一種數(shù)字車載音響系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　摘要： 介紹了新型數(shù)字多媒體存儲(chǔ)式智能車載音響系統(tǒng)的解決方案。采用高效率的開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了省電模式下低功耗操作。單片機(jī)通過I2C 總線控制收音、MP3 解碼、音效處理芯片相應(yīng)的寄存器，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻立體收音、音頻解碼、音效處理功能。該系統(tǒng)融入了智能自檢、異常應(yīng)錯(cuò)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了記憶操作及MP3 續(xù)播功能，且優(yōu)化了用戶操作及視聽感受。

　　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(duì)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） 具備更好的電臺(tái)接收效果以及更簡(jiǎn)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(cè)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(jiǎn)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(guó)國(guó)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。

　　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3 MP3/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(cè)解碼芯片周圍電路的動(dòng)作。當(dāng)檢測(cè)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。

　　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(duì)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(duì)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。

圖4 收音系統(tǒng)電路原理圖

　　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。

　　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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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，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(zhǎng)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。