基于單片機(jī)控制的數(shù)控功放的設(shè)計(jì)

趙巧妮

（1.西南交通大學(xué) 2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

1 引言

功率放大器是把來(lái)自音源或前級(jí)放大器的弱信號(hào)放大，推動(dòng)音箱放聲。目前市場(chǎng)上大部分功放的音響效果控制是模擬的，無(wú)法調(diào)節(jié)具體的參數(shù)。本文設(shè)計(jì)一套數(shù)字控制功放，能把音量、音調(diào)以及響度準(zhǔn)確地調(diào)整到所需參數(shù)，達(dá)到最佳聽(tīng)覺(jué)要求。

2 功放介紹

在功放系統(tǒng)中，按照工作點(diǎn)可分為A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和D類(lèi)。A類(lèi)功放效率最低；B類(lèi)功放有交越失真；AB類(lèi)功放結(jié)合了A、B兩類(lèi)功放的優(yōu)點(diǎn)，效率適中又沒(méi)有失真；D類(lèi)功放稱為數(shù)字功放，雖然效率高但音質(zhì)不及模擬功放。結(jié)合它們的優(yōu)點(diǎn)，選擇AB類(lèi)集成芯片功放 TDA7372和音效控制芯片SC7313為功放的核心器件[1]。

3 系統(tǒng)硬件組成

3.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊和數(shù)字控制模塊兩大類(lèi)，如圖1所示。

單片機(jī)控制模塊主要包括液晶電路和按鍵電路。通過(guò)鍵盤(pán)可以控制音量的大小、音源的選擇以及系統(tǒng)設(shè)置等。

數(shù)字控制模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字音頻信號(hào)的前期數(shù)字聲場(chǎng)處理，由用戶通過(guò)編程控制音量、音調(diào)、響度等參數(shù)，再將處理后的數(shù)字音頻信號(hào)送入后級(jí)音頻功率放大電路進(jìn)行功率放大。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.2 單片機(jī)控制模塊

(1)矩陣鍵盤(pán)模塊

本系統(tǒng)共使用了24個(gè)鍵盤(pán)，為減少I(mǎi)/O口的占用，把按鍵排列成4×6矩陣形式，通過(guò)J1與單片機(jī)的P1、P3.0、P3.1共計(jì)10個(gè)I/O口相接，其電路圖如圖2 所示。按鍵功能分別為通道選擇（共有三個(gè)信號(hào)通道可供選擇）、響度、輸入信號(hào)加減、音量加減、低音加減、高音加減、左邊低音加減（FL）、右邊低音加減（FR）、左后方低音加減（RL）、右后方低音加減（RR）、增加（up）、減小（down）、確定（enter）、退出（esc）、開(kāi)關(guān)、靜音。各按鍵功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。

圖2 按鍵電路圖

(2)液晶模塊和存儲(chǔ)模塊

液晶模塊是功放與用戶機(jī)通信的主要界面。芯片采用具有中文顯示功能的LM3033B液晶，與單片機(jī)的P0口進(jìn)行并行的數(shù)據(jù)通信。

存儲(chǔ)模塊采用I2C芯片AT24C02保存功放上次設(shè)置的參數(shù)，無(wú)需每次設(shè)置功放的聲場(chǎng)參數(shù)。

(3)單片機(jī)模塊

核心處理器 MCU采用51單片機(jī)89s51，與存儲(chǔ)電路、數(shù)字控制等電路采用 I2C總線來(lái)操作，電路如圖3 所示。單片機(jī)本身不是 I2C總線的芯片，用單片機(jī)的P3.6、P3.7來(lái)模擬I2C總線的SDA、SCL線。單片機(jī)各 I/O口的分配如表1所示。

圖3 單片機(jī)與從機(jī)連線圖

表1 單片機(jī)的I/O口分配

3.3 數(shù)字控制模塊

數(shù)字控制部分采用具有音量、音調(diào)、平衡度和響度控制的音頻處理芯片 SC7313。三路立體聲數(shù)字音頻信號(hào)通過(guò)阻容耦合分別從 SC7313的引腳 L1（Pin15）、R1（Pin11）、L2（Pin14）、R2（Pin10）、L3（Pin13）、R3（Pin9）輸入，通過(guò)編程選擇三路中任一路的音頻信號(hào)，最小可實(shí)現(xiàn) 1.25dB的音量調(diào)節(jié)，范圍在0dB～128dB[2]。經(jīng)SC7313內(nèi)部處理后，以獨(dú)立控制的四聲道方式通過(guò)電容耦合至AB類(lèi)功放TDA7372，被放大后再送入揚(yáng)聲器還原為聲音信號(hào)。功放數(shù)控電路圖見(jiàn)圖4。

圖4 功放數(shù)控電路圖

功放除了能正常放大音頻信號(hào)，還具有靜音功能，當(dāng)3腳低電平的時(shí)候，功放無(wú)聲音輸出。還可設(shè)定某個(gè)時(shí)間點(diǎn)讓功放進(jìn)入省電模式（10腳低電平時(shí)進(jìn)入省電模式），自動(dòng)關(guān)機(jī)，方便快捷。

4 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)軟件部分包括I2C總線的相關(guān)讀、寫(xiě)函數(shù)，單片機(jī)與各個(gè)I2C器件通信的協(xié)議函數(shù)，液晶的讀寫(xiě)函數(shù)以及按鍵的函數(shù)，本文主要描述I2C的相關(guān)函數(shù)。其它函數(shù)之間的關(guān)系用系統(tǒng)的總流程圖（圖5）來(lái)表示。程序首先對(duì)所有的器件初始化，液晶再顯示功放的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。若功放的設(shè)置不符合用戶的要求，可通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)整，也可通過(guò)液晶的菜單方式來(lái)確定是調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)還是功放參數(shù)或是時(shí)間參數(shù)，最后將調(diào)整好的參數(shù)保存即可。

4.1 I2C總線相關(guān)函數(shù)

單片機(jī)沒(méi)有I2C總線，故用兩根I/O口（P3.6口、P3.7口）來(lái)模擬I2C總線，定義位變量：sbit sda=P3^6；sbit scl=P3^7。

I2C總線以字節(jié)位為單位收發(fā)數(shù)據(jù)[4]。每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量沒(méi)有嚴(yán)格限制。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位，最后傳輸?shù)氖亲畹臀?，并且每個(gè)字節(jié)之后還要跟一個(gè)響應(yīng)位成為應(yīng)答位。依據(jù)I2C的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議規(guī)則，編寫(xiě)了對(duì)應(yīng)的讀函數(shù)uchar read_byte()、寫(xiě)子函數(shù)void write_byte(uchar dat)。

由I2C總線讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，定義了初始化函數(shù)void init()，開(kāi)始函數(shù)void start()，停止子函數(shù)void stop()。

圖5 系統(tǒng)總流程圖

具體初始化函數(shù)內(nèi)容編寫(xiě)如下：

4.2 單片機(jī)與I2C器件之間讀寫(xiě)字節(jié)的子函數(shù)

時(shí)鐘芯片PCF8563、音頻處理芯片PT2313、存儲(chǔ)芯片AT24C02均是I2C器件的從機(jī)，為了在呼叫時(shí)確定某個(gè)器件，依據(jù)電路圖定義三個(gè)從機(jī)的地址分別如下：

#define PCF8563 0xa3；

#define AT24C02 0xa1；

#define pt2313_init_code 0xaa//pt2313 初始化特征碼。

再依據(jù)I2C協(xié)議的時(shí)序定義單片機(jī)與PT2313、PCF8563以及AT24C02之間讀寫(xiě)的字節(jié)的子函數(shù)。

給pt2313寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的函數(shù)：

void write_pt2313(uchar dat)

pt2313設(shè)置子函數(shù)：

void pt2313_set(uchar key_code)

初始化子函數(shù)：

void pt2313_init(void)

//將pt2313中的參數(shù)從AT24C02中讀出。

給選定的 I2C器件中的某個(gè)存儲(chǔ)單元寫(xiě)一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)：

void write_iic()

從選定的I2C器件讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)：

Uchar read_iic()

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，該數(shù)控功放的聲場(chǎng)參數(shù)（音量、音調(diào)、響度）可以定量調(diào)節(jié)，使用便捷，控制可靠，音響效果較好，其功效在同類(lèi)產(chǎn)品中性價(jià)比較高，值得在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用。

[1]沙占友,馬洪濤.純數(shù)字音頻立體聲功率放大器設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù),2003(4):29-31.

[2]粟慧龍,韓雪.基于AT89S52智能家居背景音樂(lè)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).科技信息[J],2011(2):111-112.

[3]謝世武.I2c總線及其在視聽(tīng)系統(tǒng)中應(yīng)用電腦知識(shí)與技術(shù)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2004(23):58-60.