節,LED數碼管顯示,LCD黑白點陣屏顯示。 12、用戶OTA升級 支持OTA升級

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