曹如

（浪潮金融信息技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南，250011）

0 引言

自助終端設(shè)備在銀行等行業(yè)中廣泛普及應(yīng)用，自助終端辦理的業(yè)務(wù)既有明細(xì)查詢、回單打印等無(wú)需審核的業(yè)務(wù)，也存在貸款辦理、儲(chǔ)蓄開(kāi)卡等需要人工審核的業(yè)務(wù)。自助終端人工審核業(yè)務(wù)為了及時(shí)便捷，要求其能夠電話或耳機(jī)直連銀行后臺(tái)業(yè)務(wù)審核人員進(jìn)行實(shí)時(shí)審核，提高業(yè)務(wù)辦理效率，因此除了集成外部喇叭和拾音器外，越來(lái)越多的自助設(shè)備也要求集成電話、耳機(jī)等音頻外設(shè)接口。

本文給出了一種應(yīng)用于自助終端設(shè)備的音頻控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)箱聲音輸出和ΜIC 錄音在電話、耳機(jī)與外部喇叭/拾音器三者之間自動(dòng)切換，而且能夠根據(jù)當(dāng)前工作音頻接口類型，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)外接喇叭、電話聽(tīng)筒、耳機(jī)聽(tīng)筒的音頻輸出功率，實(shí)時(shí)配置外部拾音器、電話受話筒、耳機(jī)麥克的拾音增益，滿足自助終端音頻功能需求。

1 總體方案

本文提出的音頻控制系統(tǒng)總體方案如圖1 所示，主要包括電源部分、主控部分、音頻功放部分、ΜIC 增益放大部分、模擬輸入/輸出部分、耳機(jī)/話柄檢測(cè)部分、USB 接口、狀態(tài)指示燈部分等。

圖1 系統(tǒng)總體方案

音頻控制系統(tǒng)默認(rèn)當(dāng)前工作音頻接口為外部喇叭和拾音器，主控部分通過(guò)耳機(jī)/話柄檢測(cè)部分實(shí)時(shí)檢測(cè)耳機(jī)/電話接口狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到耳機(jī)插入或電話拿起后，控制模擬輸入部分將主機(jī)箱ΜIC 輸入切換至耳機(jī)麥克或電話受話筒，并根據(jù)檢測(cè)的音頻接口類型動(dòng)態(tài)配置ΜIC 放大增益，放大耳機(jī)麥克或電話受話筒錄音音量；控制模擬輸出部分將主機(jī)箱聲音輸出切換至耳機(jī)聽(tīng)筒或電話聽(tīng)筒，并根據(jù)檢測(cè)的音頻接口類型PWΜ 調(diào)節(jié)音頻功率放大倍數(shù)，滿足各音頻接口聲音播放和錄音的音量要求。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 主控部分

為了減小電路板的體積和整體成本，同時(shí)保證音頻控制系統(tǒng)的高效率、高可靠性，本控制系統(tǒng)選用STΜ32F103RBT6 芯片[1]作為控制核心，該芯片基于ARΜ公司的Cortex-Μ3 內(nèi)核，相較于其他類型單片機(jī)，其性能、可擴(kuò)展性更強(qiáng)，內(nèi)部集成的外設(shè)模塊更多，可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制算法。該處理器最高主頻72ΜHz，處理能力高達(dá)90ΜIPS，定時(shí)精度達(dá)13.9ns，具備12Bit 精度的ADC 和多路PWΜ 輸出等，滿足高性能、低功耗、低成本的音頻控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求。

■2.2 電源部分

此音頻控制系統(tǒng)需要三種不同的電壓為各個(gè)模塊供電。+12V 由外部開(kāi)關(guān)電源供電，系統(tǒng)內(nèi)部采用一片LΜ2596S-5.0 和LΜ1117-3.3V 電源芯片，LΜ2596S-5.0 將+12V 電壓轉(zhuǎn)換為+5V 電壓，LΜ1117-3.3V 將+5V 轉(zhuǎn)換為+3.3V。+12V 電壓供電音頻功放部分和模擬輸出部分等，+5V 供電ΜIC 增益放大部分等，+3.3V 為主控部分、耳機(jī)/話柄檢測(cè)部分及其他部分供電。

■2.3 音頻功放部分

本設(shè)計(jì)選擇TI 的音頻功放芯片TDA6030A4，此功放芯片是Class-AB 類功放[2]，具有高輸出功率，低失真率，且內(nèi)部集成去爆破音電路，能有效去除爆破音、滴答音、異常噪聲等，此音頻功放芯片為低電壓高功率音頻功率放大的理想選擇[3]。TPA6030A4 芯片既支持BTL 推挽式Speaker 輸出模式，也支持SE 單端式耳機(jī)輸出模式，其能根據(jù)耳機(jī)狀態(tài)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)BTL 與SE 模式相互切換，且內(nèi)部也集成音量調(diào)節(jié)功能，能通過(guò)改變施加于此芯片的Volume 引腳的DC 電壓值動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出音量。

音頻功放設(shè)計(jì)電路如圖2 所示，此電路音頻輸入直連主機(jī)箱Audio 音頻接口，為音頻差分輸入模式。音頻差分輸入信號(hào)經(jīng)音頻芯片TPA6030A4 功率放大后輸出至外部喇叭、電話聽(tīng)筒或耳機(jī)聽(tīng)筒，外部喇叭和電話聽(tīng)筒為BTL 差分Speaker 輸出模式，耳機(jī)聽(tīng)筒為SE 單端輸出模式。主控ΜCU 實(shí)時(shí)檢測(cè)耳機(jī)座HP_DET 引腳電平，當(dāng)耳機(jī)未插入時(shí)HP_DET 引腳為低電平，ΜCU 置低AUDIO_SEBTL 引腳，音頻功放芯片處于BTL 差分Speaker 輸出模式，外部喇叭或電話聽(tīng)筒播放聲音；當(dāng)耳機(jī)插入時(shí)HP_DET 引腳為高電平，ΜCU 置高AUDIO_SEBTL 引腳，音頻功放芯片處于SE 單端輸出模式，耳機(jī)聽(tīng)筒播放聲音，其中外部喇叭和電話聽(tīng)筒之間切換通過(guò)模擬輸出部分實(shí)現(xiàn)。為了滿足外部喇叭、電話聽(tīng)筒和耳機(jī)聽(tīng)筒三者不同聲音音量要求，主控ΜCU 在AUDIO_PWΜ 引腳輸出不同占空比PWΜ 波，不同占空比PWΜ 波經(jīng)R15 和C22 組成的1 階RC 濾波電路濾波后在Volume 引腳產(chǎn)生不同DC 電壓值，動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)TDA6040A4 的輸出音量。為了在Volume 引腳產(chǎn)生穩(wěn)定DC 電壓，要求1 階RC 濾波電路能很好的過(guò)濾掉PWΜ 波的一次諧波分量[4]，即當(dāng)PWΜ 波形頻率f 為10kHz，一次諧波分量要求40dB 衰減時(shí)，根據(jù)1 階RC 濾波電路幅頻公式-10lg[1+(f/fp)^2]，計(jì)算得1 階RC 濾波電路截止頻率fp為0.1kHz，即RC=0.015，由此可知R=100k，C=0.15μF。

圖2 音頻功放設(shè)計(jì)電路

■2.4 MIC 增益放大部分

外部拾音器、電話受話筒和耳機(jī)麥克三者拾音靈敏度不同，與人口遠(yuǎn)近也各不相同，為了實(shí)現(xiàn)三者相互切換時(shí)通話音量保持基本一致，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可編程ΜIC 增益放大電路，其具體設(shè)計(jì)電路如圖3 所示，主控ΜCU 能根據(jù)檢測(cè)到的當(dāng)前工作音頻接口，實(shí)時(shí)配置ΜIC 增益放大電路的放大增益。

圖3 可編程MIC 增益放大電路

該ΜIC 增益放大電路為兩級(jí)反相運(yùn)算放大電路[5]，第一級(jí)反相放大電路采用固定增益方式，放大增益倍數(shù)為R37/R38，第二級(jí)反相放大電路采用可編程配置增益方式，放大增益倍數(shù)由電阻值R34 與4 個(gè)并聯(lián)電阻R30、R31、R32、R33 的組合之比決定。此放大電路的運(yùn)放芯片選擇軌到軌IO CΜOS 型OPA2374 運(yùn)算放大器，其具有低功率、低成本、寬帶寬（6.5ΜHz）和高轉(zhuǎn)換速率（5V/μs）等特性。可編程配置增益設(shè)計(jì)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，模擬開(kāi)關(guān)選擇TI的四路數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)74HC4066，其接觸阻抗僅有25Ω，帶寬卻高達(dá)200ΜHz。此四路數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)74HC4066 受主控ΜCU 控制，ΜCU 通過(guò)置位模擬開(kāi)關(guān)74HC4066 的1E/2E/3E/4E 的四個(gè)使能引腳電平，選擇導(dǎo)通電阻R30、R31、R32、R33，改變4 個(gè)并聯(lián)電阻R30、R31、R32、R33 的組合電阻值，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)反相放大電路放大增益可配置，采用此設(shè)計(jì)方式可配置高達(dá)15 個(gè)等級(jí)的放大增益倍數(shù)。外部拾音器、電話受話筒和耳機(jī)麥克經(jīng)模擬輸入部分選擇導(dǎo)通后連接至此放大電路的ΜICIN 端，主控ΜCU 根據(jù)選擇的ΜIC 輸入接口類型，動(dòng)態(tài)配置第二級(jí)放大電路的放大增益，經(jīng)兩級(jí)增益放大后聲音由ΜICOUT 輸出至主機(jī)箱的ΜIC 音頻口。

■2.5 模擬輸入/輸出部分

當(dāng)音頻功放芯片TDA6030A4 處于BTL 差分Speaker輸出模式時(shí)，模擬輸出部分通過(guò)繼電器切換外部喇叭和電話聽(tīng)筒，繼電器選用DPDT 型G5V-2-H1 12VDC 繼電器。當(dāng)檢測(cè)到電話拿起時(shí)，主控ΜCU 導(dǎo)通繼電器，將TDA6030A4的Speaker 輸出切換至電話聽(tīng)筒；當(dāng)檢測(cè)到電話放下時(shí)，主控ΜCU 關(guān)斷繼電器，將TDA6030A4 的Speaker 輸出切換至外部喇叭。

音頻模擬輸入部分選用單通道SP3T 模擬復(fù)用器TS5A3357，此模擬復(fù)用器導(dǎo)通內(nèi)阻低（5Ω），內(nèi)部集成“break-before-make”功能，能有效避免音頻輸入切換瞬間信號(hào)失真。當(dāng)檢測(cè)到耳機(jī)插入時(shí)，主控ΜCU 置位復(fù)用器TS5A3357 的IN0 和IN1 引腳都為高電平，將ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 輸入切換至耳機(jī)麥克；當(dāng)檢測(cè)到電話拿起時(shí)，主控ΜCU 置IN0 引腳為高電平并置IN1 引腳為低電平，將ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 輸入切換至電話受話筒；默認(rèn)情況下，復(fù)用器TS5A3357 的IN0 和IN1 引腳都為低電平，ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 輸入為外部拾音器。

■2.6 耳機(jī)/電話插入檢測(cè)部分

耳機(jī)插座選用帶耳機(jī)插入觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的耳機(jī)座，具體耳機(jī)座及檢測(cè)方式詳見(jiàn)圖2 所示，主控ΜCU 通過(guò)檢測(cè)HP_DET引腳判斷耳機(jī)插入狀態(tài)。電話話柄與壓簧開(kāi)關(guān)配合使用，當(dāng)拿起電話時(shí)，壓簧開(kāi)關(guān)抬起打開(kāi)；當(dāng)放下電話時(shí)，壓簧開(kāi)關(guān)受壓閉合，主控ΜCU 通過(guò)檢測(cè)壓簧開(kāi)關(guān)開(kāi)合確定電話當(dāng)前狀態(tài)。

■2.7 其他部分

此音頻控制系統(tǒng)采用主控ΜCU 自帶USB 外設(shè)，USB接口采用HID 免驅(qū)模式，且具有掉線自恢復(fù)功能；狀態(tài)指示燈采用的是發(fā)光二極管，用于指示此系統(tǒng)各工作狀態(tài)，如上電指示、音頻選擇、錯(cuò)誤警報(bào)等；音頻調(diào)節(jié)按鈕選用4×4 輕觸開(kāi)關(guān)，用戶能通過(guò)按鍵進(jìn)行模式選擇或音量調(diào)節(jié)等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使用C 語(yǔ)言編程，利用Keil5 開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行模塊層次化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，主要工作包括初始化設(shè)定參數(shù)，枚舉USB，實(shí)時(shí)檢測(cè)耳機(jī)和電話狀態(tài)，切換音頻模擬輸入和模擬輸出，PWΜ 調(diào)節(jié)音頻功放音量，動(dòng)態(tài)配置ΜIC 放大增益，掃描按鍵等。此音頻控制系統(tǒng)與主機(jī)USB 通訊，實(shí)時(shí)上傳當(dāng)前狀態(tài)，并立即執(zhí)行主機(jī)下發(fā)的音量調(diào)節(jié)等各類業(yè)務(wù)命令。音頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，將本音頻控制系統(tǒng)安裝到自助終端整機(jī)上，上電整機(jī)設(shè)備并打開(kāi)測(cè)試軟件。音頻控制系統(tǒng)立即上傳各接口音量及檢測(cè)到的當(dāng)前工作音頻接口類型，測(cè)試軟件實(shí)時(shí)顯示，顯示結(jié)果如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)插入耳機(jī)或拿起電話時(shí)，測(cè)試軟件能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作音頻接口；測(cè)試軟件動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各接口音量或ΜIC 增益時(shí)，通話聲音隨之變化且變化明顯。通過(guò)100 次的反復(fù)測(cè)試，此音頻控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主機(jī)箱聲音輸出和ΜIC 錄音在電話、耳機(jī)與外部喇叭/拾音器三者之間自動(dòng)切換，也能夠根據(jù)檢測(cè)到的音頻接口類型動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)外部喇叭、電話聽(tīng)筒、耳機(jī)聽(tīng)筒的輸出功率，實(shí)時(shí)配置外部拾音器、電話受話筒、耳機(jī)麥克的拾音增益。

圖5 測(cè)試軟件實(shí)時(shí)顯示結(jié)果

5 結(jié)論

為了滿足自助終端設(shè)備多種音頻接口之間相互切換的需要，本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于自助終端設(shè)備的音頻控制系統(tǒng)，結(jié)合音頻功率放大電路、可配置ΜIC 增益放大電路等部分，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)箱聲音輸出和ΜIC 錄音在電話、耳機(jī)與外部喇叭/拾音器三種音頻接口之間自動(dòng)切換，也實(shí)現(xiàn)了根據(jù)檢測(cè)到的當(dāng)前工作音頻接口動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)音頻功放輸出功率和ΜIC 拾取增益等功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試和小批試產(chǎn)，該音頻控制系統(tǒng)具有音頻接口類型檢測(cè)靈敏、音質(zhì)清晰洪亮、音量調(diào)節(jié)范圍寬、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，滿足了自助終端設(shè)備要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于公司內(nèi)自助終端設(shè)備中。