Mikrokontroler.pl - portal dla elektroników

W historii znaleźć można wiele przykładów wykorzystania w przemyśle motoryzacyjnym technologii z pokrewnych, uzupełniających go rynków; między innymi przemysłowego, konsumenckiego i zdrowotnego. Począwszy od rewolucji w masowej produkcji samochodów, poprzez wprowadzenie przenośników znanych z przemysłu wydobywczego, aż po wprowadzenie układów obliczeniowych, które trwa od czasu, gdy ponad 30 lat temu elektroniczne jednostki sterujące w samochodach (ECU) po raz pierwszy wykorzystały możliwości mikrokontrolera. Przykładów pożyczek branżowych i czerpania korzyści z transferu technologii w przemyśle motoryzacyjnym jest zbyt wiele, by je tu wymienić. Teraz jednak przemysł motoryzacyjny odwzajemnia tę przysługę, udostępniając technologię, która może uprościć dystrybucję dźwięku w wielu różnorodnych zastosowaniach.

Cechy magistrali A²B

Magistrala A²B to dwukierunkowa magistrala cyfrowa o dużej przepustowości, pierwotnie zaprojektowana do rozwiązywania problemów związanych z dystrybucją sygnałów audio w zastosowaniach motoryzacyjnych. Istniejące samochodowe sieci audio zazwyczaj obejmowały wiele analogowych połączeń typu punkt-punkt. Technologia A²B rozwiązuje wiele problemów, którymi charakteryzują się analogowe połączenia punkt-punkt: ciężar kabla, jego koszt, trudności z prowadzeniem przewodów i niezawodnością sieci połączeń. Ułatwia transport w pełni zsynchronizowanych danych audio (I2S/TDM/PDM) i danych sterujących (I2C) w rozproszonym, wielowęzłowym systemie audio za pośrednictwem nieekranowanej skrętki dwużyłowej (UTP) i infrastruktury złączy. Obsługiwanych jest do 32 kanałów audio w obu kierunkach, co daje całkowitą przepustowość 50 Mb/s. Technologia A²B może obsługiwać sieci typu punkt-punkt, łańcuchowe i rozgałęzione.

Każda sieć składa się z węzła nadrzędnego (ang. master) i maksymalnie 10 węzłów podrzędnych (ang. slave). Węzeł nadrzędny zawiera układ nadawczo-odbiorczy A²B podłączony do procesora głównego. Może on wysyłać dźwięk, dane sterujące i dane I2C na szynę A²B. Węzły podrzędne, które różnią się złożonością – od wzmacniaczy klasy premium potrzebujących znacznej mocy obliczeniowej po węzły mikrofonowe zasilane z magistrali – zawierają układy nadawczo-odbiorcze A²B, które mogą współpracować z szeroką gamą urządzeń, takich jak mikrofony, cyfrowe procesory sygnałowe (DSP), głośniki, czujniki (na przykład akcelerometry) lub wzmacniacze klasy D.

Wszystkie urządzenia nadawczo-odbiorcze obsługują szereg dodatkowych funkcji, takich jak obsługa wejść mikrofonowych multipleksowanych z podziałem czasu (TDM) i modulacją gęstości impulsu (PDM). Istnieją uproszczone wersje układów nadawczo-odbiorczych A²B z różnymi poziomami funkcjonalności, takimi jak podrzędny węzeł końcowy (bez obsługi TDM), uproszczony węzeł nadrzędny (zmniejszona długość kabla, obsługa mniejszej liczby urządzeń podrzędnych) i uproszczony podrzędny węzeł końcowy (zmniejszona długości kabla, mniej wejść PDM).

Zastosowania A²B

Pierwotnie zastosowanie technologii A²B było ograniczone wyłącznie do zastosowań motoryzacyjnych. Mimo to w 2019 roku w pełni udostępniono ją na rynku, co otworzyło dla niej wiele nowych zastosowań.

Przypadki użycia w przemyśle motoryzacyjnym, dla których magistrala A²B okazała się skuteczna, są podobne do wielu przypadków użycia w branży transportowej, dla których nie była ona wcześniej dostępna. Jeden z segmentów branży transportowej – sprzęt budowlany i rolniczy – przechodzi aktualnie szybki rozwój technologiczny. Maszyny te stanowią środowisko pracy dla swoich operatorów – co oznacza, że funkcje takie jak telefonia głośnomówiąca, integracja wielu mikrofonów ułatwiająca kształtowanie wiązki, systemy połączeń alarmowych i redukcja szumów przekształcają te maszyny w bezpieczniejsze i wygodniejsze środowiska pracy połączone z internetem.

Rysunek 1. Przykładowa architektura A²B

Systemy kabin firmy Fritzmeier dla przemysłu terenowego i pojazdów użytkowych wraz z systemem SMARTCOM firmy Antretter & Huber, wykorzystują skalowalność technologii A²B. System SMARTCOM wyposażony w mikrofony, aktywne głośniki i inteligentny moduł radiowy FM/DAB, został zaprojektowany, aby uprościć integrację modułów innych firm. Kluczowe cechy magistrali A²B wykorzystywanej przez system SMARTCOM to przede wszystkim możliwość integracji do 10 węzłów podrzędnych podłączonych do węzła nadrzędnego oraz obsługa dwukierunkowego ruchu audio.

Magistrala w pojazdach do transportu osób

Pojazdy umożliwiające przewóz osób (na przykład autobusy, samoloty i pociągi) stanowią kolejny ważny segment branży transportowej, który może teraz wykorzystywać możliwości technologii A²B. Połączenie rozproszonych komponentów audio w tych pojazdach to oczywisty przypadek zastosowania zalet technologii A²B, takich jak możliwość wydajnego połączenia rozproszonych głośników za pomocą ekonomicznych i lekkich kabli UTP. Jednak magistrala ma dużo więcej interesujących właściwości. Obsługa nawet 32 kanałów odbiorczych (od węzła nadrzędnego do węzłów podrzędnych) i nadawczych audio (od węzła podrzędnego w kierunku węzła nadrzędnego) w sieci A²B ułatwia dystrybucję wielu różnych treści audio w ramach jednego systemu. Ta funkcja może zostać wykorzystana w autobusie wycieczkowym do odtwarzania muzyki różnych gatunków lub przewodników turystycznych w różnych językach.

Zdolność magistrali A²B do przesyłania niekrytycznych danych za pośrednictwem wejść/wyjść ogólnego przeznaczenia (GPIO) można także wykorzystać w branży transportowej. Na przykład, przyciski zatrzymania stosowane w autobusach i autokarach mogą wykorzystać tę zdolność magistrali ze względu na minimalne obciążenie związane z przetwarzaniem – po skonfigurowaniu łącza A²B przez węzeł główny podczas inicjalizacji, porty GPIO działają bez żadnej dodatkowej interwencji hosta.

A²B w systemach nagłośnienia

Poza branżą transportową wiele standardów, jak np. AES67, wykorzystuje technologie, takie jak Ethernet i protokół internetowy (IP) do przesyłania dźwięku na różne odległości, od domowych lub małych instalacji studyjnych, po stadiony i instalacje w centrach handlowych. Technologia A²B nie jest bezpośrednim konkurentem licznych technologii opartych na sieci Ethernet, przesyłających dźwięk na duże odległości. Zamiast tego technologię można uznać za uzupełniającą, doskonale nadającą się do zapewnienia łączności między siecią szkieletową a urządzeniami peryferyjnymi.

Na przykład biorąc pod uwagę instalację na stadionie, technologia Ethernet, taka jak AES67, jest niezwykle skuteczna w dystrybucji dźwięku w halach lub między strefami lokalnymi, takimi jak apartamenty lub restauracje. Jednak w samych strefach lokalnych technologia A²B ma kilka wyraźnych zalet przy łączeniu technologii Ethernet z urządzeniami brzegowymi. Układy nadawczo-odbiorcze A²B mają zintegrowany kontroler sieciowy i warstwę PHY. Złącza UTP obsługiwane przez urządzenia A²B są ekonomiczne i łatwe w montażu, a kable UTP są niedrogie, elastyczne i lekkie. Technologia A²B jest również wysoce zoptymalizowana z punktu widzenia przetwarzania danych w węzłach, dając możliwość implementacji węzła podrzędnego bez konieczności stosowania mikrokontrolera.

Rysunek 2. Wykorzystanie A²B do połączeń brzegowych

Stos programowy A²B

Magistrala A²B od samego początku została zaprojektowana tak, aby mieć minimalne wymagania dotyczące przetwarzania w całej sieci. Podczas inicjalizacji systemu układ nadawczo-odbiorczy w głównym węźle A²B musi skonfigurować sieć. Odpowiedzialność spoczywa na kontrolerze hosta (którym może być dowolny układ scalony lub SoC z interfejsem I²C). Analog Devices udostępnia referencyjny stos oprogramowania do konfiguracji sieci zarówno w języku embedded C, jak i dla systemu Linux. Po skonfigurowaniu sieci, jedynym dodatkowym narzutem oprogramowania jest wybrana dla danej aplikacji funkcja sprawdzania statusu. Dzięki takiemu podejściu technologia wypada korzystnie w porównaniu z technologiami, wymagającymi uruchamiania stosu w każdym węźle podłączonym do sieci.

Magistrala w studiach nagraniowych

Minimalne wymagania dotyczące mocy obliczeniowej węzłów technologii A²B, w połączeniu z możliwością dostarczania zasilania przez kabel, sprawiają, że sieć doskonale nadaje się do zastosowań wymagających bardzo uproszczonych projektów węzłów podrzędnych. Kilka aplikacji w środowisku studia nagrań również może potencjalnie wykorzystywać obsługę prostych projektów węzłów z zasilaniem magistrali. Są to np. mikrofony talkback lub przetworniki gitarowe. Łącząc węzły zasilane z magistrali z węzłami zasilanymi lokalnie, projektant systemu może stworzyć złożony projekt studia. W takim studio można wykorzystać 24-bitową, cyfrową ścieżkę 96 kHz dostarczaną przez technologię A²B. Długość kabla obsługiwana przez magistralę A²B to kolejna cecha, którą można wykorzystać w studiu lub na małej scenie. Elastyczność ta można przydać się na przykład do połączenia takich elementów, jak stół mikserski, monitory, mikrofony, korektory dźwięku lub wzmacniacze.

Rysunek 3. Architektura stosu oprogramowania A²B

Systemy telekonferencyjne

Długość kabla obsługiwanego przez magistralę A²B można wykorzystać również w systemach telekonferencyjnych. Mają one kluczowe znaczenie w dzisiejszych salach konferencyjnych. Systemy takie wymagają podłączenia różnych elementów, takich jak mikrofony, głośniki i przyciski wyciszania. Mogą również wykorzystać niskie, deterministyczne opóźnienie oferowane przez technologię A²B podczas wdrażania rozwiązań mikrofonów kształtujących wiązkę. Liczba zaangażowanych mikrofonów, dostępna moc obliczeniowa i małe opóźnienia w systemie decydują o skuteczności implementacji układu kształtowania wiązki. Technologia A²B zapewnia synchroniczną wymianę danych z gwarantowanym maksymalnym opóźnieniem poniżej 50 µs. Obsługa GPIO magistrali A²B może być również wykorzystywana w systemie telekonferencyjnym do przekazywania wszelkich sygnałów pomocniczych.  Mogą to być przyciski sterujące wyciszaniem, a także wskaźniki stanu połączenia lub wyciszenia.

Dzięki udokumentowanym osiągnięciom w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej w środowisku motoryzacyjnym, technologia A²B stanowi atrakcyjną propozycję dla zastosowań wymagających niezawodnej transmisji dźwięku i danych niekrytycznych w mocno zaszumionym środowisku pracy. Po osiągnięciu zgodności z surowymi normami motoryzacyjnymi dotyczącymi kompatybilności elektromagnetycznej, w tym emisji, odporności na zakłócenia i wyładowania elektrostatyczne, magistrala A²B idealnie nadaje się do zastosowań w awionice i lotnictwie. Wystarczy trzymać się podstawowych wytycznych projektowych i postępować zgodnie z projektami referencyjnymi, aby łatwo uzyskać zgodność z normami.

Projekty referencyjne i układy A²B

Projekty referencyjne są ważnym elementem ekosystemu produktu, niezbędnym do uproszczenia i przyspieszenia procesu projektowania w danej technologii. Magistralę A²B wykorzystuje wiele sprzętowych projektów referencyjnych firmy Analog Devices, a także jej partnerów. Inne tradycyjne elementy ekosystemu to duża dostępność próbek, dokumentacji i zestawów ewaluacyjnych. Oprócz tego ekosystem A²B obejmuje również trzy inne ważne elementy: oprogramowanie, narzędzia projektowe i zewnętrznych partnerów projektowych.

Rysunek 4. Przykładowy system ewaluacyjny technologii A²B

Oprócz wspomnianej wcześniej referencyjnej architektury stosu oprogramowania, technologia A²B jest również obsługiwana przez uznane w branży narzędzie programistyczne firmy Analog Devices, SigmaStudio. Jest to narzędzie projektowe używane do obsługi wszystkich aspektów procesu projektowania A²B. Można w nim projektować sieci na zasadzie graficznego układania węzłów A²B, konfigurować węzły, przeprowadzić analizę stopy błędów, obliczyć przepustowość i moc. SigmaStudio pobiera dane konfiguracyjne i generuje pliki .c i .h w celu integracji z resztą oprogramowania.

Rysunek 5. Narzędzie do konfiguracji sieci SigmaStudio

Układy firm zewnętrznych

Dostawcy sprzętu testowego, tacy jak Mentor, Total Phase i inni, również są częścią ekosystemu magistrali A²B. Firmy te oferują między innymi analizatory i monitory A²B. Analizator A²B może emulować węzeł nadrzędny lub podrzędny w sieci. Pomaga to podczas projektowania i tworzenia prototypów. Monitor działa jako węzeł pasywny i obserwuje wszystkie dane audio i pozostałe dane przechodzące przez węzeł. Jednocześnie obsługują wejście i wyjście audio. Narzędzia te pomagają klientom skrócić czas wprowadzania produktów na rynek i uprościć projektowanie. Przyspieszają także debugowanie i badanie problemów zarówno przed, jak i po wydaniu projektu. Kilka firm zewnętrznych, mających doświadczenie we wprowadzaniu produktów na rynek, świadczy usługi projektowe z wykorzystaniem technologii A²B. Partnerzy ci oferują szereg usług, od modułów sprzętowych po indywidualne wsparcie projektowania sprzętu i oprogramowania.

Czynniki takie jak ekosystem, odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, obsługa różnych długości kabli i minimalny narzut obliczeniowy związany z przetwarzaniem uzupełniają znakomite możliwości transmisji dźwięku i danych, z których znana jest magistrala A²B. Te czynniki i możliwości sprawiają, że technologia jest bardzo atrakcyjną propozycją do zastosowań w wielu różnych branżach. Są to m.in transport, profesjonalny sprzęt audio-wideo, a także produkcja i występy muzyczne.

Układy A²B z oferty Analog Devices

Aby obsłużyć różnorodne potrzeby rynku, wydanych zostało pięć rodzajów układów nadawczo-odbiorczych A²B – dwa nadrzędne i trzy podrzędne. Wśród pięciu oferowanych typów znajdują się także zoptymalizowane urządzenia punktu końcowego. Przegląd wszystkich pięciu układów dostępnych na rynku przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Urządzenia A²B dostępne w sprzedaży

Płytki ewaluacyjne

Magistrala A²B jest obsługiwana także przez szereg płytek ewaluacyjnych firmy Analog Devices zawierających różne układy A²B. Oprócz płytek ADI dostępne są także płytki A²B oferowane przez zewnętrzne firmy projektowe.

Tabela 2. Płytki ewaluacyjne A²B dostępne w sprzedaży

Więcej informacji oraz gotowe zestawy A²B można znaleźć na stronie analog.com/a2b.