數(shù)字車載音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石鑫焱，劉 權(quán)，曹成茂

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 合肥230036)

隨汽車電子技術(shù)的迅速發(fā)展，車載音頻領(lǐng)域正在經(jīng)歷一個(gè)前所未有的技術(shù)變革，使用者對車載音頻提出了功能多樣化、操作人性化的要求，主要包括以下三個(gè)方面[1]：(1)具備更好的電臺(tái)接收效果以及更簡便的數(shù)字式調(diào)臺(tái)操作；(2)支持多種外加存儲(chǔ)設(shè)備，如支持大容量的U盤和SD卡等；(3)提供更加豐富的音效處理，如高音、重低音、等響度、平衡度等的調(diào)節(jié)以及提供流行、搖滾、爵士、古典等音效處理。以這些需求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字車載音響系統(tǒng)。

1 I2C協(xié)議

I2C總線作為同步串行數(shù)據(jù)輸出總線，由一條串行數(shù)據(jù)線(SDA)和一條串行時(shí)鐘線(SCL)組成。它是一個(gè)真正的多主機(jī)總線，如果多個(gè)主機(jī)同時(shí)進(jìn)行初始化數(shù)據(jù)傳輸，可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞。每個(gè)連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機(jī)/從機(jī)關(guān)系軟件設(shè)定地址。主機(jī)可以作為主機(jī)發(fā)送器或主機(jī)接收器。

2硬件電路

2.1電路設(shè)計(jì)

根據(jù)車載音響系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用STC12C5624AD系列單片機(jī)，它是宏晶公司推出的51增強(qiáng)型單片機(jī)，具有低功耗、計(jì)算速度快等特點(diǎn)。當(dāng)關(guān)閉音響系統(tǒng)時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，單片機(jī)切斷所有外圍模塊的供電；當(dāng)系統(tǒng)需要工作時(shí)，通過外部中斷喚醒單片機(jī)工作，這樣最大限度地減少功耗。音響系統(tǒng)電路圖如圖1所示。

圖1 音響系統(tǒng)模塊電路圖

2.2外圍硬件模塊

該系統(tǒng)以STC12C5624AD單片機(jī)為核心，通過I2C總線控制其他模塊的工作。硬件模塊框圖如圖2所示。

圖2 車載音響系統(tǒng)硬件模塊框圖

2.2.1電源模塊

電源模塊采用美國國家半導(dǎo)體公司推出的電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路LM2576和LM2575，它們內(nèi)含固定頻率振蕩器(52 kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器(1.23 V)，并具有完善的保護(hù)電路(電流限制及熱關(guān)斷電路)。集成穩(wěn)壓電路引入閉環(huán)控制，只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效為穩(wěn)壓電路，輸出端電壓穩(wěn)定、紋波小[2]。

輸入端電壓范圍為10 V～40 V。輸入電壓范圍寬使系統(tǒng)能夠適應(yīng)12 V/24 V兩種供電車系，同時(shí)也很好地解決了汽車工作在不同工況時(shí)，輸出電壓變化的問題。

2.2.2 MP3解碼模塊

MP3解碼模塊選用的是AU7842，集成了微控制器、MP3/WMA解碼器、USB主機(jī)控制器、SD/MMC卡控制器、16 bit音頻解碼器和一個(gè)紅外線解碼器，如圖3所示。

圖3MP3/WMV解碼模塊電路

AU7842芯片是將以數(shù)字信號(hào)形式存儲(chǔ)的音樂文件(MP3和WMA)解碼成可以播放的模擬信號(hào)。開機(jī)后，單片機(jī)循環(huán)檢測解碼芯片周圍電路的動(dòng)作。當(dāng)檢測到芯片外圍有存儲(chǔ)設(shè)備接入，單片機(jī)控制芯片直接訪問(DMA)存儲(chǔ)器里的內(nèi)容，讀取數(shù)據(jù)并送入MP3/WMA解碼器，解碼得到的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)模擬音頻放大和低通濾波，就可以得到聽到的音樂[3]。

2.2.3收音機(jī)模塊

收音芯片采用恩智浦半導(dǎo)體公司針對汽車收音機(jī)主機(jī)設(shè)計(jì)的一款包含PLL調(diào)諧系統(tǒng)的低中頻調(diào)諧器TEF6606。除了基本特征外，TEF6606還提供良好的弱信號(hào)處理功能和一個(gè)動(dòng)態(tài)頻寬控制。TEF6606工作原理如圖4所示，其本振信號(hào)由PLL調(diào)諧系統(tǒng)產(chǎn)生，通過I2C總線對可編程分頻器的分頻系數(shù)進(jìn)行調(diào)諧，使壓控振蕩器(VCO)輸出的本振頻率發(fā)生變化，從而達(dá)到數(shù)字化調(diào)臺(tái)的目的[4]。收音系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示。

TEF6606芯片具有良好的微弱信號(hào)處理功能，提高了汽車在高速行駛和在大山之間行駛過程中收音機(jī)的收音性能。

圖4 收音系統(tǒng)電路原理圖

2.2.4音效處理模塊

音效處理模塊處理來自MP3解碼芯片和收音芯片的聲音。主控芯片通過I2C總線控制音效芯片相應(yīng)寄存器，可以設(shè)置音量、音調(diào)(低音、高音)、平衡度(左、右)和響度(前、后)；選擇流行、搖滾、爵士、古典等音效；芯片在低音量時(shí)通過提升高頻和低頻聲進(jìn)行聽覺補(bǔ)償，可以得到低失真、低噪聲和低直流電平漂移的聽覺效果。

2.2.5按鍵系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)電路

按鍵系統(tǒng)采用的是兩個(gè)EC11編碼器和4個(gè)按鈕開關(guān)，便于汽車在行駛過程中駕駛員的操作。LCD采用根據(jù)汽車音響的功能而定制的筆段液晶，能夠顯示包括收音頻率、音頻播放時(shí)間、U盤狀態(tài)、SD卡狀態(tài)、RPT單曲重復(fù)播放、RDM隨機(jī)播放、ST立體聲狀態(tài)、LOUD等響度、MUTE靜音和左右聲道的電平指示等狀態(tài)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的總體流程框架如圖5所示。在軟件的輔助下，系統(tǒng)可以完成斷電記憶功能，即在手動(dòng)關(guān)機(jī)或自動(dòng)掉電時(shí)，系統(tǒng)能記憶斷電前系統(tǒng)的動(dòng)作和各項(xiàng)設(shè)定值，并在下次開機(jī)時(shí)直接調(diào)用。收音頭電路可實(shí)現(xiàn)以10 kHz的步長進(jìn)行手動(dòng)搜臺(tái)和自動(dòng)搜臺(tái)，并且能夠存儲(chǔ)18個(gè)常聽的頻段。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

斷電記憶子程序如下：

使用了斷電記憶子程序，無論是人為關(guān)機(jī)還是系統(tǒng)掉電，系統(tǒng)都將會(huì)自動(dòng)保存斷電前使用者所設(shè)定的音效值如音量、平衡度、響度等值，以及斷電前收音機(jī)的頻段值或者是USB和SD中正在播放的曲目及播放的時(shí)間值，通過Wirte_EEPROM函數(shù)存入EEPROM。下一次系統(tǒng)開啟時(shí)，使用者不必重新設(shè)定，系統(tǒng)可以直接從EEPROM值讀取斷電前的各個(gè)設(shè)定值。

收音頭收音子程序如下：

主控芯片通過I2C總線控制收音頭寄存器，通過改變RD_DAT的邏輯值來控制收音頭的工作狀況。通過鍵盤上按鍵操作就可以控制收音頭以三種波段切換搜臺(tái)。旋轉(zhuǎn)搜臺(tái)按鈕，可以以10 kHz的步長進(jìn)行手動(dòng)搜臺(tái)。通過控制自動(dòng)搜臺(tái)按鈕，收音頭可以完成10 kHz的步長進(jìn)行自動(dòng)搜臺(tái)。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字車載音響系統(tǒng)兼容了收音機(jī)和MP3播放功能，在MP3音頻文件存儲(chǔ)設(shè)備方面有較大的突破，新型大容量存儲(chǔ)設(shè)備(USB/SD)取代了傳統(tǒng)卡帶存儲(chǔ)。系統(tǒng)操作簡便，收音機(jī)和MP3播放性能良好。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了汽車行駛狀況[5]，將系統(tǒng)分別置于-40℃和+60℃環(huán)境中以及四度空間振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能長時(shí)間運(yùn)行，且各項(xiàng)功能穩(wěn)定。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在某些品牌工程車。

[1]陳永降，朱維杰.基于BU9435KV的車載音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2008(11)：18-20.

[2]李文.一種新型5 V大功率開關(guān)穩(wěn)壓電源 [J].微電子學(xué)，2003(1)：74-77.

[3] ShanghaiMountain View Silicon Technology Co Ltd.AU7842USB Host MP3/WMA decode SoC[Z].2007，6.

[4]肖寧，呂盼稂，王余濤，等.基于 TEF6606車載收音機(jī)模塊設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010(8)：32-35.

[5]GRAZIANO M，ROCH M R.An automotive CD-player electro-mechanics fault simulation using VHDL-AMS[J].Journal of Electronic Testing， 2008，24(6)： 539-553.