用于从或向至少一个音频部件流传输pdm数据的系统和方法
【专利摘要】本发明提供了一种电子电路、数字音频部件、接口系统和从或向至少一个音频元件流传输PDM数据的方法。该电子电路包括用于接收VDD电势的VDD连接件、用于接收数值低于VDD电势的电势的GND连接件、用于接收具有高部分和低部分的时钟信号的CLK连接件、用于向或从主机和/或另一个这种电子电路传递PDM数据的DATA连接件、用于接收指定是否与时钟信号的高部分或低部分基本同步传递的DC电势的L/R连接件。该电子电路还包括I/O电路，该I/O电路被构造成经由L/R连接件传递控制数据。
【专利说明】用于从或向至少一个音频部件流传输PDM数据的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是2011年9月I日提交的美国专利申请N0.13/224，068的继续申请，并且要求其优先权，在此通过引用并入其内容。
【技术领域】
[0003]本发明涉及电子电路、数字音频部件、接口系统和用于诸如移动电话或膝上型计算机的电子设备的方法，包括诸如麦克风部件和/或扬声器部件的数字音频部件的音频系统，其中该数字麦克风部件拾取可听或其它声音模拟信号并将它们转换成特别是PDM信号的数字电信号，并且其中数字扬声器部件发送特别是PDM信号的数字电信号并分别将它们转换为可听或其它声音模拟信号。
【背景技术】
[0004]通信技术进步在最近几年迅速发展。消费者正在越来越多地使用电子移动和静止通信，包括诸如头戴式耳机、扬声器、麦克风的提供音频功能的音频部件、用于与其它音频设备、电视机、语音识别等连接的放大器。这些部件经常在越来越小的设备中使用，诸如蜂窝电话、支持网络的蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、手持计算机、膝上型计算机、诸如pad的平板计算机或者小型数字音频连接器、或者具有印刷电子电路板(PCB)的任何其它类似设备。使用数字音频部件使得能够利用电子数字电路和高级信号处理进行可接受的声音再现。
[0005]正在开发的用于便携式和静态电子设备的技术涉及向麦克风或扬声器应用微机电系统(MEMS)。MEMS技术使得能够在诸如印刷电子电路板(PCB)的基板上构建小的机械部件。麦克风MEMS总体上包括大小为I至100微米(0.001至0.1mm)的机械元件，使得通常Imm到3mm的大小范围内的麦克风部件或组件被“粘接”到向麦克风元件及其电子电路提供壳体、空气腔室和保护的封装中。这些音频部件具有小的尺寸并因此适于被包括在小和/或薄的电子设备中。在这个方面，这些音频部件可以被包括在各种类型的电子设备和系统中；诸如计算机，例如台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、手持计算机、个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)、安全系统；通信设备，例如蜂窝电话、支持网络的蜂窝电话、无绳电话、寻呼机；与计算机有关的外围设备，例如打印机、扫描仪、监视器；娱乐设备，例如电视机、收音机、卫星收音机、立体声音响、磁带和计算机光盘播放器、数字照相机、照相机、卡式录像机、运动图像专家组、音频层3 (MP3)播放器、视频游戏机；收听设备，例如助听器、耳机、头戴式耳机、蓝牙无线耳机、插入式耳机、UWB无线耳机等。设备的其它示例是可能的。此外，提供小型音频部件明显地减少或消除了电磁干扰EMI的影响。由于这些音频部件小且容易制造，所以降低了制造成本并增强了可靠性。
[0006]PDM(脉冲密度调制)信号是在音频领域中使用的一比特调制数字信号，并且在此定义为包含音频内容的数字信号。PDM是用数字数据表示诸如音频信号这样的模拟信号的调制形式。在PDM信号中，与在PCM(脉冲编码调制)中不同，特定振幅值不被编码为脉冲。相反，比特脉冲的相对密度对应于模拟信号的振幅。与此相反，PWM(脉冲宽度调制)是模拟信号，脉冲的宽度用于指示信号值。
[0007]目前，用于输出例如数字麦克风信号的通常行业应用的事实上的接口标准(不是公开化的标准)被称为PDM接口。这个接口或行业标准的特征在于其低复杂度和相应地得到的麦克风部件上需要的小数量的针脚。数字音频部件的PDM接口包括五个针脚并且可以被定义为至少包括:
[0008]VDD:用于麦克风部件的电源电压，通常选择明确的较高电势，诸如在I至4V附近，通常为1.8V。
[0009]GND:用于麦克风部件的电气地电势，其中，GND或者地被定义为电势电压低于在VDD针脚上提供的电压电势，例如，诸如相对于所使用的VDD电势的零电势的定义。GND和VDD的数值可以用于定义这种较低(GND)和较高(VDD)电势。
[0010]CLK:针对麦克风部件的时钟输入信号。通常使用的频率范围包括从I到7MHz，例如，2.4MHz。例如，单独的外部时钟源或主机处理器自身可产生这些时钟。通常，睡眠模式操作是可能的，例如，通过低于IOOkHz的CLK信号选择。
[0011]DATA:从麦克风部件输出的数据流，包括以一比特脉冲密度调制PDM信号的形式的音频内容。输出可以在时钟周期的一个相位有效，并且在其它相位，DATA的输出是三态的，其允许输出端在O和I逻辑电平之外还采用高阻抗状态，从部件的输出有效地去除了PDM信号。这允许多个电路共享相同的输出线。这使得能够将例如两个麦克风部件添加到同一数据导线。
[0012]L/R(左/右):用于选择有效-三态时钟相位的输入选择器，例如经常选择将L/R连接到VDD以使能时钟的高相位以采用数据有效的相位和要成为三态的低相位。其它电势是可能的，例如，L/R可以硬连接到GND或者另一个电势，其改变了其中数据有效的时钟相位。因而，麦克风部件可以基于在L/R针脚选择的电平而在时钟的上升沿或下降沿来驱动PDM数据。麦克风部件可以按照时钟的速率的两倍时钟控制以进行复用。在定义数字电平提供低或O比特还是提供高或I比特时，所遵守的数字电压标准是本领域已知的，一些典型值是低于35% VDD是低并且高于65% VDD是高。
[0013]可以使用不同于VDD和GND的其它电势，其中GND是被定义为地或者零电势的电势，即，定义的电压值GND，其低于VDD的数值。
[0014]当诸如麦克风部件这样的音频部件被如上所述小型化时(即制造得更小以满足制造商和顾客对于微型且有效的部件的请求)，PDM接口特别有用，这是因为在焊接、组合或将这种小尺寸的表面麦克风部件(诸如包括基于MEMS的元件的麦克风部件或者ECM(驻极体电容式麦克风)等连接到PCB时，相对低数量的连接是有利的。
[0015]为了从所述PDM接口的麦克风元件(诸如MEMS麦克风元件)发送PDM信号，经常提供与提供麦克风部件的麦克风元件集成的电子电路。该电子电路可以是集成电子电路，诸如ASIC (专用集成电子电路)、嵌入式电子电路、或外置电子电路等，其例如通过使用隔膜和/或磁表面将从麦克风元件接收到的模拟音频信号转换成数字音频信号以从流式针脚(例如，PDM接口的DATA针脚)读出，或者在音频元件例如是扬声器部件的情况下读入。麦克风部件(即麦克风元件和电子电路的组合)经常与PCB和/或金属封装壳体一起提供和/或提供在PCB和/或金属封装壳体上和/或内部，并且并入具有芯片中，其中针脚连接从部件指向外侧。
[0016]已经开发了用于提供电子电路的多种芯片设计选择，包括专用集成电子电路(ASIC);专用标准产品(ASSP);以及结构化ASIC，结构化ASIC包括ASIC和FPGA ( S卩，现场可编程门阵列)的组合。
[0017]在音频应用中，提供音频接口的数字电子系统可以要求处理器部件，称为主机，其被专门编程为能够控制音频部件，例如，模式改变或者例如在诸如麦克风部件或者其它输入元件这样的换能器中的增益设定，同时能够以处理后的数字音频信号驱动一个或者更多个扬声器、放大器、耳机或者其它主机或者其它类型的输出部件。在诸如设置在膝上型计算机或者移动电话中的音频系统中，数字麦克风部件经常需要能够与主机处理器通信以使其能够改变内部增益设定或者从主机接收命令，对于进一步描述请参见下文。主机在此被定义为具有数字处理能力的处理器。示例是CODEC或应用处理器。
[0018]为了处理器或主机理解音频内容的交替的比特属于哪个麦克风部件，麦克风部件的时钟输入针脚可连接到主机上的串行端口帧同步针脚并且主机的串行端口例如运行于非帧(unframed)模式。数据缓冲器内的数据流从来自这个麦克风部件的数据开始，并且软件例程或者主机的编码被写为使得来自不同麦克风部件的数据被单独处理。通过适当选择CLK相位，选择PDM数据发源的部件。这是如何设置PDM接口以适应主机处理的一个示例，其它方式在本领域中是已知的。
[0019]目前，已经提出通过诸如SUMbus或I2S+I2C接口标准的数字音频接口类型结合主机来提供这种控制数据能力的方案。这些标准允许相互部件和主机部件控制数据通信。然而，它们趋向于非常复杂。很多移动和静止设备制造商已经参与工作组来开发SUMbus接口，该接口同时支持很多数字音频部件，并且按照不同采样率和比特宽度携带多个数字音频数据流。时钟频率非常高，即，28MHz，提供了使能控制多个麦克风部件和多个(例如二十四个)扬声器部件的高的能力，但是代价是增加的切换损耗。
[0020]向主机添加超过两个音频部件需要使用更多个连接针脚，其与麦克风或扬声器元件自身的小型化趋势相反。因而，很多工业制造商和分包商不总是被带到新的更复杂的接口标准，并且仍应用PDM接口用于音频部件。因此，在数字音频领域中，需要SUMbus和I2S+I2C接口的另选，其不仅提供通信另选并且还考虑音频部件的小型化。
【发明内容】
[0021]下面，将关于本发明以结合电子电路的方式描述诸如麦克风元件的数字麦克风部件。然而清楚的是，本发明也可应用于其它领域，在这些领域中，利用音频或其它传感器输入和输出系统，可以应用这些类型的相互通信的电子电路或部件，诸如应用于数字扬声器、数字接收器或耳机、放大器，还诸如与扬声器元件或部件及主机等集成。
[0022]术语“音频部件”在本文中定义为包括诸如数字电子电路的至少一个电子电路以及至少一个音频元件。术语“部件”不限于仅包括集成地设置在一个装置中的装置，而且包括集成到系统的部件。术语“音频元件”不限于仅为麦克风元件或扬声器元件。音频元件可以还包括组件。
[0023]在实施方式中，提供了用于从至少一个音频元件流传输PDM数据或向至少一个音频元件流传输PDM数据的电子电路。
[0024]所述电子电路可以包括:VDD连接件，用于接收VDD电势，诸如电源电势；GND连接件，用于接收数值上低于所述VDD电势的电势；CLK连接件，用于接收具有高部分和低部分的时钟信号。其至少包括:DATA连接件，用于向或从主机和/或另一个这种电子电路传递所述PDM数据；以及L/R连接件，用于接收DC电势，该DC电势指定是否与所述时钟信号的所述高部分或所述低部分大致同步地通信。术语“大致同步地”反映了以下事实，即，整体上依赖于关注的音频元件以及系统的响应时间，可以允许略微延迟或交叠，其中电子电路被应用。优选同步通信，然而，另选地或附加地，异步通信是可能的并且可以在适当情况应用。
[0025]所述电子电路还包括I/O电路，该I/O电路被构造成经由所述L/R连接件来传递控制数据。
[0026]优点在于，本发明的电子电路接着能够向音频部件提供与复杂得多的接口标准SLIMbus能够提供的通信能力相同的通信能力。此外，本发明的电子电路遵循现在的PDM接口标准并且未进行改变，这使得麦克风元件需要的连接件针脚的数量恒定。因而，低的针脚数允许电子电路可应用于且有利于使用小尺寸的音频元件，这种小尺寸的音频元件提供了小尺寸的音频部件，诸如MEMS麦克风部件。因此，本发明的电子电路通过在PDM接口中包括根据本发明的电子电路而提供了用于向后适配(即，部件是向后兼容的)音频部件的可能性。
[0027]因而提供了一种电子电路，其实现了至今不能实现的针对音频部件的组合的PDM和数据通信接口，其在第一针脚(即L/R连接件针脚)上提供控制数据，并且在不同于所述第一针脚的另一个第二针脚(例如DATA连接件针脚)上提供流音频数据。
[0028]必要的相对低数量的针脚因而与PDM接口 一致，即，五个，并且连接件针脚基本上可用，提供/接收相同内容。相比于例如SUMbus接口，这是根据本发明的电子电路的独特优点。作为发送出另一个音频格式而不是PDM格式的更复杂的解决方案，不仅实现起来更加昂贵，而且要求音频部件和主机内的更多的数字逻辑部件。使用一个额外针脚来识别各个特定的麦克风部件。SUMbus接口在同一针脚上提供流音频数据和控制数据，并且实际上使得这个接口标准事实上不适于实现，因为本领域仍依靠一般可用的印刷电路(诸如卡或者芯片)并且在一般可用的印刷电路中或者在部件内部实现PDM标准。
[0029]该电子电路还实现主机和音频部件的通信可能性的发展(诸如增益控制)以及数据交换(诸如模式设定)。
[0030]通过本发明，已经实现了使用根据本发明的电子电路使两个或更多个音频元件或部件也以相互关系通信，以传递例如互换数据，彼此或相互控制，例如，通过限定主/从，或者通过将另一个音频部件视为主机。因此明显的是，目前可用的已知的提供PDM接口的部件完全是音频内容传送并且不能够用于在麦克风部件和其它麦克风部件和/或主机之间传递控制数据。
[0031]利用本发明，由于AC电平和DC电平已经在不同针脚上分开的事实，出人意外地实现了本发明的电子电路能够进行这种控制数据传递。
[0032]已知的技术使可用的，其中PDM接口的L/R针脚之外的其它针脚已经针对控制数据进行了调整。在第一尝试中，通过在流数字PDM数据上叠加控制数据，已经使用DATA针脚来发送这种二进制的数字控制数据。在第二尝试中，通过调制CLK信号(根据正在发送的控制数据来调制)，已经发送了控制数据。当然，缺点是这些尝试与PDM标准不兼容，因而不向后兼容。此外，它们要求在音频部件上添加其它模拟电子电路以分离CLK和控制数据，例如时钟恢复电路，这总体上趋向于使板上的物理尺寸相对较大。而且在这个方案中，仅能够从主机向装置发送数据。因而，按照这两个尝试，不能够进行装置之间或者从装置向主机的数字通信。
[0033]就 申请人:知道的范围，在音频部件领域中，之前没有提出本申请的在总线上的不同针脚上分离DC和AC电平的发明方法，这可能因为以上提到的问题和方案在此之前没有被认识到。
[0034]对于传递数字控制数据而言，选择L/R针脚不是显而易见的选择，这是因为这个选择器针脚通常被认为适用于专门的用途，即用于通过具有两个操作状态、在DATA通道上选择从高到低(或者低到高)相位的切换的改变调制。
[0035]本发明的电子电路真正地满足了市场上的现实需要，如上所述，这是由于音频设备生产商以前仅能够在以下的选项之间进行选择:a)具有低数量的针脚来连接并且不支持数据通信，结果是妨碍音频部件和主机之间的较复杂的通信，或者b)在生产期间具有高数量的针脚来连接，支持数据通信，其不与音频部件的小型化的趋势相容，或者不考虑使用行业内流行的PDM接口。
[0036]在所述电子电路的实施方式中，所述I/O电路被构造成通过发送和/或接收控制数据来传递控制数据。当发送控制数据时，该电子电路还适用于作为主机操作，控制或者通知其它部件，诸如另一个主机，或者根据本发明的另一个电子电路，或者另一个数字部件。当接收时，该电子电路可以被从外部控制，诸如通过主机和/或其它电子电路控制。
[0037]在所述电子电路的实施方式中，所述I/O电路包括I/O单元，该I/O单元包括用于实现控制数据的传递的逻辑元件。这些逻辑元件的基本形式可以是逻辑部件，诸如0R、AND、N0R、NAND门及其组合。然而，可以另外或者另选地提供驱动电路。这样可以解决简单的通信任务，诸如提供握手、错误处理、数字信号接收和发送功能。
[0038]在所述电子电路的实施方式中，所述I/O单元包括处理器。因此可以提供对数据及数据传递的更高级的处理，例如使用嵌入式处理器或其它类型的逻辑元件。
[0039]在所述电子电路的实施方式中，该电子电路包括在ASIC中或者包括ASIC。ASIC被用于专门用途，并且可以相对于适用的音频元件按照适当的较小的物理尺寸、适当的性能和适当定位来提供。已经开发了用于提供电子电路的多种芯片设计选择，包括专用集成电子电路(ASIC);专用标准产品(ASSP);或者结构化ASIC。
[0040]在所述电子电路的实施方式中，该电子电路还包括随机数生成器。该随机数生成器可以用于枚举处理，枚举处理用于将包括根据本发明的电子电路的各个音频部件标识给主机或其它这种音频部件。优选地，该随机数产生器上可用的数字的大小是根据针对各个主机预计的电路的最大数量而选择的。因此，生成器地址空间大于按照要构建的电子装置中要包括的装置的数量提供的地址的总数，例如，随机产生器可以是16位生成器。因此，在枚举处理期间，即使存在大量的电子电路(例如，超过两个)，诸如电子装置中(例如，在印刷电路板上)存在八个电路，各个电子电路向至少一个其它电子电路提供相同的ID号码的概率也很低。[0041]在该电子电路的另一个实施方式中，所述随机数生成器由设置在所述电子电路中的模拟西格玛-德尔塔调制器的输出端提供。本领域已知其它类型的随机数生成器并且也可以采用。使用西格玛-德尔塔调制器或伪随机生成器来提供随机数是优点，因为这些元件是肯定要提供的，这减少了电子电路中需要的电子元件的尺寸和总数，这例如在音频元件的物理尺寸小(诸如MEMS元件)时尤其是优点。
[0042]术语随机数生成器的“数”在此是按照综合的方式使用的，并且不旨在仅限制于整数，而是还可以包括字母、符号、机器码等。
[0043]在另一个实施方式中，所述随机数生成器是伪随机噪声生成器，其中，所述伪随机噪声生成器的初始条件(也称为种子)由模拟噪声源控制。这确保伪随机序列不相关(uncorrelated),例如,从一个音频部件到相似类型的音频部件。这样，从任意两个电子电路产生的ID号码将有很高的概率不同。基于模拟噪声源可以是有利的，这是因为这有利于确保从一个音频部件到任意其它相似音频部件的不相关的随机过程。根据 申请人:的经验，包括类似的“随机”数生成器的类似部件经常在统计上巧合地提供相似的随机数结果。具有模拟噪声源的部件或者是模拟噪声源的部件的示例是电阻器和半导体部件，例如，双极型晶体管、CMOS晶体管、二极管、变容二极管等，例如，在音频部件外部提供或在其内部提供。还可以包括如以下提到的DC/AC元件。
[0044]在所述电子电路的实施方式中，所述控制数据包括至少一个ID号码，该至少一个ID号码包括固定的和/或随机ID号码。因而，该电子电路可以用于标识电子电路自身和其配备的音频设备。固定ID号码可以例如在制造期间提供，或者可以在使用期间从主机指派
给装置。
[0045]在所述电子电路的实施方式中，该电子电路包括:存储器，该存储器被配置成存储至少所述固定ID号码和/或从所述随机数生成器提供的随机ID号码。因而，针对关注的电子电路，特定或随机ID号码可以存储在这个存储器中。可以另选地或还能够存储其它信息，例如关于版本、其它音频部件ID号码、或者总体上与实现音频部件和主机之间的通信有关的全部数据，诸如增益设定、滤波器系数、关于麦克风/扬声器的数据或者参数(诸如生产商的名称、校准模式灵敏度、生产日期、功耗等)。
[0046]在所述电子电路的实施方式中，该电子电路还包括:转换电路，其用于从PDM数据流转换成模拟信号，或者从模拟信号转换成PDM数据流。因此，该电路可以分别适用于麦克风或扬声器。在所述电子电路的实施方式中，所述转换电路被配置成A/D转换(输入是模拟，例如针对麦克风元件)或者D/A转换(输入是数字，例如针对扬声器元件)。
[0047]在所述电子电路的实施方式中，所述I/O电路被配置成用于实现所述电子电路和至少一个其它这种电子电路之间的相互通信。因而，现在可以实现两个或更多个电子电路的组合，诸如两个电子电路的集合或者组，用于容纳两个或更多个音频部件或元件，它们例如受到相互增益控制或具有一个相同的ID号码或ID号码的两个集合，这减少了对主机调节部件的集合的负担。可能存在多种枚举方式，参见下文。
[0048]在另一个方面中，提供了用于从至少一个音频元件流传输PDM数据或者向至少一个音频元件流传输PDM数据的数字音频部件，该音频部件包括:根据本发明的至少一个电子电路，其被配置成连接到至少一个主机和/或至少一个其它音频部件；以及至少一个音频元件，其连接到所述至少一个电子电路。如上所述，这种数字音频部件后向兼容当前的PDM接口。因而，使得能够通过所述音频部件提供与当前PDM接口后向兼容的接口，这是因为其具有相同数量个连接针脚。因而，该音频部件提供了在麦克风/扬声器/放大器部件和主机处理器之间和/或在麦克风/扬声器/放大器部件之间的通信能力。这实际上满足了市场上的现实需要。
[0049]根据所述音频部件的实施方式，所述至少一个电子电路还被配置成用于传输要被转换成PDM数据流的音频信号和/或用于接收要被转换成音频信号的PDM数据流。因此，诸如改进的ASIC的相同或连接的电子电路能够处理控制信号和数字PDM信号形式的音频
数据信号二者。
[0050]根据所述音频部件的实施方式，所述至少一个音频元件包括扬声器元件、麦克风元件、放大器元件、处理器元件(诸如主机)以及其任意组合中的至少一个。因而，在此时，假定目前可用的元件以及音频元件的将来发展是可用的。因而还预期可被证实为适用的包括有一个或更多个音频元件的共模音频部件。
[0051]根据所述音频部件的实施方式，该音频元件包括MEMS装置或ECM装置。因此，可以实现小型化或相对物理尺寸小的装置或音频部件，即，在具有小于从Imm到3_的表面积的级别。因此，具有有限数量个针脚或者腿(总共五个)的PDM接口更好地适用于这种音频部件。
[0052]根据所述音频部件的实施方式，所述音频部件的L/R连接件可经由至少一个DC元件连接到VDD或GND或者能够被保持浮动，并且所述音频部件的L/R连接件还可连接到主机的控制数据端口和/或连接到至少一个其它这种音频部件的L/R连接件和/或经由至少一个AC元件连接到至少一个电子电路的L/R连接件。该电子构造使得单个音频元件能够与主机/音频部件/电子电路进行控制数据通信，因为适用于音频部件的具体应用。
[0053]根据实施方式，提供了根据本发明的至少两个音频部件的集合或组合，其包括第一音频部件和第二音频部件，其中，所述第一音频部件的L/R连接件可经由至少一个第一DC元件连接到VDD，所述第二音频部件的L/R连接件可经由至少一个第二 DC元件连接到GND,所述第一音频部件的L/R连接件和所述第二音频部件的L/R连接件块经由至少一个AC元件彼此连接，并且所述第一音频部件的L/R连接件和所述第二音频部件的L/R连接件还可连接到所述主机或第三音频部件或电子电路的控制数据端口。
[0054]优点包括以下事实，在包括音频部件的两个或更多个组合的PCB的生产期间，为了易于在板上组装，可以将各个音频部件的各L/R连接预先连接。两个或更多个音频部件可以集总地或单独地提供，其中集总提供进一步使组装过程简单，并且由于两个L/R连接件彼此连接，使得单独提供变得可能并且容易。术语“部件”在此不限于单个壳体，而且应用于包括例如两个或更多个音频元件(诸如两个类似的或者不同的这种元件或者)的壳体中的单个音频部件，或者应用于包括与其它电子器件集成的两个或者更多个元件的PCB。
[0055]根据实施方式，提供了两个音频部件的大量的这种集合。通过将音频元件或音频部件以两个一对地连接，假定使用PDM接口的设置，两个部件的每个能够被单独标识，因而仅仅通过按照两个一组提供多个本发明的音频部件并与DC/AC元件组合，可得到特定应用所需要数量的音频部件。
[0056]根据所述音频部件的实施方式，提供了一个音频部件或至少两个音频部件，还包括集成的主机，诸如应用处理器或CODEC。因而可得到集成的部件，其中一个或两个音频元件的音频接口设置有集成处理器，其接着可连接到任意的数字电子电路并且可编程用于其中音频部件被包括在内的特定应用。当生产具有多个音频部件的电子设备时，通过选择正确数量的针脚，可以实现容易的调整和数据通信。
[0057]根据所述音频部件的实施方式，所述音频部件被配置成可连接到主机，所述主机被专门编程为传递所述控制数据。根据所述音频部件的另选实施方式，所述音频部件被配置成可连接到主机，所述主机不被专门编程为传递所述控制数据。音频部件的用户因此能够选择是否希望将主机编程为使得主机能够从/向各个和/或两个音频部件的L/R针脚接收/发送控制数据。因而，甚至未被专门编程的常规主机也能够与根据本发明的音频部件协同使用。这提供了与传统的不专门编程的主机和/或现有的音频装置和电子设备协作的非常有用的创造性的接口，这个事实扩展了音频部件向后适合已有系统/设备的范围。例如，如果主机不被专门编程，各个音频部件发送自己的唯一 ID号码。主机将不响应于动作，并且不提供任何回答。接着，音频部件可以被设置成流传输PDM数据，例如立即，或者例如在预设的侦听循环之后，例如最多从32到100个之间的时钟循环。
[0058]在本发明的另一个方面，提供了一种接口系统，其用于从至少一个音频元件流传输PDM数据或者向至少一个音频元件流传输PDM数据，该系统包括根据本发明的至少一个音频部件以及包括控制数据端口的主机或另一个音频部件或电子电路，其中用于至少一个音频部件的L/R连接件经由至少一个DC元件连接到VDD或者GND,或者被保持浮动，并且至少一个音频部件的L/R连接件经由至少一个AC元件连接到主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
[0059]在另一个实施方式中，该接口系统包括各自的音频部件中的至少两个音频元件，所述音频部件是第一音频部件和第二音频部件，其中，所述第一音频部件的L/R连接件经由至少一个第一 DC元件连接到VDD，所述第二音频部件的L/R连接件经由至少一个第二 DC元件连接到GND,所述第一音频部件的L/R连接件和所述第二音频部件的L/R连接件经由至少一个AC元件彼此连接，并且所述第一音频部件的L/R连接件和所述第二音频部件的L/R连接件还连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
[0060]在另Iv实施方式中，提供了 一种接口系统，该接口系统包括各自的首频部件中的四个音频元件，所述音频部件是第一音频部件、第二音频部件、第三音频部件和第四音频部件；以及主机，其包括控制数据端口，其中，所述第一音频部件和所述第三音频部件的L/R连接件经由至少一个DC元件共同连接到VDD，所述第二音频部件和所述第四音频部件的L/R连接件经由至少一个AC元件共同连接到所述第一音频部件和所述第三音频部件的共同L/R连接件，并且所述第二音频部件和所述第四音频部件的共同L/R连接件连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
[0061]另选地，提供了一种接口系统，该接口系统包括:第一音频部件、第二音频部件、第三音频部件和第四音频部件中的至少四个音频元件，其中，所述第二音频部件和所述第四音频部件的L/R连接件经由至少一个DC元件共同连接到GND，所述第一音频部件和所述第三音频部件的L/R连接件经由至少一个AC元件共同连接到所述第二音频部件和所述第四音频部件的共同L/R连接件，并且所述第一音频部件和所述第三音频部件的共同L/R连接件连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
[0062]因而，提供了一种简单且通用的总线，其利用比例如SUMbus接口低的电力，因为不需要额外的针脚而与PDM接口后向兼容，除了添加的各个音频部件，可以使用仅仅两个另外的例如外部部件和一个数字I/O来提供，并且实现了容易的枚举处理。此外，任意的适合数量个音频部件可以附接到使用本发明的系统的主机。
[0063]在AC元件的电抗(即电容值或电感值、DC元件的电阻值和频率成分)之间进行折中不是简单任务，例如，如果从通信接口抽取电流。当使用L/R连接件提供这种控制数据针脚时，已经实现L/R针脚不正反应而被分别直接连结到GND或VDD，之间没有电阻性/电抗性元件，这是因为这趋于将PDM通信针脚短路。这种上拉/下拉电阻性元件可以从针脚外部提供，或者可以附加或另选地在内部提供，例如，在电子电路自身内的针脚内部。
[0064]意图是经由诸如电阻器的DC元件将L/R连接到VDD或GND，并且经由诸如电容器的AC元件将L/R连接件、主机的输入/输出耦接到一起。结果是仅添加了几个额外的外部部件。此外，实现了枚举处理，其在没有任何附加针脚的情况下实现唯一地标识部件的物理连接。
[0065]此外，可以容易且简单地添加更多的单个或成对的麦克风或扬声器或放大器或主机部件或元件，而无需向接口系统添加其它额外的电子器件(诸如电容器或电阻器等)。
[0066]一个优点是音频设备可用作自治系统，不需要主机来相互通信。
[0067]在所述接口系统的另一个实施方式中，所述主机别被专门编程或不被专门编程为传递所述控制数据。因此，音频部件进入PDM后向兼容模式。
[0068]在所述接口系统的另一个实施方式中，所述至少一个DC元件和/或至少一个AC元件是截止滤波器。因而，包括AC和DC元件，诸如，例如，C、(L)、R和功耗的截止滤波器参数可以适当地选择以提供稳定的控制数据传输(发送或接收)。
[0069]在另一个实施方式中，该系统还包括偏置控制或块。具体地，当服务例如两个类似或不同的音频部件或元件时，该系统可以被配置成用于在L/R针脚上在控制数据线上提供I/O数据，L/R针脚被配置成用于与目前针对数字逻辑电子电路(诸如主机控制器)的可用的I/O电压标准协作。
[0070]在另一个方面中，提供了用于从至少一个音频元件流传输PDM数据或向至少一个音频元件流传输PDM数据的方法，该方法包括:提供根据本发明的至少一个电子电路，所述方法包括将所述至少一个电子电路连接到所述至少一个音频元件因而提供至少一个数字音频部件，提供接收VDD电势的VDD连接件，提供接收数值低于所述VDD电势的电势的GND连接件，提供接收具有高部分和低部分的时钟信号的CLK连接件，提供向或从所述至少一个音频元件或者向或从主机和/或另一个这种电子电路传递所述PDM数据的DATA连接件，提供接收指定是否与所述时钟信号的所述高部分或所述低部分大致同步地传递DC电势的L/R连接件，以及还提供经由所述L/R连接件传递所述控制数据的I/O电路。
[0071]在该方法的另一个实施方式中，该方法还包括:将所述至少一个电子电路或数字音频部件的L/R连接件连接到包括控制数据端口的主机或另一个音频部件或电子电路。
[0072]在该方法的另一个实施方式中，该方法还包括:将所述至少一个电子电路或所述至少一个音频部件的L/R连接件经由至少一个DC元件连接到VDD或GND或者将其保持浮动，以及经由至少一个AC元件将所述至少一个电子电路或所述至少一个音频部件L/R连接件连接到主机或另一个音频部件或另一个电子电路的控制数据端口。
[0073]在该方法的另一个实施方式中，该方法还包括:提供第一音频部件和第二音频部件至少两个音频部件，将所述第一音频部件的L/R连接件经由至少一个第一 DC元件连接到VDD,将所述第二音频部件的L/R连接件经由至少一个第二 DC元件连接到GND，将所述第一音频部件的L/R连接件经由至少一个AC元件彼此连接，以及将所述第一音频部件的L/R连接件或所述第二音频部件的L/R连接件连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
[0074]在该方法的实施方式中，该方法包括截止滤波。在该方法的实施方式中，该方法包括所述控制数据的偏置控制。
[0075]在该方法的另一个实施方式中，对各个控制数据针脚进行介质访问控制，例如1-持续载波侦听多路感测(CSMA)，其是一种概率性的介质访问控制(MAC)协议，在该协议中，在共享传输介质(诸如电力总线)上进行传输之前，例如单个节点(比特)验证是否不存在其它业务流。因为其简单，所以可以是有利的。执行CSMS是有利的，以确保多个单元不在同时发送。
[0076]在该方法的另一个实施方式中，还对所述控制数据进行错误校验。因而，增加了诸如主机的接收单元将因此最终接收到正确数据的概率。
[0077]在该方法的另一个实施方式中，根据本发明的电子电路生成随机和/或固定的ID号码，并且将这个ID号码经由L/R连接件发送到主机或另一个音频部件或另一个电子电路。在本发明的有利的实施方式中，这是在加电之后且在所述音频元件或部件中的至少一个的PDM音频信号操作之前进行的。优点在于在包括音频部件的电子装置的启动期间，主机或其它处理器(例如中央处理器)可以迅速地(例如在约几毫秒之后)并且正确地被通知哪种类型的部件就绪并且可用。
[0078]在该方法的另一个实施方式中，在地址冲突的情况下，该主机重复该处理直至与所述主机通信的全部音频部件被提供音频部件专用唯一号码为止。这也可以由音频部件自身或由另一个音频部件和/或电子电路进行。在该方法的另一个实施方式中，各个音频部件专用唯一号码被存储在所述电子电路的存储器中。
[0079]在该方法的另一个实施方式中，全部音频部件由被调整以进行时钟控制的主机或音频部件或电子电路同步地时钟控制。这使得随后进行的信号处理变得容易，并且减少了处理从音频部件接收到或向音频部件发送的音频数据和控制数据所需要的处理单元的数量。
[0080]在该方法的另一个实施方式中，对各个单独的音频部件和/或音频部件的各个集合进行增益控制。这实现了自动电平控制(ALC)和模拟混合，例如由一个主机针对多个音频部件进行，或者由一个主机针对单个音频部件进行(当各音频部件已经分别向该主机进行了标识时是可能的)。
【专利附图】
【附图说明】
[0081]为了更完整地理解本公开，将参照以下详细描述和所附的示意附图，其中，相同的附图标记表示相同部件:
[0082]图1A示出根据现有技术的音频部件的侧视图，该音频部件包括电子电路和MEMS麦克风元件，
[0083]图1B示出根据现有技术的麦克风部件，该麦克风部件包括MEMS麦克风元件和电子电路，并且被构造成可使用五个PDM接口针脚DATA、L/R、CLK, VDD和GND连接到主机，
[0084]图1C示出在根据现有技术的PDM流中时钟控制的数据线，
[0085]图2示出根据现有技术的电子设备中的不同部件的示例性设置的图，
[0086]图3示出根据本发明实施方式的用于流传输PDM数据的音频部件的物理层，
[0087]图4示出根据本发明实施方式的用于流传输PDM数据的音频部件的物理层，其中该系统还包括没有使能的BIAS块，
[0088]图5示出图4中示出的实现汇和源使能的BIAS块的示例，
[0089]图6示出根据本发明实施方式的用于流传输PDM数据的接口系统的物理层，其中该部件还包括使能的BIAS块，
[0090]图7示出作为时间的函数的控制数据电压的图，其描述了接口系统的加电阶段、枚举处理阶段、以及就绪或操作阶段，
[0091]图8A示出根据本发明实施方式的麦克风部件，其包括根据本发明实施方式的被配置成可连接到主机或者另一个音频部件的电子电路，
[0092]图SB示出根据本发明实施方式的扬声器部件，其被配置成可连接到主机或另一个首频部件，
[0093]图9示出根据本发明实施方式的总共四个麦克风部件，它们可连接到根据本发明实施方式的接口系统中的主机，以及
[0094]图10示出具有CLK层、DATA比特层和编码比特层的数据链路层的帧设置。
[0095]本领域技术人员将理解，附图中的要素为了简化和清楚的目的而例示。此外，还应理解，可以按照特定的发生顺序描述或描绘特定动作和/或步骤，但是本领域技人员将理解实际不要求这种关于顺序的特定性。
【具体实施方式】
[0096]尽管本公开易于进行各种修改和变型，在附图中通过示例示出特定实施方式，并且这些实施方式将在此详细描述。然而，应理解的是，本公开不旨在将本发明限制于所描述的具体形式，相反，本发明意在覆盖落入由所附的权利要求限定的本发明的精神和范围内的全部修改、替换和等同。
[0097]如上所述，SUMbus是比PDM接口更复杂的接口方案，需要针对连接到这个总线的各个麦克风对的数据针脚以及用于标识各个特定麦克风的一个额外针脚。PDM接口(S卩，目前用于音频应用的脉冲密度调制接口)不支持这种麦克风通信。
[0098]数字PDM比特流通过例如德尔塔-西格玛调制的处理从模拟信号编码。这个处理使用根据模拟信号的振幅来产生I或O的一位量化器。I或O对应于全尺寸(full scale)信号。
[0099]为了使处理器或主机理解交替的比特属于哪个麦克风部件，麦克风部件的时钟(经常是串行端口运行的时钟的二分之一)连接到主机的串行端口帧同步针脚，并且串行端口运行于非帧模式。串行端口从麦克风部件的时钟的第一上升沿开始接收数据，这将是来自其L/R选择针脚被短接到VDD的麦克风部件的数据。这意味着该麦克风部件在时钟的上升沿驱动数据。因此，在全部情况下，数据缓冲器内的数据流从来自这个麦克风部件的数据开始，并且软件例程被写为使得来自不同麦克风部件的数据被单独处理。[0100]参见图1A，麦克风部件包括诸如MEMS麦克风元件和电子电路的音频部件110，其中以物理侧图示出MEMS麦克风元件，其中在包括电路的小尺寸芯片中设置底孔麦克风110，以使得组合的音频部件110集成在PCB上或者以其它方式设置在PCB上并且传递PDM风格的音频数据。由于大小有限，有限数量的连接件或针脚可应用于这种音频部件。MEMS麦克风元件包括基底和布置在基底上的第一例如隔膜结构102。第二结构118布置在第一结构上并且第二结构被构造成形成第一腔室并且具有附接到第一结构的至少一个侧壁。至少一个MEMS100布置在所述腔室中并且穿过所述侧壁形成第一声学端口 120。第一声学端口 120提供允许声能进入MEMS音频元件以被音频电路处理的通道。MEMS麦克风部件110可以包括单个MEMS元件或双MEMS元件并且还包括电子电路114。MEMS麦克风部件或其组件在日常术语中经常被称为“MEMS”，但是在此为了避免混淆将称为MEMS麦克风部件。
[0101]图1B示出根据应用PDM接口的现有技术的音频部件，该PDM接口(包括MEMS麦克风元件和ASIC形式的电子电路，总共包括五个针脚):VDD、DATA、CLK, L/R和GND针脚，并且在DATA针脚上提供包含音频或声音内容的数字I3DM信号。
[0102]在图1C中，作为示例，示出现有技术MEMS麦克风部件的调制后的PDM数据和CLK，该MEMS麦克风部件要通过主机或者处理器上的串行端口被连接到主机或处理器。该麦克风可以基于L/R针脚的逻辑电平在时钟的上升沿或下降沿驱动PDM数据。通过向麦克风部件和串行端口提供在I到4MHz的范围内的相同时钟并且从串行端口接收PDM数据到处理器中并且同时保持L/R针脚连结到GND或者VDD，执行了单个麦克风部件的对接。为了将两个这种麦克风部件连接到单个串行端口数据线，一个麦克风部件的L/R针脚可以被直接接地。另一个麦克风部件的L/R针脚则直接连结到VDD。这确保了麦克风部件在时钟的相反边沿驱动数据。为了使串行端口从两个麦克风部件接收数据，可以按照在串行端口运行的时钟的速度的二分之一来对麦克风部件进行时钟控制。麦克风部件相对于馈送到其的时钟来调制音频信号。对于双麦克风部件接口，接收缓冲器内部的数据将被逐个比特地交织。这意味着每个相间的比特属于同一个麦克风部件。现有技术中由麦克风部件相对于时钟来驱动的数据的定时是根据PDM接口针脚的一个用途而基于麦克风部件的L/R针脚的。如果L/R针脚连结到GND针脚，则在时钟的上升沿上驱动数据。如果L/R针脚连结到VDD针脚，则在时钟的下降沿上驱动数据。
[0103]在图2中，示出了电子音频设备，例如PDA，其包括多个音频元件，诸如数字或模拟扬声器、耳机和麦克风。
[0104]在根据提供下面描述的另选接口系统的本发明的系统中，可以使用根据本发明的一个或更多个电子电路、根据本发明的辅助音频部件来有利地装配或更新所述设备。
[0105]提供了应用从至少一个音频元件流传输PDM数据或向至少一个音频元件流传输PDM数据的电子电路。所述电子电路包括:用于接收VDD电势的电源连接件，在此称为VDD连接件；用于接收数值低于所述VDD电势的电势的地连接件，在此称为GND连接件；用于接收具有至少高部分和低部分的时钟信号的时钟连接件，在此称为CLK连接件；用于向或从主机和/或另一个这种电子电路传递PDM格式的所述音频数据的DATA连接件；以及用于接收指定是否与所述时钟信号的所述高部分或所述低部分大致同步地传递的DC电势的L/R连接件。所述电子电路还包括I/O电路，其被构造成经由所述L/R连接件来传递控制数据。所述控制数据可以是数字数据，其适于使主机或另一个部件可以能够解析这些数据，例如诸如标识音频部件的数字ID号码，和/或可以是用于拉或推主机命令的逻辑信号，和/或可以是如本领域已知的被认为在其它方面改进与主机或其它部件的通信的数字信息。
[0106]用于从至少一个音频部件流传输PDM数据或向至少一个音频部件流传输PDM的数字音频部件包括根据本发明的至少一个电子电路，该至少一个电子电路被构造成可连接到主机和/或至少一个其它音频部件，并且其中，所述至少一个音频元件连接到所述电子电路以发送要转换成PDM数据流的音频信号和/或以接收要转换成音频信号的PDM数据流。
[0107]用于从至少一个音频部件流传输PDM数据或向至少一个音频部件流传输PDM的接口系统包括根据本发明的至少一个音频部件,还包括主机,该主机包括控制数据端口，其中，至少一个音频部件的L/R连接件经由至少一个DC元件连接到VDD或GND，并且第一音频部件的L/R连接件经由至少一个AC元件连接到主机的控制数据端口。
[0108]因此，L/R针脚在一个实施方式中连接到截止滤波器，以如在图1可见的那样稳定电压电势Vo。该接口系统的特征在于物理层以及数据链路层，如以下讨论的那样。
[0109]在图3中示出了实施方式的物理层，其中，通过经由外部DC元件(电阻器R，被称为具有预定电阻值的上拉电阻器)将L/R针脚连接到比GND高的电势VDD，将L/R针脚拉高到Vo。另选地，L/R针脚可以保持浮动或者通过经由相同或不同值的电阻器R(因而称为下拉电阻器)连接到电势GND而被拉低。从图3的电路图可见，将L/R连接件直接连结到GND或VDD是不利的，因为这将导致这个针脚的短路，即，实际上将通信通道短路。
[0110]在图3中，被拉高的麦克风元件I/O通过AC元件连接到主机(未示出)的COM端口。AC元件是电容式元件，S卩，具有预定电容值和/或电感值的外部电容器C。因而，用于发送或者接收控制数据的通信接口将发送的序列叠加在L/R针脚处的DC电平上。
[0111]因而，图3示出了具有时间常数和截止频率的截止滤波器。为了确定或选择电抗的值(即，电容C和电阻(即电阻值R))，针对系统需要进行一些考虑:a)当通过VDD或GND或其它电势将L/R针脚拉到Vo时的静电流消耗A，b)针对系统选择的用于稳定L/R值的启动时间，即，在加电之后的启动时间，以及c)得到的根据针对系统和/或针对到或从主机的通信COM可能或期望的总线应用和通信速度的截止滤波器频率。
[0112]图3所示的电容c是经常与这种数字电子电路关联的寄生电容的指示(例如，当设置在板上时)，该c通常可以在从约10到约500pF的量级。
[0113]用于提供这种截止滤波器的典型值可以是低于100毫安的量级的电流消耗，优选地低于50毫安，最优选地大约5到10毫安。可以根据应用来选择启动时间，例如，为了协调启动时间以对应于应用于主机的启动时间，例如使得来自音频部件的第一信号在主机已经加电之前、同时或之后到达主机。用于稳定L/R电势值的启动时间改变，但是可以在经常小于100毫秒的量级。这种总线的所选择的得到的频率成分可以在大约IOOkHz的量级。
[0114]截止滤波器的示例值:对应于A的值，可以按照以下选择启动时间、C和R，以提供图3所示的截止滤波器:电流消耗10毫安、启动时间从约5到10毫秒。通过C和R稳定的截止滤波器频率优选地不高，其允许总线通信，因此使用在大约IOkHz的截止作为示例。这得到例如100千欧姆的上拉/下拉电阻器R值，如果总线的信号值的峰对锋值等于VDD，得到对应于大约VDD/2的最大功率消耗。因此如果VDD = 1.8V，则电流消耗是9毫安。如果选择了较小的信号摆动，则得到较低的电流消耗。如果截止频率选择为1kHz，则这得到电容值1.6nF。滤波器的时间常数则将是IOOkHzX 1.6nF = 160毫秒。对于I %的稳定误差，这表示得到的稳定时间将是约737微秒，即，稳定时间和截止频率这两者将低约两个十位(decade)。
[0115]如本领域已知的，多个其它方案，可应用于浮动或拉动L/R针脚，例如，通过其它滤波器类型和/或信号控制电路。然而，提供这种简单而有效的截止滤波器以减少部件和设备生产成本并且同时仍然提供在例如音频部件和主机之间的先进的数据传递可以是有利的。
[0116]因为滤波器的这种AC耦合趋于去除DC值并且将COM信号VDD/2的中心定在VDD或GND，在接口系统的实施方式中，接口系统还包括偏置控制或者块，当例如设置两个音频元件在一个部件内或者两个单独音频部件均包括一个音频元件时，这是优选的。这是为了以标准主机能够读取的形式提供COM信号，即标准数字I/O信号或全尺寸信号。
[0117]图4至图7示出了在两个音频部件(例如，类似的音频部件MIClL和MIC1R)之间如何可以构造这种偏置构造的示例。
[0118]图4在其下部示出了来自MIClL的COM信号在截止滤波器之后如何移位VDD/2，以VDD为中心而不是以VDD/2为中心。使用接收端中的上拉电阻器Rpu，DC电势在此被拉向VDD。如在图4的上部所示，设置了偏置块VDD/2，但是其未被使能(如图所示，开关SI保持开路)。提供这种偏置控制的其它方式是本领域已知的，例如，使用纯电阻性部件。
[0119]在此情况下，如图5所示，如在图的上部所示，提供了偏置块图要素，其包括例如在图的下部描述的元件。该偏置块包括由低频回路控制的电压控制电流源。差分换能级Gm将VDD/2与输出的低通滤波后的版本进行比较，并且因而相应地调节电压到Gm级，其将汇或源电流。例如，可用RC滤波器提取总线的DC值，Cbias和Rbias，该时间常数被选择为大以不影响总线上的COM信号传递。偏置块移位到汇或源电流的能力可以由在Gm级上分别插入在VDD和GND之间的开关S2和S3控制。例如，如果偏置块要处于源模式，诸如如果总线利用外置电阻器被拉到地电势，则开关S2可以闭合并且开关S3可以打开。在汇模式的情况下，相反的应用。
[0120]在通过闭合开关Si实现这种偏置块期间，参见图6，在图的下部示出，当通过闭合开关Si将偏置块使能时，在接收端的信号COM如何移位从而以大约VDD/2为中心。在上拉电阻器添加到总线的情况下，接着偏置块被设置在汇模式。在相反情况下，在添加下拉电阻器的情况下，接着偏置块被设置在源模式。这个构造确保多个偏置块可并行地耦合而不造成冲突。
[0121]在图7中示出来自设置有被使能的偏置块的系统(即，SI闭合)在接收端的总线上的COM信号如何随着时间变化。首先，存在从TO开始的短周期，其中音频部件加电。Tl之后是针对两个元件/部件提供L/R选择的阶段，在此周期中，偏置块已经被使能，接着在T2，进入枚举处理阶段，并且在T4之后总线最终准备好发送/接收COM信号或多个COM信号。根据部件、主机或者PDM数据内容的类型，可以适当选择Tl、T2、T3和T4，并且可以在约Ims到IOOOms的量级，诸如100毫秒。
[0122]在图8A和图8B中示出根据本发明的示例性音频部件，分别是麦克风部件IOA和扬声器部件10B。在图8A中，麦克风部件IOA包括麦克风元件12和根据本发明的电子电路14A，提供如以上限定的五个针脚连接件VDD、DATA、CLK、L/R和GND针脚，并且在DATA针脚上提供包含音频或声音内容的数字PDM信号。在图8B中，扬声器部件IOA包括扬声器元件16和根据本发明的电子电路14B，提供如以上限定的五个针脚连接件VDD、DATA、CLK、L/R和GND针脚，并且在DATA针脚上提供包含音频或声音内容的数字PDM信号。PDM信号在此是从主机到DATA针脚接收的，与图8A相反，其中PDM信号从DATA信号发送到主机。
[0123]在图8A中，根据本发明的电子电路14A (在有利的实施方式中包括ASIC)包括与麦克风元件12的第一输出脚连接的充电泵142、与麦克风元件12的第二输出脚连接的放大器144A，以从麦克风元件12提供模拟信号的进入点。该电子电路还包括A/D转换器(诸如西格玛-德尔塔调制器146)，其连接到放大器144以将来自麦克风元件12的输出模拟信号转换成从DATA针脚流传输到主机(未示出)的数字PDM信号。协议块150在实施方式中包括存储器152和随机数生成器154。块150经由I/O端口被连接到L/R针脚上的控制数据，并且因而被构造成用于控制数据通信，例如，接收和/或发送来自主机(未示出)或根据本发明的其它音频部件的控制数据。
[0124]在图8B中，根据本发明的电子电路14B (在有利的实施方式中包括ASIC)包括预放大器144B,其与扬声器兀件16的第一输入脚和第二输入脚连接以提模拟信号到扬声器元件16的离开点。该电子电路还包括D/A转换器148，其连接到预放大器144B以将输入的前往扬声器元件16的并且通过DATA针脚从主机提供给扬声器部件/电子电路的流数字PDM信号转换成模拟信号。如图8A中那样，协议块150在实施方式中包括存储器152和随机数生成器154。块150通过I/O端口被连接到L/R针脚上的控制数据，并且因而被构造成用于控制数据通信，例如，接收和/或发送来自主机(未示出)或者根据本发明的其它音频部件的控制数据。
[0125]在图9中示出了实施方式的示意图，其中本发明的电子电路和/或音频部件连接在音频部件系统中。图9示出了根据本发明的实施方式的系统，该系统将音频部件的两个集合的组合(例如，四个类似的数字微型麦克风部件)连接到主机。
[0126]图9示出了例如在第一组合集合中，根据本发明的相似类型的麦克风部件MIClL和MIC2R被组合用于将来自各个部件的PDM数据流传输到主机(未示出)上的公共DATAl端口上。在第二组合集合中，根据本发明的相似类型的麦克风部件MIC3L和MIC4R被组合用于将来自各个部件的PDM数据流传输到同一个或另一个主机(未示出)上的公共DATA2端口上。根据L/R针脚选择，PDM数据被流传输到主机。使用公共DC元件R，部件MIClL和MIC3L的L/R针脚分别被拉到公共第一电势VDD。此外，在AC元件(电容性元件C)的第一侧(连接到第一电势VDD的相反侧)，部件MIC2R和MCI4R的L/R针脚分别被拉到公共第二电势。这实际上提供截止滤波器构造。通过在所提供的L/R针脚中的每一个上提供控制数据，这种构造允许控制数据由各个音频部件单独地发送并且由主机接收(或者允许控制数据由主机发送并由各个音频部件单独地接收)以进一步处理。因此，这个系统构造允许主机与各个音频部件之间的单独数据通信。还应注意的是，可以将希望很多其它音频部件5...N添加到系统，只要系统中的主机或多个主机上存在N个信号数据端口或数据端口(DATA N)。当组装音频系统时，这相应地要求设备生产商进行最少量的连接操作，诸如焊接操作。并且，外部电子AC和DC元件在市场上容易得到。另选地或附加地，可以提供本领域已知的提供这种稳定拉动电势到不同电平的其它滤波装置。
[0127]实际上，通过本发明，提供了一种另选的PDM接口，S卩，目前应用的PDM接口的扩展，其通过根据本发明的电子电路实现，其中，L/R连接件也用作通信接口，同时使音频部件向后兼容目前的PDM接口标准。当前PDM接口通过将L/R连接到VDD或GND来工作。将L/R连接用于控制数据的这种用途允许例如麦克风部件的音频部件与相关技术PDM接口向后兼容。向后兼容可以被理解为表示在几乎不修改或不修改的情况下，根据本发明的电子电路或音频部件可与实现已知的PDM接口的非本发明的音频部件(即，它们在它们的L/R针脚上不发送控制数据)一起协作。
[0128]多个音频部件和单个主机可以使用相同协议在串行总线上通信，其中，一个或更多个部件和主机总体上被称为通信单元。任何两个单元可以使用点对点通信来直接通信，其中，总线上的各单元具有该单元的唯一地址，诸如部件可以被指派例如地址1...14，并且主机被指派地址0，其中，地址在枚举期间被指派给部件，参见下文。因而，利用广播(例如，地址15用于指示这个)，任何单元可立即与全部其它部件通信。
[0129]根据期望的应用，可以作为根据本发明的音频部件的一部分的音频元件的其它示例包括(但是不排他)扬声器元件、接收器元件、基于MEMS的硅接收器元件、双接收器元件、驻极体麦克风元件、动态麦克风元件、基于MEMS的硅麦克风元件、双麦克风元件、组合的麦克风和接收器元件。根据期望的应用，根据本发明的电子电路可以是集成电子电路(IC)，例如任何适当类型的ASIC，或者可以包括放大器、电容器、电阻器、电感器或者其它无源元件的选择、数字1/0端口、D/A和A/D转换器、逻辑端口、可编程元件等中的至少一种或其组合。应理解的是，一个或更多个音频元件和一个或更多个电子元件可以包括在根据本发明的音频部件中。音频元件和电子电路可以集成在单个芯片中。另选地，音频元件可以通过导线或焊接或以本领域已知的其它方式连接到电子电路。
[0130]在图10中示出了如何可以实施根据本发明的实施方式的电子电路的数据链路层中的控制数据的帧结构的示例和方法，其中，提供用于用信号通知帧的开始的8比特的标记或报头、用于地址、控制和数据的8比特的有效载荷、以及用于错误检测的8比特的CRC，如此处描述的。
[0131]执行线路编码，因为帧数据要通过例如物理层中的电容器发送。帧数据中的任何DC信号成分(低频成分)可以被去除以避免基线漂移。这是通过使用以下中的一个方案对帧数据编码来实现的:较复杂的8B/10B编码或曼彻斯特编码。
[0132]8b/10b是线路码(line code)，其将8比特符号映射到10比特符号以实现DC平衡和有限差异，并且仍提供足够的状态变化以允许合理的时钟恢复。这表示在至少20比特的串中的I和O的计数之间的差异不超过2，并且一行中不存在超过五个I或O。这有助于减少对用于传递信号的信道的较低带宽限制的需求。
[0133]曼彻斯特编码(也称为相位编码或PE)是线路编码，其中，各个数据比特的编码具有至少一个变化且占据相同的时间。因此没有直流分量，并且自计时，这意味着可以电感或电容耦合，并且可从编码数据恢复时钟信号。
[0134]载波侦听多路感测(CSMA)是概率介质访问控制(MAC)协议，其中，在共享的发送介质(诸如电力总线或电磁频谱的带)上进行传输之前，节点验证不存在其它业务流。“载波侦听”描述发射器在尝试发送之前使用来自检测到载波的接收器的反馈的事实。也就是说，发射器在尝试发送之前尝试检测来自其它站的编码信号的存在。如果感测到载波，则所述站在发起自己的传输之前等待正在进行的传输完成。“多路”描述多个站在介质上发送和接收的事实。一个节点的传输通常被使用该介质的全部其它站接收。[0135]在根据本发明的方法的实施方式中，进行介质访问控制，例如，1-持续CSMA。这在这里是有吸引力的，因为其简单。进行CSMS是有利的，以确保单元不在同时发送控制数据。
[0136]多个单元使用单个线路(例如方便地使用已有的L/R针脚)一起通信。这是有利的，因为任何单元可以在没有整体协调的情况下在任何时间发起传输。为了使得事情简单，不使用诸如针对SLIKbus标准中提供的时分复用(TDM)，否则其还可应用于此。然而，在此是方便但不是必须的，因为控制数据(基于事件)和音频数据(实时流传输)不被混合在单条总线上。
[0137]可以进行循环冗余校验(CRC)，其为错误检测码，被设计用于检测对原始计算机数据的意外改变，并且通常用于数字网络和存储装置，诸如硬盘驱动器。支持CRC的部件针对要发送或存储的各个数据块计算短的固定长度的二进制序列，称为校验值或(不恰当地)称为CRC，并且将其附加至数据，形成码字。当码字被接收或读取时，部件将其校验值与根据数据块新计算的校验值比较，或者等效地对整个码字执行CRC并将得到的校验值与预期的残留常数比较。如果校验值不匹配，则块包含数据错误并且该部件可以进行校正动作，诸如重读取或者请求再次发送该块，否则假定数据无错误(尽管可能在很小的概率包含未检测到的错误)；这是错误校验的基本性质。
[0138]在根据本发明的方法的实施方式中，还对控制数据进行错误校验。在图10中示出根据本发明的实施方式的电子电路的控制数据的帧结构以及方法，其中，提供了用于用信号通知帧的开始的8比特的标记或者报头，用于地址、控制和数据的8比特的有效载荷以及用于错误检测的8比特的CRC。通过使用帧的CRC字段检测到错误。RX在接收到的帧中进行错误校验并且如果所述帧包含错误则忽略该接收到的帧。接收单元与发送单元感测到相同的信号，其中，只要检测到错误，发送单元就将重新发送。因此，接收单元将最终接收到正确的数据。另选的或其它错误校验可以在系统上进行并且按照根据本发明的方法进行。
[0139]总线上的全部音频部件可以被主机同时时钟控制，其中，从主机时钟(SCK)以整数比导出传输时钟(TX)，并且从另一个时钟(例如，串行时钟(SCK))以整数比导出接收时钟(RX)。另选地，可以从时钟装置、另一个主机或另一个音频部件或电子电路接收时钟。
[0140]构造支持接口通信的音频系统设备时的特别考虑是枚举处理，在枚举处理中，各个麦克风部件被提供唯一地址，例如，链接到其在板上(即在包括该音频系统的电子装置上)的特定物理位置。这不仅是本领域通常已知的标识处理的一部分(其中部件声明它们自己的存在)。这也直接涉及到各个部件相对于板上的其它音频部件以及相对于声源(诸如使用该电子装置的人)的精确物理位置。这是个优点，因为当由主机进行来自各部件的信号的随后信号处理时(诸如降低噪声电平或去除回声)，在各个部件的物理位置已知时(即彼此的距离、上或下、左或右、大小和增益，特别是相对于声音源)，提供可接受的结果。
[0141]通过观察学校班级，可以例示这个位置枚举处理，其中，重要的是不仅每个学生(或部件)用名字(ID号码)标识自己，而且当被点名时各个学生举手(发送ID号码)以使得老师(主机)可以能够看到学生坐在哪里、他/她的名字是以及他/她是谁和能够做什么，老师(主机)可以根据老师的期望使用或测试或安排学生(部件)。
[0142]为了标识精确的物理位置(即，各个部件的身份)，主机可以使除了一个部件之外的全部部件静音。这使得主机能够识别出该部件连接到哪条数据线路并且在哪个时钟相位。这被重复直至识别了全部部件的连接为止。[0143]作为另选，各个音频部件可以将自己静音直至加电之后的随机时间为止。这个随机时间可以由各个音频部件中的随机生成器设定。当音频部件变得存在时(即，通过开始发送PDM数据)，主机通过在总线上发送刚刚变得存在的音频部件已经被指派特定地址的命令来指派地址。
[0144]在实施方式中，例如，在启动期间，根据本发明的各麦克风部件(例如，其上或其中的电子电路)生成随机标识数(例如，利用随机数生成器，诸如16位生成器)，并且经由L/R连接件将其发送到主机。在地址冲突的情况下，主机重复该处理直至与主机通信的全部音频部件具有音频部件专用唯一号码为止。
[0145]在有利的实施方式中，由电子电路中已经存在的模拟西格玛-德尔塔调制器的输出端提供随机数生成器。因而，电子电路中的元件的数量保持得少。此外，已经注意到，如果全部音频部件装配有相同类型的随机数生成器，则它们趋向于提供至少一些相似的部件ID号码。因而，西格玛-德尔塔提供随机信号，其更加适用于这个应用。
[0146]在方法的实施方式中，提供了部件地址的随机产生。各个部件或电子电路包含例如16位随机生成器，其用于产生16位地址。在冲突的情况下，主机重新开始枚举处理。在各个部件已经获得了唯一地址之后，这个地址被映射到例如1-14之间的地址空间，通过首先将全部部件静音并且接着将它们逐个使能，可确定精确的物理连接。各个音频部件或电子电路现在具有直接链接到物理连接件的唯一地址。
[0147]随机生成器在实施方式中是伪随机噪声生成器，其中，伪随机生成器的初始条件由模拟噪声源控制，模拟噪声源诸如是DC元件，诸如二极管、晶体管和/或电阻器。
[0148]在另选方法中，枚举处理包括用于确定音频部件变得在总线上存在的随机生成器。在变得在总线上存在之后，主机指派地址给各个音频部件，例如，1-14之间，从最低值开始。
[0149]在两个部件同时以相同地址或相同ID号码存在于总线上的情况下，主机将要求它们重复该处理。通过首先将全部部件静音并且接着将它们逐个使能，可确定精确的物理连接。各个部件现在具有直接链接到物理连接件的唯一地址。
[0150]尽管本公开易于进行各种修改和变型，在附图中通过示例示出特定实施方式，并且这些实施方式将在此详细描述。然而，应理解的是，本公开不旨在将本发明限制于所描述的具体形式，相反，本发明旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的全部修改、替换和等同。
[0151]这里描述了本发明的优选实施方式，包括发明人知道的用于执行本发明的最佳模式。应理解的是，所例示的实施方式仅仅是示例性的，并且不应被认为限制本发明的范围。
【权利要求】
1.一种用于从或向至少一个音频元件流传输PDM数据的电子电路，该电子电路包括: VDD连接件，其用于接收VDD电势，诸如电源电势； GND连接件，其用于接收数值低于所述VDD电势的电势； CLK连接件，其用于接收具有高部分和低部分的时钟信号； DATA连接件，其用于向或从主机和/或另一个这种电子电路传递所述PDM数据； L/R连接件，其用于接收DC电势，所述DC电势指定是否与所述时钟信号的所述高部分或所述低部分基本同步地进行传递， 其中，所述电子电路还包括I/O电路，所述I/O电路被构造成用于经由所述L/R连接件传递控制数据。
2.根据权利要求1所述的电子电路，其中，所述I/O电路被构造成通过发送和/或接收控制数据来传递控制数据。
3.根据权利要求1所述的电子电路，其中，所述I/O电路包括I/O单元，所述I/O单元包括逻辑元件，所述逻辑元件用于实现控制数据的所述传递。
4.根据权利要求1所述的电子电路，其中，所述I/O单元包括处理器。
5.根据权利要 求1所述的电子电路，其中，所述电子电路包括在ASIC中或包括ASIC。
6.根据权利要求1所述的电子电路，所述电子电路还包括随机数生成器。
7.根据权利要求6所述的电子电路，其中，所述随机数生成器上可用的数字的大小根据针对各个主机预计的电路的最大数量而选择。
8.根据权利要求7所述的电子电路，其中，所述随机数生成器由所述电子电路中设置的模拟西格玛-德尔塔调制器的输出端提供。
9.根据权利要求8所述的电子电路，其中，所述随机数生成器是伪随机噪声生成器，其中，所述伪随机噪声生成器的初始条件由模拟噪声源控制。
10.根据权利要求1所述的电子电路，其中，所述控制数据包括至少一个ID号码，所述至少一个ID号码包括固定ID号码和/或随机ID号码。
11.根据权利要求1所述的电子电路，所述电子电路还包括存储器，所述存储器被构造成存储至少所述固定ID号码和/或从所述随机数生成器提供的随机ID号码。
12.根据权利要求1所述的电子电路，所述电子电路还包括转换电路，所述转换电路用于从PDM数据流转换成模拟信号，或者从模拟信号转换成PDM数据流。
13.根据前述权利要求中任一项所述的电子电路，其中，所述I/O电路被构造成用于实现所述电子电路和至少一个其它这种电子电路之间的相互通信。
14.一种用于从或向至少一个音频元件流传输PDM数据的数字音频部件，该音频部件包括: 至少一个电子电路，其被构造成用于连接到至少一个主机和/或至少一个其它音频部件，以及 至少一个音频元件，其连接到所述至少一个电子电路。
15.根据权利要求14所述的音频部件，其中，所述至少一个电子电路还被构造成用于传输要转换成PDM数据流的音频信号和/或接收要转换成音频信号的PDM数据流。
16.根据权利要求14所述的音频部件，其中，所述至少一个音频元件包括扬声器元件、麦克风元件、放大器元件、诸如主机的处理器元件及其任意组合中的至少一个。
17.根据权利要求14所述的音频部件，所述音频部件包括MEMS或ECM。
18.根据权利要求14所述的音频部件，其中，所述音频部件的L/R连接件能够经由至少一个DC元件连接到VDD或GND,或者能够保持浮动，并且所述音频部件的所述L/R连接件还能够连接到主机的控制数据端口和/或连接到至少一个其它这种音频部件的L/R连接件和/或经由至少一个AC元件连接到至少一个电子电路的L/R连接件。
19.根据权利要求14所述的音频部件，所述音频部件还包括集成主机，诸如应用处理器或CODEC。
20.根据权利要求14所述的音频部件，其中，所述音频部件被构造成连接到主机，所述主机被专门编程为传递所述控制数据。
21.根据权利要求14到20中任一项所述的音频部件，其中，所述音频部件被构造成连接到主机，所述主机未被专门编程为传递所述控制数据。
22.—种具有至少两个音频部件的系统，该系统包括: 第一音频部件和第二音频部件，并且其中， 所述第一音频部件的L/R连接件能够经由至少一个第一 DC元件连接到VDD, 所述第二音频部件的L/R连接件能够经由至少一个第二 DC元件连接到GND, 所述第一音频部件的所述L/R连接件和所述第二音频部件的所述L/R连接件能够经由至少一个AC元件彼此连接 ，并且所述第一音频部件的所述L/R连接件和所述第二音频部件的所述L/R连接件还能够连接到主机的控制数据端口或连接到第三音频部件或电子电路。
23.根据权利要求22所述的系统，所述系统还包括两个电子音频部件的至少一个集合ο
24.一种用于从或向至少一个音频元件流传输PDM数据的接口系统，该接口系统包括至少一个音频部件以及包括控制数据端口的主机或另一个音频部件或电子电路，其中， 所述至少一个音频部件的L/R连接件经由至少一个DC元件连接到VDD或GND或者被保持浮动，并且， 所述至少一个音频部件的所述L/R连接件经由至少一个AC元件连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
25.根据权利要求24所述的接口系统，所述接口系统包括在各自的音频部件中的至少两个音频元件，所述音频部件是第一音频部件和第二音频部件，其中， 所述第一音频部件的所述L/R连接件经由至少一个第一 DC元件连接到VDD， 所述第二音频部件的所述L/R连接件经由至少一个第二 DC元件连接到GND， 所述第一音频部件的所述L/R连接件和所述第二音频部件的所述L/R连接件经由至少一个AC元件彼此连接，并且 所述第一音频部件的所述L/R连接件和所述第二音频部件的所述L/R连接件还连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
26.根据权利要求24所述的接口系统，所述接口系统包括各自的音频部件中的至少四个首频兀件，所述首频部件是弟一首频部件、弟~首频部件、弟二首频部件和弟四首频部件，其中， 所述第一音频部件和所述第三音频部件的所述L/R连接件经由至少一个DC元件共同连接到VDD，所述第二音频部件和所述第四音频部件的所述L/R连接件经由至少一个AC元件共同连接到所述第一音频部件和所述第三音频部件的共同的L/R连接件，并且 所述第二音频部件和所述第四音频部件的共同的L/R连接件连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口； 或者所述第二音频部件和所述第四音频部件的所述L/R连接件经由至少一个DC元件共同连接到GND， 所述第一音频部件和所述第三音频部件的所述L/R连接件经由至少一个AC元件共同连接到所述第二音频部件和所述第四音频部件的共同的L/R连接件，并且 所述第一音频部件和所述第三音频部件的共同的L/R连接件连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
27.根据权利要求24所述的接口系统，其中，所述主机被专门编程或未被专门编程为传递所述控制数据。
28.根据权利要求24所述的接口系统，其中，所述至少一个DC元件和/或所述至少一个AC元件包括在截止滤波器中。
29.根据权利要求24到28中任一项所述的接口系统，所述接口系统还包括偏置控制或块。
30.一种用于从或向 至少一个音频元件流传输PDM数据的方法，该方法包括: 提供至少一个电子电路， 将所述至少一个电子电路连接到所述至少一个音频元件，由此提供至少一个数字音频部件， 提供接收VDD电势的VDD连接件， 提供接收数值低于所述VDD电势的电势的GND连接件， 提供接收具有高部分和低部分的时钟信号的CLK连接件， 提供从或向所述至少一个音频元件或从主机和/或另一个这种电子电路传递所述PDM数据的DATA连接件， 提供接收DC电势的L/R连接件，所述DC电势指定是否与所述时钟信号的所述高部分或所述低部分基本同步地传递，以及 还提供经由所述L/R连接件传递控制数据的I/O电路。
31.根据权利要求30所述的方法，所述方法还包括:将所述至少一个电子电路或数字音频部件的L/R连接件连接到包括控制数据端口的主机或另一个音频部件或电子电路。
32.根据权利要求31所述的方法，所述方法还包括:将所述至少一个电子电路或所述至少一个音频部件的L/R连接件经由至少一个DC元件连接到VDD或GND或使其保持浮动，并且将所述至少一个音频部件的所述L/R连接件经由至少一个AC元件连接到主机或另一个数字音频部件或另一个电子电路的控制数据端口。
33.根据权利要求31所述的方法，所述方法还包括:提供各自的音频部件中的至少两个音频元件，所述音频部件是第一音频部件和第二音频部件，以及将所述第一音频部件的所述L/R连接件经由至少一个第一 DC元件连接到VDD，将所述第二音频部件的所述L/R连接件经由至少一个第二 DC元件连接到GND，将所述第一音频部件的所述L/R连接件和所述第二音频部件的所述L/R连接件经由至少一个AC元件彼此连接，并且将所述第一音频部件的所述L/R连接件和所述第二音频部件的所述L/R连接件连接到所述主机或另一个音频部件或电子电路的控制数据端口。
34.根据权利要求31所述的方法，所述方法还包括截止滤波。
35.根据权利要求31所述的方法，所述方法还包括偏置控制。
36.根据权利要求30所述的方法，其中，执行介质访问控制。
37.根据权利要求31所述的方法，其中，还对所述控制数据进行错误校验。
38.根据权利要求31所述的方法，其中，所述电子电路产生随机和/或固定ID号码，并且将这个ID号码经由所述L/R连接件发送到主机或另一个音频部件或另一个电子电路。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，这是在加电之后且在所述音频元件或部件中的至少一个的PDM音频信号操作之前进行。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，在地址冲突的情况下，所述主机重复该处理直至与所述主机通信的全部音频部件被提供了音频部件专用唯一号码为止。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，各个音频部件专用唯一号码被存储在所述电子电路的存储器中。
42.根据权利要求31所述的方法，其中，全部所述音频部件由被针对所述音频部件进行了调整的所述主机或音频部件或电子电路进行同步的时钟控制。
43.根据权利要求30到42中任一 项所述的方法，其中，对各个单个音频部件和/或音频部件的各个集合进行增益控制。
【文档编号】H04R19/04GK103907360SQ201280053400
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年8月27日 优先权日:2011年9月1日
【发明者】C·E·弗斯特, G·博加松, M·德吕京斯基 申请人:美商楼氏电子有限公司