和弦芯片C520的結構與典型應用

1 和弦鈴聲概述

和弦原來是樂理上的一個概念，指的是按照三度關系疊置起來的三個或三個以上的音的結合；而在音頻器材的工業(yè)設計領域中，和弦指的是多個音源同時發(fā)音，也叫復音、多音(polyphony)。和弦鈴聲在手機中得到了廣泛的應用，它的音色飽滿圓潤，立體感強，已經全面取代了以往的單音鈴聲。目前和弦鈴聲文件格式有多種，如midi、mmf、amr、mp3、imy等，其中midi是目前支持度最高的鈴音文件格式，它的文件占用空間小，表現力強，幾乎已經成為目前和弦鈴聲手機的標準配置。

手機中的midi和弦音樂是通過內置高集成度的和弦芯片播放midi音樂文件來實現的。和弦芯片使用的聲音合成和音色調用方式決定了鈴聲的播放效果。早期的fm（frequency modulation）合成法將多個頻率的單音組成復合音來模擬各種樂器的聲音，產生的聲音音色少、音質差。另一種是波形表(wavetable)合成法。這種方法是先把各種真正樂器的音樂錄制下來再進行合成處理，音色好，音域廣。根據波表產生方式的不同分為軟件和弦和硬件和弦兩種。軟件和弦比硬件和弦節(jié)省系統(tǒng)開銷，更容易集成到移動設備上。

目前手機市場有多種和弦控制芯片，使用較多的有日本的yamaha，我國臺灣的華邦和旺宏、大陸的中星微和智多微。各個公司的和弦芯片都有自己的特點，其中智多微的c520能夠支持民族樂器播放，所以選用c520作和弦音樂控制。

2 c520和弦芯片

c520是上海智多微電子有限公司的一款和弦芯片，專門用于為手機提供清脆逼真的音樂鈴聲和豐富游戲音效。該芯片集成了64和弦、16音色波表和21首中國民樂，具有3d立體聲環(huán)繞增效的midi合成器、midi gm預置rom、16位高性能音頻數模轉換器和2/4位adpcm解碼器等功能。

2.1 芯片特點

相對于市場上的其他手機和弦芯片，c520具有以下幾個特點：

① 能夠通過片上的音樂合成器對輸入midi信號合成，或者通過adpcm解調器對輸入的adpcm信號解調，然后通過內置的dac輸出波形。

② 集成了高質量的midi gm音色庫，容量高達3 mb；提供gm音色庫之外的民族樂器音色庫，支持二胡、古箏、琵琶等20多種民族樂器；支持多音色和復音——最多同時支持16個音色和64復音。

③ 具有多個功能端口，可支持手機振動驅動及l(fā)cd背光驅動，可用于播放音樂同步的pwm來控制七彩燈。

④ 與主控端的接口可以是并行接口或者串行接口；允許芯片工作于dac輸入模式，接受兼容通用串行dac數據格式的輸入數據；片內集成不同輸入數據的fifo；待機模式下典型工作電流小于50 μa。

2.2 功能單元

整個芯片由iou（i/o接口單元）、sg（音樂合成器）、adec（adpcm解調器）、tg（時鐘模塊）和analog（邏輯）模塊組成。

iou完成與外部cpu的接口，控制內部的fifo以及芯片其他功能接口;形成音樂的midi數據以及外部cpu對芯片的控制命令也是通過iou中的寄存器送出。sg模塊從iou的fifo中取的midi數據，采用波表合成的方式合成音樂。adec接收經過壓縮的pcm數據，根據相應的控制信號進行解碼，將解碼后的16位pcm碼輸出至sg的dsp單元。tg對輸入時鐘倍頻以及產生內部時鐘。analog包括一個dac和對dac的輸出信號進行低通濾波以及功率放大的amp。c520芯片內部結構如圖1所示。

3 應用

3.1 典型電路

控制cpu選用三星公司的32位risc芯片s3c4510b。該芯片是專為嵌入式以太網應用開發(fā)的，內核為arm7tdmi，支持高代碼密度的thumb指令集，適用于對價格及功耗敏感的應用場合。

c520與s3c4510b可以是并行接口或者串行接口，但是并行接口比串行接口數據傳輸速度快，因此在本設計中采用并行接口。芯片應用電路如圖2所示。

在這個電路中，c520的cs_n用s3c4510b的i/o p0進行控制。其實如果在片選信號線夠用的情況下，可選擇s3c4510b中rom/sram/flash片選信號 nrcs[5∶0]中的任何一根信號線，這樣可以節(jié)省1根gpio；同理，如果不想再控制c520復位，可以將其復位信號與s3c4510b的復位線nreset相連，這樣s3c4510b與c520將在上電時同時復位；c520 pd腳是低功耗狀態(tài)控制引腳，“1”為正常工作狀態(tài)，“0”為進入低功耗狀態(tài)；c520 irq腳為中斷輸出腳，其可連接s3c4510b的外部中斷請求信號腳xintreq[0]。

3.2 芯片初始化

c520的初始化工作非常簡單,包括：

① 根據外部時鐘設置pll分頻比。pll分頻比由寄存器clock(read:10h/write:11h)和寄存器master clock(read:18h/write:19h)共同決定。內部時鐘頻率fsys=fclock?(dn+1)/(dm+1)。其中dm為寄存器clock[4∶0],dn為寄存器master clock tuning[5∶0],fclock是外部輸入時鐘，內部系統(tǒng)時鐘頻率fsys必須定在48 mhz~50 mhz之間。

② 打開模擬模塊,向寄存器analog power down（read:66h/write:67h）的bit3寫0。

③ 設置analog select,根據寄存器analog select（read:60h/ write:61h）選擇模擬功能。

3.3 播放midi音樂文件

c520可以播放midi format 0和mmd格式的midi文件。

midi format 0文件開頭4字節(jié)數據ascii值為“mthd”,mmd文件開頭4字節(jié)數據ascii值為“mmhd”。arm發(fā)送這兩種格式的midi數據過程不同，在發(fā)送前根據文件開頭4字節(jié)數據進行區(qū)分。

發(fā)送midi format 0格式的midi文件，文件中的所有數據都要發(fā)送。

mmd格式的文件，可分為四塊，每塊的開頭都有8字節(jié)的頭數據部分。第1塊頭數據部分前4字節(jié)的ascii碼值是“mmhd”，第2塊頭數據部分前4字節(jié)的 ascii 碼值是 “mmly”,第3塊頭數據部分前4字節(jié)的ascii碼值是“mmdd”。第4塊頭數據部分前4字節(jié)的ascii碼值是“mmex”。每一塊頭數據的第5、6、7、8字節(jié)是這塊數據的長度（不包括頭數據）,第5字節(jié)是低字節(jié)位，第8字節(jié)是高字節(jié)位，這4個字節(jié)組成的十六進制數據加上頭數據長度8,就是這塊數據的長度。mmdd塊數據的頭數據后面就是經過壓縮的midi數據；mmly塊數據是用于卡拉ok的專用數據，播放midi時無須發(fā)送該塊；mmex為擴展塊。

向c520發(fā)送mmd格式的midi數據時，先發(fā)送mmhd塊，接著發(fā)送mmdd塊的midi數據部分（即該塊中除塊名及塊長度的部分），而mmly塊不用發(fā)送。

圖3為播放midi文件流程。

結語

本文介紹了智多微公司的手機和弦芯片c520，給出了其原理及內部結構圖。采用三星的risc芯片s3c4510b做控制器，實現了和弦音樂的播放。文中給出了詳細的電路原理圖和播放midi音樂文件的流程，可以作為和弦芯片在移動產品上的應用參考。