南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 魏明月 帥輝明

關(guān)鍵字：LPC1114；WT2003S；音頻播放

引言

工業(yè)是一個社會的經(jīng)濟基礎(chǔ)，并且還是保障人民生活水平的基礎(chǔ)。德國提出工業(yè)4.0 進行工業(yè)升級的情況下，中國提出了“中國制造2025”來作為中國促進工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的目標(biāo)。工業(yè)升級就是要促進產(chǎn)線的機器化，提高生產(chǎn)效率并且保證產(chǎn)品質(zhì)量。而產(chǎn)線的智能小車是作為產(chǎn)品或者原材料運轉(zhuǎn)的中間環(huán)節(jié)，在小車運行的過程中需要發(fā)出一些音頻聲音來確定小車目前是否發(fā)生故障或者其他的情況。這就促成了在運轉(zhuǎn)智能小車上需要裝置一個能夠發(fā)聲的音樂播放器，由于各行業(yè)之間小車與播放器之間的通信信號并沒有形成標(biāo)準(zhǔn)文件，所以現(xiàn)在通用的都是利用24V 電平信號的變化來選擇播放的音頻。本文就是描述了一種使用在運轉(zhuǎn)循跡智能小車上的低成本音頻播放器。

1 概述

此次設(shè)計的音頻播放器整體方案由電源電路的設(shè)計、電平翻轉(zhuǎn)電路的設(shè)計、LPC1114 最小系統(tǒng)電路設(shè)計、WT2003S 音頻解碼芯片電路設(shè)計、功放電路設(shè)計等組成。以保證所設(shè)計的功能可以實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

音頻播放器的整體方案框圖如圖1 所示，圖1 顯示了音頻播放器包含了使用LM22676 電源芯片設(shè)計的DC-DC 電源電路，使用ULN2003 設(shè)計的電平翻轉(zhuǎn)電路作為音頻播放信號的輸入，使用LPC1114 作為CPU 芯片作為解析輸入信號并且輸出與編解碼信號的UART 信號，WT2003S 音頻編解碼芯片作為讀取TF 卡中的音頻文件并且輸出音頻DAC 信號到功率放大器中，使用TDA1308 功率放大器則是將音頻信號放大并且通過喇叭播放出來。通過這樣的方案設(shè)計，來實現(xiàn)所需要的播放功能。

圖1 音頻播放器的整體方案框圖

3 電源部分

考慮到播放器是使用在工業(yè)場所中，工業(yè)場所中常見直流電壓為DC24V。所以本次所用的DC-DC 直流芯片使用的是LM22676 電源芯片實現(xiàn)24V 轉(zhuǎn)5V，而5V 轉(zhuǎn)3.3V 電壓則是通過常規(guī)使用的LM1117 芯片進行轉(zhuǎn)換給芯片供電。如圖2 所示為電源電路輸入前級保護電路，在工業(yè)場所中常常對產(chǎn)品的浪涌、全脈沖干擾有著一定的等級要求，所以前級電路中有壓敏電阻、保險絲、TVS 管作為保護器件，來避免浪涌干擾，共模濾波器的使用則是為了避免群脈沖干擾。如圖3 所示為LM22676 電源電路的設(shè)計，LMN22676 電源芯片通過R10/R9 進行輸出電壓的計算。計算公式如下：R10=[Vout/1.285-1]×1.2（R9）當(dāng)確定需要輸出的電壓時即可以利用此公式來計算出R10 和R9 電阻的阻值。為了保護LM22676 芯片在后級電源中的穩(wěn)定性，放置一個TVS 管和壓敏電阻作為預(yù)留保護器件。3.3V 電壓的產(chǎn)生是使用LM1117芯片，在此不再描述。

圖2 電源前級電路

圖3 LM22676 電路設(shè)計

4 LPC1114 芯片最小系統(tǒng)與電頻輸入部分

圖4 所示為單片機LPC1114 芯片最小系統(tǒng)電路。LPC1114芯片是恩智浦公司的一款基于ARM Cortex-M0 的微控制器，可用于低成本和高集成度的工場的嵌入式應(yīng)用芯片。其工作頻率可以達(dá)到50MHz，外設(shè)擁有32KB 的FLASH、數(shù)據(jù)存儲器擁有8KB 空間、UART/IIC 接口一路、定時器擁有4 路、通用I/O口42 個。本設(shè)計中為了減少電路中的空間使用SWD 下載方式，加了一個LED 控制電路作為芯片運行指示燈。

圖4 LPC1114 最小系統(tǒng)電路設(shè)計

如圖5 所示為電平輸入電路設(shè)計，因為工業(yè)場所常規(guī)使用的是24VDC 直流電，所以其電平輸入常規(guī)也是24V 的電平，所以需要進行電路轉(zhuǎn)化，ULN2003 芯片前端則是使用電阻分壓之后使用鉗位電路來保證進入到ULN2003 芯片之前為5V電平。本次設(shè)計中前級的分壓電路上的24V 與0V 通過一個開關(guān)進行切換，這樣可以讓輸入有效電平在高電平與低電平中相互轉(zhuǎn)換，并且芯片中的程序還可以保持一套程序，這樣的設(shè)計方式減少了產(chǎn)品在出貨過程中車間燒錄的錯誤概率。ULN2003 芯片則是進行電平翻轉(zhuǎn)之后由單片機芯片LPC1114進行讀取。

圖5 電平輸入電路設(shè)計

5 音頻編解碼處理部分

音頻編解碼芯片使用的是WT2003S 芯片，如圖6 為音頻編解碼播放電路設(shè)計。WT2003S 芯片是國產(chǎn)的一款編解碼芯片，其支持MP3 音頻解碼功能的同時還支持SPI-FLASHTF 卡U 盤三種存儲方式，可以實現(xiàn)播放文件指定和按照序號排列播放的要求。利用此芯片可以減少編解碼軟件的編寫，以及相關(guān)音頻電路的設(shè)計。與芯片之間通過串口連接并使用其定制的串口控制協(xié)議來實現(xiàn)控制播放，降低產(chǎn)品的電路設(shè)計難度。WT2003S 芯片還支持案件控制、USB 接口更換存儲器內(nèi)的音頻文件、內(nèi)置1W功放并實現(xiàn)音量調(diào)節(jié)。本次設(shè)計中沒有使用其內(nèi)部的功放，而是使用TDA1308 功率放大器作為驅(qū)動喇叭的功率放大器。放大器的反饋電阻用來調(diào)節(jié)放大的比例，確保音頻能夠清晰的播放出來。

圖6 音頻播放電路

6 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計中利用LPC1114 芯片、WT2003S 作為核心器件實現(xiàn)音頻播放的功能。設(shè)備在工業(yè)場所中使用時，外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及喇叭播放的音腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計還需完善，并且EMI等輻射問題也是后期需要做出改變的防護設(shè)計。只有這些工作都完成之后才能真正運用在工業(yè)場所中的運轉(zhuǎn)智能小車上作為提醒狀態(tài)的產(chǎn)品。為工業(yè)升級做出一些貢獻。