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[经验] T-box系统解决方案之紧急呼叫单元深度剖析

2019-8-20 04:45:01  283 嵌入式 ecall adc
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远程信息处理控制单元(TCU或T-BOX)是一种嵌入式车载系统,可应用于车辆的无线跟踪与通信等领域。
在本系列的文章中会依次对以下主要模块进行详细介绍:
第一节:电源轨;
第二节:充放电管理;
第三节:接口
第四节:紧急呼叫单元;
第五节:无线连接单元;
第四节 紧急呼叫单元

紧急呼叫单元eCall(Emergency Call)是T-BOX的重要组成部分,当汽车在行驶过程中发生意外事故时,eCall通过移动电话和卫星定位功能,与救援中心建立联系并及时调动救援服务,从而挽救生命。

图- 1
“安全无小事,生命大于天。” 欧盟已有明确规定,2018年4月以后销售的所有汽车都必须安装eCall车载系统。联合国拟定的草案也对通话时长、备用电池以及声音强度做出了明确要求。通话(Voice Communication Mode)时长不少于5分钟,且电话回调(Callback Mode)时长不少于20分钟;备用电池只能为车载系统IVS(In-vehicle System)供电;接收响度等级RLR(Receiving Loudness Rating)为2dB。相信未来国内也会进一步制定统一的标准和强制性的标配。

对于eCall,TI提供的系统解决方案以及参考设计如下:
  • TIDA-00159:汽车紧急呼叫参考设计
  • TIDA-00724:汽车紧急呼叫 (eCall) 音频系统参考设计

TIDA-00159使用的是无线调制解调器(Sierra Wireless modem)进行模拟信号与数字信号之间的转换,而TIDA-00724使用的是音频编码解码器(TI Codec)。
系统介绍
下面以TI参考设计TIDA-00724为例介绍eCall系统。

eCall系统框图如下图-2所示。当事故发生后,音频信号经过音频放大器(audio AMP)放大至ADC所能识别的输入范围,将模拟信号转换成数字信号;数字信号经过无线连接(Wireless Connectivity)与呼叫中心取得联系,通过GPS迅速锁定车辆所在位置,并返回相关的应答信号;该应答信号再经过DAC转换成模拟信号后,由D类功率放大器(Class-D AMP)进一步放大,从而驱动扬声器发声。

图- 2
1)音频放大器(Audio AMP)
当经过麦克风的模拟信号较小时,需要经过音频放大器进一步放大后再作为ADC的输入。TI推荐的OPA1662-Q1是一个双路双极输入运算放大器,可提供低噪声密度和 0.00006% 的超低失真 (1kHz),能够最大限度地增大信号输出。
2)音频编码解码器(CODEC)
eCall系统中的音频编码解码器必须能够支持来自无线模块的数字音频源、麦克风输入和扬声器输出之间的全双工通信。TI推荐的型号为TLV320AIC3104-Q1,TLV320AIC3106-Q1以及TLV320AIC3109-Q1,它们主要区别在于ADC/DAC的通道数,音频输入输出的通道数。




TLV320AIC3104-Q1TLV320AIC3106-Q1TLV320AIC3109-Q1ADC通道221ADC信噪比(dB)92DAC通道221DAC信噪比(dB)102模拟输入通道6104模拟输出通道676最大采样率(kHz)96数字音频接口支持L, R, I²S, DSP, TDM
通常使用TLV320AIC3104-Q1,它是一种双通道音频编码解码器,满足低功耗要求,具有eCall应用所需的输入和输出,TI也提供相应的评估板:TLV320AIC3104 评估模块。该芯片特点列举如下:
  • 优化语音应用的性能;
  • 支持高清语音/宽带音频;
  • 灵活的接口,支持多路复用;
  • 有效抑制噪声,增大动态范围
音频编码解码器的额外差动输出需要采取保护措施,免受ESD影响。TI推荐的ESD保护器件为TPD2E007,在8kV接触放电和15kV空气放电仍能提供保护。其击穿电压为14V,远高于TLV320AIC3104-Q1的工作电压范围。

3)D类功率放大器(Class-D AMP)
功率放大器的选择有AB类功放或者D类功放。AB类功放是线性放大器,不产生电磁干扰(EMI),不需要太多外部电子元件,然而效率非常低,需要采用大量散热措施。而D类功放是高效的开关放大器,不需要太多的散热措施。虽然D类功放需要输出电感,不能免除EMI的影响,但是TI采用了BD模式调制减少了电感的纹波电流。由于备用电池的价格非常昂贵,如果使用AB类功放,大部分能量以热的形式散失,所以还是使用D类功放更能节省成本。
应用于eCall场合下的D类功放还需要有诊断和保护的功能。在碰撞之前进行负载诊断有助于将系统的任何问题反馈给驱动程序进行维护;在碰撞后出现故障,可以直接通知呼叫中心扬声器失效。虽然在eCall内部不太可能会受到高压破坏,但是连接扬声器和eCall的电缆在安装、维护和故障的过程中很有可能短接到电源或地,即使只是瞬间事件也有可能对D类功放造成损害,所以还需要为这些事件提供集成保护电路,减少了对外部器件的需求,并可以通过I²C报告问题。TI主推器件包括TAS5411-Q1,TAS5421-Q1以及TPA3111D1-Q1。对于大多数需要断和集成保护的应用场合而言,功率为8W的TAS5411-Q1是优选。对于更高的功耗需求,推荐使用功率为22W的TAS5421-Q1(除功率外其余配置跟TAS5411-Q1一致)。对于不需要集成负载诊断或保护的低端应用场合,TPA3111D1-Q1是不错的选择。TI推荐的TAS5411-Q1特点列举如下:
  • 可从低电源轨获得充足的声压SPL(Sound Pressure Level);
  • 针对短路到高电压轨道的情况提供保护;
  • 针对苛刻的汽车瞬变提供保护;
  • 可长时间使用备份电源供电;
  • 集成监控电路,降低成本;
  • 增强系统的抗噪能力。
如果对功率要求不高,不需要集成诊断保护功能,且通过GPIO控制的场合下可使用功率为2W的D类单声道免滤波音频放大器TPA2000D1-Q1。它采用了TI的第三代调制技术,提高了效率和信噪比。
4)无线连接连接(Wireless Connectivity)
eCall中还涉及无线连接单元,主要用于卫星定位与电话通讯。关于无线连接单元在后面一节会详细介绍。 敬请期待!
   
本系列其他文章链接:
  • 第一节:电源轨;
  • 第二节:充放电管理;
  • 第三节:接口
  • 第四节:紧急呼叫单元;
  • 第五节:无线连接单元;

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