朱 巍，周 龍

(武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430023)

大多數(shù)傳統(tǒng)音箱體積較大，不能隨身攜帶，又需要電源支持，要用光盤作為載體播放歌曲，但是容量卻不大，大部分產(chǎn)品能夠播放的格式也僅限于MP3，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，客戶對音響提出了功能多樣化、操作人性化的更高要求［1］。功能單一的音箱已經(jīng)無法滿足人們的日常需求。新型多功能藍(lán)牙音箱的出現(xiàn)，徹底打破了人們對音箱的認(rèn)識。

1 硬件設(shè)計

1.1 主控芯片選擇

設(shè)計采用AU6210作為主控芯片，是多應(yīng)用、高性能音頻SOC芯片，片上系統(tǒng)基于高性能增強(qiáng)型51 MCU運(yùn)行。AU6210具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，支持USB2.0，有兩組MMC/SD插口可以讀取MP3格式及FAT16或者FAT32文件系統(tǒng)，通過I2C接口控制USB/SD控制器，將其中的MP3文件送至內(nèi)置MP3解碼器進(jìn)行解碼［2］，支持多設(shè)備掉電記憶，IO口復(fù)用，集成FM Receiver等等強(qiáng)大功能。其功能示意圖如圖1所示。

將AU6210與另一種主控芯片AU7860對比，內(nèi)部集成有FM模塊是AU6210的一大優(yōu)勢;時鐘晶體采用單32.768 kHz晶體，相對于AU7860的12 MHz而言有著EMI輻射低的優(yōu)勢;與此同時，AU6210支持軟、硬關(guān)機(jī)，15μA超低功耗RTC，換電池不掉記憶，低功耗充電指示，耳機(jī)輸出免電容，Line-In高壓通道以及8路觸摸按鍵等功能，而這些都是AU7860所無法做到的。

圖1 AU6210功能模塊示意圖

需要使用者注意的是AU6210的OTP存儲容量只有32 kB，比AU7860的64 kB小一倍，需要程序員在編寫程序時更加注重結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1.2 主控芯片外圍連接模塊設(shè)計

AU6210主控模塊非常的人性化，可以根據(jù)客戶的不同要求，設(shè)計出多種多樣的音箱，大部分功能是可以根據(jù)需求自由組合任意增刪的。當(dāng)確定了需要的模塊功能后，就可以進(jìn)行硬件電路設(shè)計了。系統(tǒng)所有功能組合模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能組合模塊示意圖

1.2.1 電源模塊

本設(shè)計在電源方面的核心是如何最大限度的在不影響使用品質(zhì)的前提下，降低功耗、提高電池的續(xù)航時間。

AU6210芯片內(nèi)置LDO模塊，只需要提供一組LDO輸入電源(3.35—5.5 V)。在 LDO輸入端輸入電壓為5 V時，LDO最大輸出電流為150 mA，功耗相對很低。與此同時，AU6210內(nèi)置低功耗RTC硬件模塊，為系統(tǒng)提供實(shí)時時鐘、鬧鐘以及休眠模式和Power Down模式下的喚醒功能，在不使用時，MCU將停止工作，進(jìn)入Power Down模式，低功耗運(yùn)行時鐘鬧鐘，隨時響應(yīng)喚醒信號。進(jìn)入藍(lán)牙模式時MCU會啟動藍(lán)牙模塊，退出藍(lán)牙模式時藍(lán)牙模塊將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

1.2.2 按鍵模塊

本設(shè)計按鍵是通過電壓檢測端口來實(shí)行按鍵的區(qū)分，其原理如圖3所示。

圖3 按鍵模塊原理圖

每個按鍵對應(yīng)串聯(lián)的電阻值各不相同，當(dāng)按下按鍵時，就會將檢測到的電壓值傳送給MCU，MCU就會通過該值判斷按下的是哪個按鍵，從而執(zhí)行與之相對應(yīng)的操作。

AU6210在按鍵模塊的優(yōu)勢在于可以同時擁有兩組AD按鍵，用兩個GPIO端口進(jìn)行控制，每組十一個按鍵，一共二十二個按鍵可以滿足各種復(fù)雜的功能需求。而AU7860只有一組AD按鍵。

1.2.3 插卡模塊

此模塊便是便攜式多媒體音箱最早出現(xiàn)時的核心功能，在插入SD/MMC卡、U盤等存儲有音樂文件的存儲設(shè)備后，音箱便可以自動開始播放能夠識別的音樂文件。其優(yōu)點(diǎn)就是不受自身存儲容量限制。

當(dāng)然，現(xiàn)在的音箱插卡模塊不僅僅只有讀取的功能，當(dāng)外接USB數(shù)據(jù)線之后，音箱可以扮演讀卡器的角色，可以直接更新SD卡、U盤等插在音箱上存儲設(shè)備的數(shù)據(jù);音箱也可以像手機(jī)一樣，插上USB之后直接開始為電池充電。其自帶的聲卡也讓音質(zhì)更優(yōu)秀。

1.2.4 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計藍(lán)牙模塊要將藍(lán)牙芯片state引腳、電源引腳、多功能引腳以及按鍵控制引腳對應(yīng)接入主控AU6210，以實(shí)現(xiàn)對其控制。其原理圖如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙連接主控示意圖

藍(lán)牙模塊的引入使得本文設(shè)計的音箱在實(shí)用性與多樣性方面更上一層樓。其一是更加優(yōu)化了客戶體驗音箱的快感:當(dāng)音箱切換到藍(lán)牙模式時，會自動回連上次連接的手機(jī)，當(dāng)連接成功后，便可播放手機(jī)中的音樂并實(shí)現(xiàn)了小范圍的遙控式雙向操作。不僅可以直接在手機(jī)中控制媒體音樂的播放，同時也可以用音箱的按鍵來控制。其二是本文設(shè)計的音箱完全可以替代藍(lán)牙耳機(jī):該音箱實(shí)現(xiàn)了回?fù)茈娫?、接聽電話、拒接電話的?qiáng)大功能，自帶MIC可以即時通話。

1.2.5 收音機(jī)模塊

本設(shè)計采用的是E8035收音機(jī)模塊，這一類型的收音機(jī)模塊在單一芯片上高度集成了所有關(guān)鍵射頻組件，只需少量的配套原件便可完成功能，節(jié)約了PCB板空間，并且自身價格低廉，極大的降低了生產(chǎn)成本［3］。

1.2.6 LED 顯示模塊

AU6210的IO內(nèi)部帶有下拉電流源，可以免電阻直接驅(qū)動LED發(fā)光二極管，或者LED數(shù)碼管。兩個下拉電流源分別為1.7 mA和2.4mA。一共可以有 0 mA、1.7 mA、2.4 mA 和 4.1 mA 四種電流源強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)。

AU6210最多可以驅(qū)動 6COM、8SEG的 LED屏，這代表著AU6210可以驅(qū)動四到六位的數(shù)字顯示和十多個圖標(biāo)顯示，功能強(qiáng)大。但是需要注意的是在外接模塊較多時要注意IO口的配置，必要時可以連接擴(kuò)展芯片，以免IO口不足，無法完成設(shè)計需求。

2 軟件編寫

一個完整的多功能藍(lán)牙音箱設(shè)計只有硬件設(shè)計還不能工作，必須由燒入AU6210的程序控制系統(tǒng)的運(yùn)作。本設(shè)計系統(tǒng)軟件是采用C語言為主、匯編語言為輔，使用KeilμVision 4軟件進(jìn)行編譯，主函數(shù)是一個while循環(huán)函數(shù)，其流程如圖5所示。

圖5 主函數(shù)循環(huán)圖

2.1 初始化編寫

系統(tǒng)初始化過程在編寫程序過程中非常重要，不能忽略，主要包括系統(tǒng)時鐘、GPIO口、計時器、中斷、按鍵等外接模塊的初始化。如果忘記初始化或者初始化不徹底，那么在音箱運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)各種難以查找的錯誤。

系統(tǒng)初始化在開機(jī)讀取斷電記憶之后，主循環(huán)開始之前進(jìn)行，只執(zhí)行一次。以一個IO口的初始化設(shè)置為例，程序如下。

SetGpioRegBit(GPIO_A_IN，1＜ ＜0);

ClrGpioRegBit(GPIO_A_OUT，1＜ ＜0);

ClrGpioRegBit(GPIO_A_PU，1＜ ＜0);

ClrGpioRegBit(GPIO_A_PD，1＜ ＜0);

ClrGpioRegBit(GPIO_A_DS，1＜ ＜0);

2.2 GPIO口上/下拉配置編寫

AU6210一共有5組IO口，除了普通的作用外，大部分IO口具有復(fù)用功能，但是在一個時間只能有一個功能，而不能重疊。需要注意的是，所有的GPIO口都是雙向傳輸?shù)?，上電默認(rèn)都是輸入狀態(tài)，內(nèi)部的上、下拉電阻通過軟件來控制，通過DS寄存器來配置強(qiáng)弱兩檔電阻值。部分GPIO內(nèi)部集成了1.7 mA和2.4 mA兩個下拉電流源驅(qū)動LED管或者LED屏，并且該驅(qū)動為免電阻直驅(qū)。

AU6210芯片中，GPIO_X_PU和GPIO_X_PD表示GPIO的上拉和下拉配置寄存器，GPIO上的電平≤1.40 V判斷為邏輯0，≥1.60 V判斷為邏輯1，設(shè)邏輯閥值約為1.5 V，針對于該值，弱上下拉折算阻值(約)為85 kΩ，強(qiáng)上拉/下拉折算阻值(約)為24 kΩ，強(qiáng)、弱兩檔通過GPIO_X_DS寄存器配置，相應(yīng)位為1時為強(qiáng)檔，X可以是任意一個GPIO口。將GPIO_B的第三口配置為帶強(qiáng)上拉的輸入端口示例如下:

SetGpioRegBit(GPIO_B_IE，1＜ ＜3);

ClrGpioRegBit(GPIO_B_OE，1＜ ＜3);

ClrGpioRegBit(GPIO_B_PU，1＜ ＜3);

ClrGpioRegBit(GPIO_B_PD，1＜ ＜3);

SetGpioRegBit(GPIO_B_DS，1＜ ＜3);

2.3 主循環(huán)編寫

主循環(huán)是一個while函數(shù)，用while(1){}使系統(tǒng)一直運(yùn)行直到得到跳出命令。在編寫程序時需要注意在任何一個死循環(huán)或者較長的循環(huán)中，一定要喂狗，以免系統(tǒng)自動重啟。部分主循環(huán)程序如下。

2.4 PWM呼吸燈應(yīng)用編寫

AU6210最多可以支持3路PWM通道同時輸出，可應(yīng)用于觸摸屏?xí)r鐘，蜂鳴器，LED呼吸效果等。其中GPIO_A［0］與GPIO_D［5］、GPIO_A［1］與GPIO_D［6］、GPIO_A［2］與 GPIO_D［7］不能同時使用。

呼吸燈主要是通過占空比調(diào)節(jié)燈光亮暗，打開PWM通道的函數(shù)為VOID PwmEnableChannel(PWM_OUT PUT_SEL PwmOutSel)，對應(yīng)的將Enable換成Disable則是禁止某個通道。配置PWM通道用到VOID PwmConfigChannel(PWM_OUTPUT_SEL Pwm OutSel，BYTE ClkSel，WORD Div，WORD Duty)，其中ClkSel為時鐘源選擇，一般為0∶12×106Hz或者1∶46 875 Hz，Div為分頻比，Duty為占空比。

所有代碼都是從底層調(diào)用，配置完后需立即調(diào)用PwmEnableChannel()函數(shù)方能生效。

2.5 LED屏掃描程序編寫

LED屏掃描程序是測試階段用在主函數(shù)執(zhí)行之前的一段代碼，完成功能后注釋。掃描程序功能是讓數(shù)碼管按COM和SEG的順序逐一點(diǎn)亮，相對于硬件逐一導(dǎo)通的測試方式，能節(jié)約大量時間，并且提高準(zhǔn)確度。6COM、8SEG的掃描程序如下:

2.6 藍(lán)牙模塊編寫

主控通過配置IO口的高、低電平控制藍(lán)牙的工作狀態(tài)，利用中斷檢測藍(lán)牙的工作狀態(tài)。MCU通過MFB腳專門控制藍(lán)牙模塊開關(guān)，進(jìn)入藍(lán)牙模式時，MCU給MFB一個持續(xù)3 s的高電平再拉低，藍(lán)牙就進(jìn)入啟動狀態(tài)，再給一個持續(xù)3 s的高電平拉低則關(guān)閉藍(lán)牙。控制按鍵則是給一個200 ms的低電平再拉高則表示有按鍵按下。

STATE1和STATE2輸出信號是由高、低電平組成，有通話、配對中、配對成功、待機(jī)、播歌、播歌暫停幾種狀態(tài)，不同的狀態(tài)信號不同，MCU將定期檢測來做出相應(yīng)操作。下面是一段藍(lán)牙模塊的初始化程序，配置各個IO口初始電平，切換音頻通道并開機(jī):

VER_FUNC_BIT_LOW();

WaitMs(3000);

VER_FUNC_BIT_HIGH();

VOL_PREV_BIT_HIGH();

VOL_NEXT_BIT_HIGH();

PLAY_PAUSE_BIT_HIGH();

SET_A6A7_FMIN();

InDacChannelSel(DAC_CH_FMIN_A6A7);

3 結(jié)束語

筆者所設(shè)計的音箱，不僅擁有收音機(jī)、MP3播放、AUX-IN、USB聲卡播放等功能，全面實(shí)現(xiàn)了多功能音箱的多媒體讀取、播放，自身還集成了藍(lán)牙耳機(jī)的功能;音箱擁有LED屏幕實(shí)時顯示音箱工作狀態(tài)，使用簡單，操作便捷，按鍵清晰、簡潔，適合各類人群;PWM呼吸燈效果更是酷炫時尚，令人賞心悅目。本設(shè)計經(jīng)過試用并且實(shí)際運(yùn)用后證明完全可行，并且運(yùn)行穩(wěn)定，在此設(shè)計基礎(chǔ)上微調(diào)的成品也有許多已經(jīng)批量生產(chǎn)。

但是此設(shè)計受限于AU6210的OTP存儲空間，需要盡可能的優(yōu)化代碼，減小代碼空間，也因此不能同時連接所有模塊來運(yùn)行，這是此設(shè)計的不足之處。觸摸控制是多功能藍(lán)牙音箱將來發(fā)展的必經(jīng)途徑，藍(lán)牙音箱的發(fā)展有著良好的前景。

［1］石鑫焱，劉權(quán)，曹成茂.數(shù)字車載音箱系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30(19):19-21.

［2］陳永降，朱維杰.基于BU9435KV的車載音箱系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)，2008(11):18-20.

［3］肖寧，呂盼稂，王余濤，等.基于TEF6606車載收音機(jī)模塊設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2010(8):32-35.