ADI三轴加速度计ADXL317在车载拾音上的应用

在《ADI 音频在 PCBA 里的通用传输格式》和《深入了解数字音频接口 TDM 在软硬件配置中的问题》两篇文章中，我们介绍过目前关于汽车音频主流的一些架构和设计思路，也聊过数字音频格式里面的一些主流格式和配置方法。基于此，本文将介绍在这个架构之上的一些边缘应用的设计思路，主要围绕拾音类的相关应用展开描述。

目前在车上做的拾音类产品主要有四种表现形式：

第一种是以 A2B 作为加解串芯片加 PDM 数字麦克风的拾音应用，主要用于采集人声，或者采集特定部位的噪声；

第二种是 A2B 加振动传感器，主要用于采集避震、发动机引擎等低频率高振幅度的相关噪声，后面会展开说明为什么要用它进行采集；

第三种是 A2B 加 PDM 麦克风加扬声器，主要用于头枕类的应用，一方面做分区的人声采集，另一方面进行分区音乐播放；

第四种是 A2B 加无线音频接收芯片，配合一些麦克风做车载卡拉 OK (目前运用的不算特别多)，功放暂时不涉及。

声学传感器的类型和选择

在声学传感器的选择中，一般要根据环境来确定。在麦克风领域，我们熟悉的就有很多种选择，诸如：电容式麦克风、动圈麦克风、铝带麦克风、驻极体麦克风等等。这些麦克风各有特点，大家可根据需求合理选择。

例如在录音棚里，我们所用的一般都是电容式麦克风，因为需要捕捉很多声音的细节和比较高的动态，而面对高声压的设备，我们一般就用动圈式麦克风。在车载上，用的最多的就是电容与驻极体的模拟麦克风了，但是随着新型硅传感器的普及，使用量将会越来越多。数字硅麦克风一方面便于和数字信号的相关芯片连接，另一方面体积比较小，在人声这些频段，动态大，且 SNR 相当优秀。

三轴 MEMS 拾音

首先为大家介绍三轴 MEMS 拾音产品存在的意义。在传统汽车厂商的设计中，因为在车上进行语音通信时，使用手机会比较不方便，所以汽车厂商一般会在车身拆分麦克风和扬声器这 2 个独立的单元。在麦克风单元上，以前模拟类型的麦克风用的最多的就是驻极体麦克风 (ECM) 类型，ECM 类型的驻极体一般具备高通的特性以及调整成超心型极性图，通过长长的导线进行传输，固有的一些缺陷是对于低频段拾音能力的不足，以及固定噪声的引入，所以三轴 I2S 加速度计就有其存在的意义。

目前我们主要用到的芯片是 ADI 的 ADXL317，它是一款 3 轴 ±16g I2S 数字加速度计，它能做到的就是拾取三轴的振动噪声数据，将之直接转换为数字音频格式传输到音频链路中进行处理，主要应用在 RNC 和 ANC 这些领域，这是我们用一般硅 MEMS 还有驻极体拾音器所拾取不到的，或者拾取到也是噪声源样本太过于不精确，会妨碍我们的功能处理。下图 (图1) 为 ADXL317 内部框架图：

图1 ADXL317 内部框架图

从图中看出，显示三轴的物理 sensor，将振动信号倒入到 SENSE ELECTRONICS，转换为电信号后，三轴对应三个 ADC，进行数字量的转化，再进行一个高切，这个地方是减少高频噪声，且它的频响主要集中在低频段，最后转化为 IIS 音频信号传出来。总体来看，IIC 进行控制，出三轴 IIS 数据，可以和 A2B 完美搭配，做成模块，方便安装到待测目标点位。

对于这个设备最关键的一些指标 — 带宽、分辨率、位深、延时和噪声，带宽用户可选带宽 500hz~4Khz，48khz 14bit 数据，90us 延时以及 xy 轴 55ug/hz 的相关噪声，它们已经足够覆盖应用。目前该器件支持 TDM2/4/8，位深一般是 16bits 或 32bits。

目前用来配合应用的温漂、轴向线性可以根据手册图示查看，但在设计时要注意，重力是一个恒定的 +1g 的加速度力，会影响整体，所以在应用设计时要考虑到重力因素，它对这种低克重加速度计影响很大。同时在安装时应该考虑到不同方位对不同轴向的影响，从而对 1g 进行加减。

图2 重力加速度响应

I2S 的一般支持 3.072Mhz 的 32bit-IIS 或者 16bit-TDM4，或者 6.144Mhz 的 32bit-TDM4 以及 16bit-TDM8，具体的配对方式在《ADI 音频在 PCBA 里的通用传输格式》一文中有详细介绍过，这里就不过多赘述了。值得注意的是，这边 IIC 只支持 100khz 的传输速率，请勿选择 400khz 速率的传输方式。

接下来介绍对于该器件的初始化顺序：

3.3V 的供电起来后，等待 1ms 再进行寄存器的读写。

启动后该器件有 DEVID 寄存器是只读的，通过读取 DEVID_ID0 寄存器来确定连接还有命令序列是否正确，该值要等于 0x22。

要先向 USER_REG_KEY 寄存器写入密钥，不然其他可写寄存器的写入都被忽略，可以理解为就是一个锁，要先写 0xBC & 0x43 写入 0x80，解锁后就可以正常写入，注意要单字节写入，不能以 buffer 形式写。

轴位配置，每个轴有自己的数字滤波器，包括 CIC，低通 IIC，高通滤波器，默认是 4khz，具体自己进行选择。

配置 TDM 的相关信息，一般是 IIS_CFG0/1、CLOCK_RATE，可以配置 TDM 的封装格式、速率等其他基础配置。

涉及到一些单位换算，数据格式的抽取与转化，大家可以参考 ADXL317 quick start User guide。

自检查模式

ADXL317 分别有正自检、负自检还有交流自检查模式，分别是 XY：+3.6g，Z：+6.6g，负自检为负值，交流自检时 100Hz 的方波。第一次上电时，一般是需要对设备进行自检的，大部分三轴 MEMS 都是如此，为了保证采样的足够精准，所以基本上都会进行这样一个过程。

与之对应，我们是通过 x_ST_AC & x_ST_POS & x_ST_NEG 这三个位来控制具体的自检类型 (正负自检以及交流自检)。同时要考虑重量问题，不然很容易校准错误。具体自检步骤在 datasheet-pg16 有相关描述。由于 TDM 格式和 IIC 格式基本是一些基础配置，这里也不过多赘述，下面介绍滤波器涉及到延时以及噪声等相关因素：

Low-pass CIC filter，始终开启，可选角频率 7.66khz，3.83khz，1.91khz，957hz。

Low-pass IIR filter，使能开启，可选角频率 5khz，2.5khz，1.25khz，625hz。

High-pass filter，使能开启，可选角频率 29.8hz，7.46hz，1.85hz，0.46hz。

在配置时，对截止频率的选择，需要我们在代测物的相关频率范围、有效带宽、噪声和延时中做均衡。频率越高，延时越小，噪声越大；频率越低，噪声越小，但是延时高，因此要尽可能的平衡以达到最佳效果。

图3 ADXL317 相关滤波器指标图示

根据上文的一些相关描述，以下给出一版 ADXL317 初始化配置，供大家参考：

图4 ADXL317 初始化配置

总结

除上面介绍的三轴 MEMS 拾音外，对于麦克风阵列的相关车载拾音设计还有头枕类，这个比较简单，一个是多 PDM 麦克风阵列，一个是麦克风阵列与 AMP 一起的产品，注意以上这些都是直接和 A2B 一起连接设计，用于汽车各个部位的拾音，可以用于汽车做的 AEC，ANC、RNC 等多场景。目前 RNC 因为价格比较高，还只在一些高端的车型上体现，以后整体成本下降，会用的越来越多。