天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院 王 江 王詩涵 姜道連

基于Android系統(tǒng)的新型KTV多功能音響

天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院 王 江 王詩涵 姜道連

本文介紹了基于Android系統(tǒng)的新型KTV多功能音響。本設(shè)計(jì)由Cortex-M3內(nèi)核的處理器、電源、音頻解碼器、SD卡、收音機(jī)、藍(lán)牙模塊、分頻器、閃光燈、Android 手機(jī)APP等模塊組成。這款新型的音響整合了傳音、點(diǎn)歌、無線控制與燈光系統(tǒng)，搭載了雙對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)，一對(duì)藍(lán)牙負(fù)責(zé)音頻傳輸，另一對(duì)藍(lán)牙負(fù)責(zé)音響功能控制，極大地提高了系統(tǒng)的效率性與穩(wěn)定性。這款音響同時(shí)還搭載了智能手機(jī)APP操作軟件,可以通過安裝第三方軟件擴(kuò)展其功能。這是新型藍(lán)牙音響與傳統(tǒng)藍(lán)牙音響的根本區(qū)別,也是本款音響最大的特點(diǎn)。

Cortex-M3；藍(lán)牙；手機(jī)APP；閃光燈；收音機(jī)

0 引言

隨著智能產(chǎn)品的研發(fā)，谷歌Android系統(tǒng)和蘋果iOS系統(tǒng)在智能產(chǎn)品上的競爭已經(jīng)進(jìn)入白熱化階段,現(xiàn)在越來越多的產(chǎn)品已經(jīng)加入到了智能化的陣營中。由智能操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理設(shè)備的軟硬件,能夠有效整合可利用資源。通過更為人性化、簡潔易懂的APP操作界面來與用戶溝通，使得用戶能夠以更加簡單有效的方式來操作智能藍(lán)牙音響。而目前，家庭式KTV也越來越得到消費(fèi)者的喜愛。因此，智能藍(lán)牙音響的研發(fā)和設(shè)計(jì)迫在眉睫。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

音響通電后，每一個(gè)外圍設(shè)備開始工作，通過手機(jī)自帶藍(lán)牙功能（以下簡稱音發(fā)藍(lán)牙），與音收藍(lán)牙配對(duì)成功后，即可發(fā)送音頻數(shù)據(jù)給音頻主控芯片，音頻解碼器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理之后，根據(jù)功能控制芯片Cortex-M3內(nèi)核的處理器發(fā)出的命令進(jìn)行執(zhí)行。處理器將根據(jù)音收藍(lán)牙接收到的音頻數(shù)據(jù)，分析之后控制閃光燈隨著音樂的節(jié)奏閃爍。藍(lán)牙APP發(fā)送功能控制指令，Cortex-M3處理器接收到指令之后，控制各個(gè)模塊啟動(dòng)與關(guān)閉。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 音頻處理芯片選擇

VS1053是VLSI公司的一款高性能解碼芯片。利用該芯片，我們可以實(shí)現(xiàn)MP3/OGG/WMA/WAV/FLAC/AAC/MIDI等各種音頻文件的播放，同時(shí)也支持ADPCM/OGG等格式的編碼。這種芯片擁有16K的指令RAM，8個(gè)可用的通用IO口和一個(gè)串口，內(nèi)部PLL鎖相環(huán)時(shí)鐘倍頻器，帶有EarSpeaker空間效果，內(nèi)含高性能片上立體聲DAC，特殊應(yīng)用的SPI Flash引導(dǎo)，它還內(nèi)嵌了一個(gè)高性能的DSP處理器核VS_DSP，VS1053通過SPI接口來接受輸入的音頻數(shù)據(jù)流，它既可以作為從機(jī)，也可以作為主機(jī)。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)框架圖

電源設(shè)計(jì)的核心是保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)以提高產(chǎn)品性能，節(jié)約資源，降低功耗為目的。為了提高功放的功率，降低損耗，采用12V的電壓給系統(tǒng)供電。該電源首先使用變壓器進(jìn)行降壓，再采用LM7812進(jìn)行穩(wěn)壓，輸出電壓達(dá)到12V，電流為1.5A，電壓容差為5%。由于本系統(tǒng)中使用了低壓單片機(jī)，因此采用AS1117電源穩(wěn)壓芯片，輸出3.3V的電壓，為系統(tǒng)提供合適的電源。

2.3 SD卡

SD卡為安全數(shù)碼卡，它是在MMC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，SD卡的操作模式有兩種：Ⅰ、SPI模式；Ⅱ、SDIO通信模式。

當(dāng)采用SPI模式時(shí)，首先需要先設(shè)置SD卡進(jìn)入SPI模式，下面是具體的方法： 在安全數(shù)碼卡獲得CMD0命令時(shí)，CS引腳變?yōu)榈碗娖?，開啟SPI 模式；由于SD卡內(nèi)部供電電壓需要上升，會(huì)占用64個(gè)時(shí)鐘周期，因此在發(fā)送CMD0命令之前，至少需要發(fā)送74個(gè)CLK，其中SD卡同步需要占用10個(gè)時(shí)鐘周期，這樣才可以對(duì)CMD0進(jìn)行操作，值得注意的是，400KHz是CLK時(shí)鐘周期的最大值。

2.4 手機(jī)APP

本音響的最大創(chuàng)新是根據(jù)設(shè)計(jì)的音響系統(tǒng)，在Android系統(tǒng)手機(jī)上定制了人性化的控制界面，部分按鈕是雙擊按鈕，輔助完成了音響的豐富功能。其界面如圖2所示。

2.5 藍(lán)牙部分

圖2 藍(lán)牙APP控制界面圖

HC05模塊，是一款高性能的藍(lán)牙模塊，可以同手機(jī)、電腦等各種自帶藍(lán)牙功能的智能終端配對(duì)，支持的波特率范圍廣：4800-1382400。它的所有功能都是通過AT指令集控制，這我們僅介紹用戶常用的幾個(gè)AT指令，其指令結(jié)構(gòu)為：AT+＜CMD＞＜=PARAM＞，其中CMD和PARAM都是可選的。A、修改通信波特率指令A(yù)T+UART=＜Param1＞,＜Param2＞,＜Param3＞；B、修改模塊主從指令A(yù)T+ROLE=0 或 1；C、修改配對(duì)密碼指令A(yù)T+PSWD=＜password＞；D、修改藍(lán)牙的名字AT+NAME=＜name＞。為了區(qū)別音傳藍(lán)牙與音響功能控制藍(lán)牙，我們?cè)诰幊虝r(shí)，設(shè)置兩對(duì)藍(lán)牙的名字和配對(duì)密碼各不相同。

打開APP，與控制藍(lán)牙配對(duì)成功后，即可發(fā)送控制命令控制音響的狀態(tài)，當(dāng)LED段碼顯示屏顯示音響為Blue狀態(tài)時(shí)，音響將自動(dòng)連接到過去連接過的手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備，連接成功后，可以直接在APP中控制音樂的播放、選曲、打開收音機(jī)等功能，同時(shí)還可以控制閃光燈顏色變化，閃爍的速度，不同風(fēng)格的燈光等。另外，我們?cè)O(shè)計(jì)的另一對(duì)藍(lán)牙，專門負(fù)責(zé)音頻信號(hào)的傳輸。

2.6 分頻器

本款揚(yáng)聲器對(duì)分頻器的要求不高，簡單的分頻器不但能減少音染，也能減少功率損耗。對(duì)于樣機(jī)來說，只需要兩階簡單的分頻電路就可以。為了使高音通道達(dá)到阻抗匹配，需增加補(bǔ)償元件。分頻點(diǎn)為560Hz、3.6kHz。高、中、低音揚(yáng)聲器有不同的連接方式。對(duì)于音響的接線端子，原本沒有正負(fù)極之分的，我們可以用不同的顏色來區(qū)分。

2.7 燈光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這個(gè)部分要介紹Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)與燈光系統(tǒng)的結(jié)合，本系統(tǒng)主要包含了步進(jìn)電機(jī)、反射鏡、聲控單元、激光燈等。由于這種單片機(jī)具有高速、低功耗等特點(diǎn)，利用這種MCU和音頻信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，反射鏡將燈光發(fā)射后，使燈光的散射面積達(dá)到最大，燈光隨著音樂的節(jié)奏變化，產(chǎn)生不同形式的光。

2．7．1 電機(jī)控制電路

電機(jī)系統(tǒng)由兩個(gè)電機(jī)組成，X向電機(jī)和Y向電機(jī), 通過手機(jī)APP發(fā)送命令控制激光器發(fā)光之后，單片機(jī)再控制X、Y向電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，在空間各個(gè)方向投射出不同的燈光。電機(jī)控制電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)控制電路

2．7．2 聲控激光器電路

電路主要由拾音器，晶體管和激光器等組成，當(dāng)外界的音頻信號(hào)不發(fā)生變化時(shí)，VT1晶體管為臨界飽和狀態(tài)，此時(shí)兩晶體管為截止?fàn)顟B(tài)，所以兩激光器處于熄滅狀態(tài)。當(dāng)外界環(huán)境中音頻信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，由于MIC為R1提供了偏置電流，C1正極的電流信號(hào)由音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化而來，經(jīng)過C1濾波后，VT1晶體管將基極的音頻電流信號(hào)進(jìn)行放大。VT1晶體管的集電極電壓升高，使得VT2晶體管也導(dǎo)通，因此兩激光器發(fā)光，電路參數(shù)配置完成后，激光器的發(fā)光強(qiáng)度由外界的音頻信號(hào)決定，信號(hào)強(qiáng)度越大，激光器就越亮，反之，激光器就越暗，甚至不發(fā)光。其原理圖如圖4所示。

按照此原理電路，在半球形折射鏡內(nèi)部設(shè)計(jì)7種顏色的36個(gè)激光器，經(jīng)過折射發(fā)出來的光能夠鋪滿一周360度，使得照射面積達(dá)到最大。燈光效果圖5所示。

圖4 聲控閃光燈原理圖

圖5 燈光效果圖

3 箱體外觀

最后按照上述原理設(shè)計(jì)了樣機(jī)，音箱規(guī)格為21cm*21cm*41cm，采用高密度纖維板釘成，結(jié)實(shí)牢固。相比于主機(jī)箱，外部箱體制作相對(duì)簡單，對(duì)尺寸要求不是很嚴(yán)格。外部可以上漆，也可以貼紙。樣機(jī)采用的材料是純銀色鐳射貼紙，在閃光燈的照射下，更加炫麗奪目。箱體頂部為半球形折射鏡，給人以和諧與美的視覺體驗(yàn)。音響樣機(jī)實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 音響樣機(jī)實(shí)物圖

4 結(jié)語

在互聯(lián)網(wǎng)科技飛速發(fā)展的今天，消費(fèi)者越來越注重品質(zhì)生活，這款智能藍(lán)牙音響能夠滿足用戶足不出戶、只需動(dòng)動(dòng)手指便能擁有家庭式KTV的需求。此音響操作便捷，功能齊全，打破了傳統(tǒng)KTV點(diǎn)歌的空間要求和工具要求，外形簡約的同時(shí)不乏絢麗，符合大眾需求。這樣的音響擺在家里，是個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。同時(shí)，本款音響適應(yīng)了現(xiàn)在智能設(shè)備的發(fā)展，為今后的音響研發(fā)奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1]丁珍紅．基于STM32的高速大容量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．上海交通大學(xué),2011．

[2]羅偉．基于Android平臺(tái)的即時(shí)通訊系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．湖南師范大學(xué),2009．

[3]英正慶．黃達(dá)詮．藍(lán)牙與控制系統(tǒng)通訊技術(shù)研究[J]．電工技術(shù),2003(04)．

姜道連，男，天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院教師，助理研究員，主要從事高頻電子、Android系統(tǒng)的研發(fā)。

王江（1994—），男，貴州畢節(jié)人，大學(xué)本科在讀，主要從事嵌入式系統(tǒng)、電子電路的研究。

王詩涵（1994—），女，遼寧葫蘆島人，大學(xué)本科在讀，主要從事單片機(jī)、藍(lán)牙技術(shù)的研究。