封昭迪

摘要：拉桿箱音響是一種大功率，相對便攜的，對音質(zhì)需求較高，功能多元化，使用足夠便利的可以滿足人們商業(yè)活動和娛樂休閑的音響類產(chǎn)品。但是目前傳統(tǒng)的設(shè)計方案無法同時滿足高性能和低成本的產(chǎn)業(yè)化需求。針對當(dāng)前拉桿箱音響的發(fā)展情況，研究了市場上對此類產(chǎn)品的需求，結(jié)合當(dāng)前大多數(shù)工廠的產(chǎn)業(yè)化能力，提出了—種新的電子方案設(shè)計，采用了高性能的DSP芯片以及主控芯片，在滿足設(shè)計需求的基礎(chǔ)上大幅度降低了成本。在評估可行性之后，對方案進(jìn)行了多次驗(yàn)證與修改，目前已順利完成量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了此方案的產(chǎn)業(yè)化需求。

關(guān)鍵詞：拉桿箱音響 高性能 低成本 DSP 電子

—、引言

隨著社會不斷進(jìn)步，廣大人民群眾對物質(zhì)精神文化生活質(zhì)量的需求在不斷提高。拉桿箱音響作為一種兼具便攜性與功率要求的音響類產(chǎn)品順理成章的走入了我們的生活中。其應(yīng)用場景主要有商場，家庭聚會，大型廣場活動以及獨(dú)立歌手演出等。為了滿足人們?nèi)粘蕵芬约吧虡I(yè)活動的需要，亟需設(shè)計一種可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的，高

經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鲆约安粩嗟尿?yàn)證。最終確定了方案。本文將針對這種電子方案從選型和設(shè)計兩部分同時進(jìn)行討論與介紹。

二、整體流程架構(gòu)介紹

（一）系統(tǒng)流程圖

（二）主控部分

主控部分的核心選用的是ATS2825，輔以外圍的音頻輸入部分，顯示部分，ADC按鍵輸入部分，以及串口通信部分，作為整個系統(tǒng)中處于主導(dǎo)地位的存在，對外為用戶提供交互界面以及操作終端，對內(nèi)則是控制和聯(lián)系其他部分的樞紐。

（三）麥克風(fēng)信號輸入部分

為了便于用戶操作，麥克風(fēng)這里采用了有線話筒+無線話筒共用的方案，將有線話筒與U段無線話筒的輸入并在一起輸入給WM8988。U段話筒具有音質(zhì)好、抗干擾性強(qiáng)、支持跳頻以避免相互之間干擾以及傳輸距離相對較遠(yuǎn)的特點(diǎn)。

（四）音頻處理部分

音頻處理部分則主要由三部分組成。分別是負(fù)責(zé)和主控芯片通信。處理旋鈕功能以及控制DSP芯片的新唐M0516、負(fù)責(zé)對音頻進(jìn)行各種復(fù)雜處理的HC5155D芯片和輸出給功放部分的高性能AD/DA芯片WM8988。

（五）功率放大部分

從WM8988輸出的信號和樂器輸入的信號經(jīng)過混合后首先經(jīng)過4558放大，再進(jìn)入TPA3255二次放大，最后輸出給揚(yáng)聲器。

三、電子方案軟硬件原理詳細(xì)介紹

（一）主控部分

1.主控芯片介紹

ATS2825是一顆高集成度的藍(lán)牙音頻解決方案Soc，具有高性能，低成本和低功耗等特點(diǎn)。原廠提供了標(biāo)準(zhǔn)SDK可供使用者按照自己的實(shí)際需求進(jìn)行開發(fā)，內(nèi)部使用μC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)，封裝成類似Linux的結(jié)構(gòu)。熟悉Linux系統(tǒng)開發(fā)的工程師可以輕松的上手。

2.音源輸入

ATS2825支持藍(lán)牙輸入，音頻輸入，以及USB和SD卡輸入，只要將外圍器件連接好。在內(nèi)部就可以通過切換應(yīng)用的方式來選擇音源當(dāng)相應(yīng)的應(yīng)用被選中時，對應(yīng)的輸入就會被選中，從IC的輸出口進(jìn)行輸出，因?yàn)楹蠹壍腄SP采用數(shù)字輸入，所以這里將ATS2825的輸出設(shè)置為數(shù)字12S輸出。

3.顯示部分

顯示部分采用了一塊段位液晶顯示屏具體示意圖如下：

此屏幕可以顯示出各種狀態(tài)，并且顯示效果較市面上常見的LED數(shù)碼管要好得多。為了節(jié)省IO口線，這里采用了一顆HT1621芯片來進(jìn)行驅(qū)動。ATS2825可以方便的通過4條控制線和HT1621進(jìn)行通信，分別是/CS，/RD，/WR，DATA。其中/CS為片選口，只有當(dāng)此引腳拉低時才可以和HT1621進(jìn)行通信。/RD和/WR分別是寫數(shù)據(jù)操作和讀數(shù)據(jù)操作的時鐘脈沖信號，以上三條信號均由ATS2825產(chǎn)生，DATA線則較為特殊，做讀寫數(shù)據(jù)操作時，一條完整的data數(shù)據(jù)由3位命令字+6位地址字+4位數(shù)據(jù)字組成，其中讀或?qū)懙哪Ｊ接擅钭譀Q定，對LCD進(jìn)行設(shè)置的話，一條完整的data數(shù)據(jù)由3位命令字+9位命令字組成，設(shè)置指令命令字固定為100，而具體的設(shè)置內(nèi)容則由9位命令字來決定。

4.按鍵

物理按鍵采用電阻分壓的方式接入ATS2825，這樣當(dāng)每個按鍵或者是不同的組合按鍵按下時，主控IC的ADC輸入口檢測到的電壓值就會產(chǎn)生變化，這時就可以量化這些電壓值為不同的數(shù)據(jù)進(jìn)而加以判斷是哪個按鍵或者是哪種組合鍵被按下。

5.通信

因?yàn)橹骺夭糠植⒉贿M(jìn)行過音頻方面的處理，所以需要將處理的內(nèi)容傳遞給音頻處理部分，并且要獲得相關(guān)信息，通過將ATS2825和下面將要介紹的M0516LDN的UART口連接，并且制定好通信協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)兩部分控制與交互。

（二）音頻處理部分

1.音頻部分芯片介紹

M0516LDN（LQFP48）為Cortex^TM-M0 32位微控制器系列，具有硬件SPI接口以及UART接口、8通道12位分辨率的ADC輸入以及高達(dá)40個IO口。

HC5155D是一顆高性能低成本的專門為音頻處理提供解決方案的定點(diǎn)音頻處理芯片。適用于各種復(fù)雜的音效算法處理?？梢葬槍σ纛l進(jìn)行多項(xiàng)調(diào)節(jié)，例如均衡調(diào)節(jié)，限幅控制等，支持麥克風(fēng)的混響，回聲，變調(diào)，防嘯叫，閃避等功能。

WM8988是CIRRUS LOGIC開發(fā)的一款高性能AD/DA芯片。各項(xiàng)性能參數(shù)非常好，使用這顆IC可以有效的降低音頻從DA過程中產(chǎn)生的噪聲和失真。

2.旋鈕

旋鈕部分是針對音頻的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，分別是音樂音量、音樂高音調(diào)節(jié)、音樂低音調(diào)節(jié)、麥克風(fēng)高音調(diào)節(jié)、麥克風(fēng)低音調(diào)節(jié)、麥克風(fēng)回響調(diào)節(jié)、麥克風(fēng)延遲調(diào)節(jié)，以及麥克風(fēng)音量以及樂器輸入音量調(diào)節(jié)。

需要說明的是，除了麥克風(fēng)和樂器音量調(diào)節(jié)采用電位器直接控制的方式，其余旋鈕均接入M0516LDN芯片的ADC輸入口，通過此芯片來實(shí)時的讀取電位器的電壓值來判斷旋鈕的位置和動作。原因如下：

（1）高低音、回響延遲等功能并不能直接通過電位器實(shí)現(xiàn)，必須由DSP芯片來處理。這就要求必須由控制芯片檢測到旋鈕的動作和刻度來分析出需要執(zhí)行的功能再控制DSP芯片進(jìn)行操作。

（2）音樂音量的調(diào)節(jié)雖然可以直接通過電位器控制，但是這樣就無法在屏幕上顯示出音量的值。經(jīng)過權(quán)衡，最終將音樂音量接入M0516LDN芯片。

M0516LDN芯片具有的8個通道12位分辨率的ADC輸入口在這里不但滿足了旋鈕數(shù)量上的需求。而且在精度上也得到了保障。

3.音頻處理部分

這里HC5155D接收到的信號來自兩部分，一部分是從ATS2825輸出的音樂信號，另一部分是麥克風(fēng)輸入經(jīng)過WM8988轉(zhuǎn)換而成的數(shù)字信號，因?yàn)辂溈孙L(fēng)輸入本身是模擬信號，所以這里必須經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。

接收到音頻信號以后HC5155D就可以根據(jù)需求進(jìn)行處理了。主要調(diào)節(jié)內(nèi)容有均衡調(diào)節(jié)、輸入靈敏度和輸出限幅，麥克風(fēng)的回響延遲調(diào)節(jié)、閃避以及人聲消除功能等。最后再將分別處理過的音樂信號與麥克風(fēng)輸入信號進(jìn)行疊加輸出。

其中均衡直接影響著音頻信號的頻率響應(yīng)，對音質(zhì)的好壞起著決定作用。需要針對箱體結(jié)構(gòu)、喇叭曲線等整體系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，需要相當(dāng)程度的電聲知識。同時用戶常見的搖滾，流行，古典等音效其實(shí)也是通過預(yù)置的不同均衡效果來實(shí)現(xiàn)的。

輸入靈敏度和輸出限幅則影響系統(tǒng)的輸出功率，輸入靈敏度決定著標(biāo)準(zhǔn)信號在多大幅度輸入時音響會達(dá)到設(shè)計上的滿功率，而限幅則會限制HC5155D最大輸出幅度，從而限制功放輸出的最大功率。

麥克風(fēng)回響，延遲功能則為用戶提供了豐富的唱K效果，人聲消除功能可以有效的消除音樂原聲中人聲所在的頻段，實(shí)現(xiàn)只保留伴奏音樂的效果，而閃避功能則會采集麥克風(fēng)信號的輸入幅度，當(dāng)麥克風(fēng)輸入信號達(dá)到一定閾值。則自動降低音樂通道的聲音。

另外音樂和麥克風(fēng)還分別有高音和低音的插件可供用戶調(diào)節(jié)，以滿足用戶對不同音樂的需求，一般來說音樂的低頻頻段選在100Hz左右，高頻選在10KHz，而麥克風(fēng)的低音選在200Hz左右，高頻選在4KHz左右。

（三）功率放大部分

這里采用兩級放大。輸出信號先經(jīng)過運(yùn)放4558進(jìn)行一次放大之后再進(jìn)ATPA3255再次放大。不但可以彌補(bǔ)TPA3255的放大倍數(shù)不足，而且還能夠降低信號傳輸過程中的干擾。

除了麥克風(fēng)輸入之外，還設(shè)計了一個獨(dú)立的樂器輸入，因?yàn)榇溯斎胄枰ＷC樂器原有的音質(zhì)與音色，所以中間沒有經(jīng)過任何DSP處理。直接并AWM8988輸出之后。