吳 塵，陳偉元，楊愛恩，張大強(qiáng)

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州215104)

數(shù)字化技術(shù)是電子產(chǎn)品發(fā)展的趨勢。目前音頻產(chǎn)品基本采用模擬技術(shù)。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展，收音機(jī)逐漸數(shù)字化、集成化、成本越來越低、體積越來越小，并在音頻廣播的基礎(chǔ)上還集成其它的功能，如圖文廣播等，使得在各種設(shè)備中嵌入收音機(jī)的現(xiàn)象更加普遍。設(shè)計(jì)將數(shù)字式FM音頻設(shè)備嵌入在家用電器上，通過紅外遙控方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)臺(tái)以及數(shù)字音量調(diào)節(jié)。該電路系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制核心，以數(shù)字單片式FM模塊SI4702為接收單元，以PT2315進(jìn)行D/A變換，并以TEA2025實(shí)現(xiàn)數(shù)字功放。整個(gè)電路系統(tǒng)具有成本低、體積小、數(shù)字化控制等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的市場前景［1－2］。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)由主控制模塊、FM音頻模塊、電源模塊、紅外線接收模塊和數(shù)字功放模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字式紅外遙控FM收音機(jī)系統(tǒng)組成框圖

設(shè)計(jì)的主控制模塊(MCU)用于對(duì)紅外發(fā)射器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行解碼、頻率調(diào)節(jié)以及音量控制。FM接收模塊可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻收音機(jī)的所有功能。由于功放和控制模塊電壓需求不同，電源模塊采用雙電源供電，分別產(chǎn)生7.5 V和3.3 V的電源電壓。數(shù)字功率放大模塊采用音頻功放芯片，設(shè)計(jì)采用立體聲輸出，故為雙通道放大。紅外線接收模塊由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片進(jìn)行控制操作，紅外線遙控是目前使用廣泛的一種通信和遙控手段。由于紅外線遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，因而，繼彩電、錄像機(jī)之后，在音響設(shè)備、空調(diào)機(jī)以及玩具等，其他小型電器裝置上也多采用紅外線遙控。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅安全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

為使設(shè)計(jì)更加直觀，采用分層設(shè)計(jì)方法，整體框架如圖2所示。

圖2 FM收音機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)整體框圖

設(shè)計(jì)采用ATmega公司生產(chǎn)的8位微控制器avr48v10au組成控制中心［3］，與數(shù)字收音機(jī)模塊Si4702構(gòu)成一個(gè)FM數(shù)字收音機(jī)系統(tǒng)［4］?？刂颇K是設(shè)計(jì)的核心，通過MCU向Si4702和PT2315芯片寫入相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)收音機(jī)的接收頻率調(diào)整、工作模式、音量等各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置功能。圖2中TQFFP32.SCHDOC即為AVR單片機(jī)部分，是系統(tǒng)的核心，它與SI470X.SCHDOC的SDATA，SCLK，BUSEN，SI_RST*，SI_RDY連接。其中，SDATA，SCLK為I2C通信的信號(hào)線，還與PT2315即音頻控制模塊連接。ic.SCHDOC為電源模塊，分別為主控制模塊、FM模塊提供DVDD，為音頻控制模塊和功放模塊提供AVDD。同時(shí)，主控制模塊使用AV_PWDN與電源模塊相連，控制輸出AVDD的大小。如圖2所示，整個(gè)左右聲道信號(hào)在電路中的傳播過程，由FM模塊輸出模擬左右聲道信號(hào)，送入音效控制模塊，經(jīng)音效調(diào)節(jié)后的左右聲道送入功放模塊，功放模塊進(jìn)行功率放大后直接將信號(hào)輸出給揚(yáng)聲器，產(chǎn)生雙聲道立體聲。

AVR單片機(jī)采用內(nèi)部RC震蕩，可以減少外圍電路，且功耗極低。該單片機(jī)具有ISP接口，可方便地進(jìn)行在線調(diào)試和仿真。由于紅外遙控系統(tǒng)的有效距離不長，因此在硬件電路設(shè)計(jì)中，主體電路可能放在某個(gè)角落，為使紅外接收管不被遮擋，紅外接收管部分可與主體電路相分離，這樣也可以減少功放部分對(duì)紅外接收管的干擾。

FM模塊采用Silicon Labs公司的Si4702芯片，是業(yè)界首次運(yùn)用數(shù)字集成和100% CMOS處理技術(shù)，集成了從高頻放大到FM解調(diào)的全部功能，只需要外部一顆電源旁路電容就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻收音機(jī)的所有功能，所需的電路板面積只有20 mm2［4］。

供電電壓要求單片機(jī):1.8～5.5 V;Si4702 2.7～5.5 V;PT2315 6～10 V;功率放大模塊是3～15 V，所以采用雙電源，由220 V交流電經(jīng)過變壓器，整流橋轉(zhuǎn)換成9 V直流，然后經(jīng)過兩塊LM317穩(wěn)壓。單片機(jī)和Si4702，采用LM317穩(wěn)壓芯片提供的3.3 V電壓，功率放大模塊采用7.5 V的穩(wěn)壓模塊供電［5］。

音效處理使用PT2315芯片，它是一種優(yōu)質(zhì)的音質(zhì)處理集成電路，能在I2C總線的控制下進(jìn)行音頻信號(hào)的處理，如高低音調(diào)節(jié)、左右聲道分離等，且在實(shí)際應(yīng)用中基本上無插入損耗，被音響生產(chǎn)廠家廣泛采用。設(shè)計(jì)中，要求能對(duì)音效進(jìn)行調(diào)節(jié)，其電路左右聲道完全對(duì)稱，因此采用雙聲道立體聲輸出。無論是Si4702還是PT2315，雖然它們輸出都是完整的音頻信號(hào)，但都無法達(dá)到2×2 W的功率要求。因此，需要在音效處理后進(jìn)行功率放大［6］。在功放模塊中，為減少不必要的干擾，設(shè)計(jì)沒有采用分立元器件而直接采用專用的音頻功放芯片TEA2025。由于是立體聲，兩個(gè)聲道需要同時(shí)放大，如果使用獨(dú)立元器件，雖然能進(jìn)行功放，但不能保證兩個(gè)通道的功放一致，其兩個(gè)聲道之間可能會(huì)出現(xiàn)左右聲相互交擾。TEA2025是ST生產(chǎn)的雙聲道功率放大集成電路，該電路具有聲道分離度高、電源接通時(shí)沖擊噪聲小、外接元件少，最大電壓增益可由外接電阻調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于便攜式立體聲音響系統(tǒng)中作為功率放大［7］。設(shè)計(jì)在制作時(shí)采用雙面板布線，并大面積覆銅以減少信號(hào)的干擾，實(shí)物樣機(jī)如圖3所示。

圖3 實(shí)物樣機(jī)

紅外發(fā)射器采用直接購買的普通電視萬能遙控器，接收端采用三線制的紅外接收管，分別為數(shù)據(jù)端、接地端、電源端，這樣就只要一個(gè)中斷口就能進(jìn)行數(shù)據(jù)的紅外輸入。在電路中采用雙色發(fā)光二極管顯示目前的工作狀態(tài)，當(dāng)為綠色時(shí)，即為正常工作，表示搜到電臺(tái);綠色和紅色交替閃爍時(shí)，表示正在搜臺(tái)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分:AVR單片機(jī)控制部分，F(xiàn)M部分和audio部分。其中AVR部分為設(shè)計(jì)核心，主要為I2C－avr，IRRxd－avr，timer0－avr，main。FM部分主要為Si4702－avrdrv，通過I2C方式與AVR進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)Si4702的寄存器讀寫操作。Audio部分和FM部分類似，也是MCU通過I2C方式對(duì)音效處理寄存器讀寫操作以達(dá)到音效控制的目的。

在軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，這樣使每個(gè)模塊之間只需要注意函數(shù)接口，便于檢查和更新。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3 功能調(diào)試及結(jié)論

接通電源，發(fā)光二極管的綠燈和紅燈交替閃爍，電路在自動(dòng)搜臺(tái)中。收到電臺(tái)時(shí)，發(fā)光二極管為綠燈，不再閃爍，兩個(gè)揚(yáng)聲器能同時(shí)聽到清晰立體音。按下遙控器上的“音量+”鍵，可明顯感覺到聲音變大;按下“音量－”鍵，能感覺到聲音變小。當(dāng)然，聲音也是有最大和最小的，如果達(dá)到其極限，繼續(xù)按音量鍵則無效。按下“power”時(shí)，揚(yáng)聲器不再發(fā)出聲音，同時(shí)發(fā)光二極管熄滅，此時(shí)為關(guān)電狀態(tài)，再次按下“power”，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，發(fā)光二極管發(fā)出綠光，此時(shí)為開機(jī)。按下“CH+”時(shí)，發(fā)光二極管再次閃爍，同時(shí)揚(yáng)聲器聽到不同的噪聲，正在搜臺(tái)，幾秒后，揚(yáng)聲器再次發(fā)出清晰的聲音，但與之前聲音已不同，同時(shí)，發(fā)光二極管也已恢復(fù)為綠色，表明換臺(tái)成功。當(dāng)達(dá)到搜臺(tái)的最大范圍時(shí)，仍會(huì)播放當(dāng)前頻道。

設(shè)計(jì)的紅外遙控?cái)?shù)字式FM收音機(jī)，搜索頻率范圍87.5～108 MHz，能夠接收到10～12個(gè)電臺(tái)，其中有4～5個(gè)電臺(tái)的音質(zhì)效果較差，但總體達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，說明設(shè)計(jì)方案合理、正確。該電路系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn):用高集成度的芯片來裝配電子設(shè)備，其裝配密度比傳統(tǒng)的晶體管電路高，設(shè)備的穩(wěn)定工作時(shí)間也可大幅提高，同時(shí)電路成本低，只需很少的外圍器件，便可大規(guī)模生產(chǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 郭鑫.基于DSP技術(shù)的音頻優(yōu)化電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都:成都理工大學(xué)，2010.

［2］ 趙德浩.基于DSP技術(shù)的數(shù)字音頻信號(hào)處理［D］.南京:南京理工大學(xué)，2005.

［3］Atmel Corporation.ATmega48/88/168 datasheet［M］.USA:Atmel Corporation，2011.

［4］Silicon Labs.Si4702/03－C19 datasheet［M］.USA:Silicon Laboratories Inc.，2008.

［5］National Semiconductor.LM117/LM317A/LM317 3－Terminal adjustable regulator datasheet［M］.USA:National Semiconductor Corporation，2005.

［6］Princeton Technology.PT2315 datasheet［M］.Taipei:Princeton Technology Corporation，1998.

［7］SGS－THOMSON Microelectronics.TEA2025B/2025D datasheet［M］.USA:SGS－THOMSON Microelectronics，1994.