一種低成本高性能拉桿箱音響的電子方案設計

封昭迪

摘要：拉桿箱音響是一種大功率，相對便攜的，對音質需求較高，功能多元化，使用足夠便利的可以滿足人們商業(yè)活動和娛樂休閑的音響類產品。但是目前傳統(tǒng)的設計方案無法同時滿足高性能和低成本的產業(yè)化需求。針對當前拉桿箱音響的發(fā)展情況，研究了市場上對此類產品的需求，結合當前大多數(shù)工廠的產業(yè)化能力，提出了—種新的電子方案設計，采用了高性能的DSP芯片以及主控芯片，在滿足設計需求的基礎上大幅度降低了成本。在評估可行性之后，對方案進行了多次驗證與修改，目前已順利完成量產，實現(xiàn)了此方案的產業(yè)化需求。

關鍵詞：拉桿箱音響 高性能 低成本 DSP 電子

—、引言

隨著社會不斷進步，廣大人民群眾對物質精神文化生活質量的需求在不斷提高。拉桿箱音響作為一種兼具便攜性與功率要求的音響類產品順理成章的走入了我們的生活中。其應用場景主要有商場，家庭聚會，大型廣場活動以及獨立歌手演出等。為了滿足人們日常娛樂以及商業(yè)活動的需要，亟需設計一種可以實現(xiàn)產業(yè)化的，高

經過了嚴謹?shù)姆治鲆约安粩嗟尿炞C。最終確定了方案。本文將針對這種電子方案從選型和設計兩部分同時進行討論與介紹。

二、整體流程架構介紹

（一）系統(tǒng)流程圖

（二）主控部分

主控部分的核心選用的是ATS2825，輔以外圍的音頻輸入部分，顯示部分，ADC按鍵輸入部分，以及串口通信部分，作為整個系統(tǒng)中處于主導地位的存在，對外為用戶提供交互界面以及操作終端，對內則是控制和聯(lián)系其他部分的樞紐。

（三）麥克風信號輸入部分

為了便于用戶操作，麥克風這里采用了有線話筒+無線話筒共用的方案，將有線話筒與U段無線話筒的輸入并在一起輸入給WM8988。U段話筒具有音質好、抗干擾性強、支持跳頻以避免相互之間干擾以及傳輸距離相對較遠的特點。

（四）音頻處理部分

音頻處理部分則主要由三部分組成。分別是負責和主控芯片通信。處理旋鈕功能以及控制DSP芯片的新唐M0516、負責對音頻進行各種復雜處理的HC5155D芯片和輸出給功放部分的高性能AD/DA芯片WM8988。

（五）功率放大部分

從WM8988輸出的信號和樂器輸入的信號經過混合后首先經過4558放大，再進入TPA3255二次放大，最后輸出給揚聲器。

三、電子方案軟硬件原理詳細介紹

（一）主控部分

1.主控芯片介紹

ATS2825是一顆高集成度的藍牙音頻解決方案Soc，具有高性能，低成本和低功耗等特點。原廠提供了標準SDK可供使用者按照自己的實際需求進行開發(fā)，內部使用μC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)，封裝成類似Linux的結構。熟悉Linux系統(tǒng)開發(fā)的工程師可以輕松的上手。

2.音源輸入

ATS2825支持藍牙輸入，音頻輸入，以及USB和SD卡輸入，只要將外圍器件連接好。在內部就可以通過切換應用的方式來選擇音源當相應的應用被選中時，對應的輸入就會被選中，從IC的輸出口進行輸出，因為后級的DSP采用數(shù)字輸入，所以這里將ATS2825的輸出設置為數(shù)字12S輸出。

3.顯示部分

顯示部分采用了一塊段位液晶顯示屏具體示意圖如下：

此屏幕可以顯示出各種狀態(tài)，并且顯示效果較市面上常見的LED數(shù)碼管要好得多。為了節(jié)省IO口線，這里采用了一顆HT1621芯片來進行驅動。ATS2825可以方便的通過4條控制線和HT1621進行通信，分別是/CS，/RD，/WR，DATA。其中/CS為片選口，只有當此引腳拉低時才可以和HT1621進行通信。/RD和/WR分別是寫數(shù)據(jù)操作和讀數(shù)據(jù)操作的時鐘脈沖信號，以上三條信號均由ATS2825產生，DATA線則較為特殊，做讀寫數(shù)據(jù)操作時，一條完整的data數(shù)據(jù)由3位命令字+6位地址字+4位數(shù)據(jù)字組成，其中讀或寫的模式由命令字決定，對LCD進行設置的話，一條完整的data數(shù)據(jù)由3位命令字+9位命令字組成，設置指令命令字固定為100，而具體的設置內容則由9位命令字來決定。

4.按鍵

物理按鍵采用電阻分壓的方式接入ATS2825，這樣當每個按鍵或者是不同的組合按鍵按下時，主控IC的ADC輸入口檢測到的電壓值就會產生變化，這時就可以量化這些電壓值為不同的數(shù)據(jù)進而加以判斷是哪個按鍵或者是哪種組合鍵被按下。

5.通信

因為主控部分并不進行過音頻方面的處理，所以需要將處理的內容傳遞給音頻處理部分，并且要獲得相關信息，通過將ATS2825和下面將要介紹的M0516LDN的UART口連接，并且制定好通信協(xié)議，就可以實現(xiàn)兩部分控制與交互。

（二）音頻處理部分

1.音頻部分芯片介紹

M0516LDN（LQFP48）為Cortex^TM-M0 32位微控制器系列，具有硬件SPI接口以及UART接口、8通道12位分辨率的ADC輸入以及高達40個IO口。

HC5155D是一顆高性能低成本的專門為音頻處理提供解決方案的定點音頻處理芯片。適用于各種復雜的音效算法處理?？梢葬槍σ纛l進行多項調節(jié)，例如均衡調節(jié)，限幅控制等，支持麥克風的混響，回聲，變調，防嘯叫，閃避等功能。

WM8988是CIRRUS LOGIC開發(fā)的一款高性能AD/DA芯片。各項性能參數(shù)非常好，使用這顆IC可以有效的降低音頻從DA過程中產生的噪聲和失真。

2.旋鈕

旋鈕部分是針對音頻的各種參數(shù)進行調節(jié)的，分別是音樂音量、音樂高音調節(jié)、音樂低音調節(jié)、麥克風高音調節(jié)、麥克風低音調節(jié)、麥克風回響調節(jié)、麥克風延遲調節(jié)，以及麥克風音量以及樂器輸入音量調節(jié)。

需要說明的是，除了麥克風和樂器音量調節(jié)采用電位器直接控制的方式，其余旋鈕均接入M0516LDN芯片的ADC輸入口，通過此芯片來實時的讀取電位器的電壓值來判斷旋鈕的位置和動作。原因如下：

（1）高低音、回響延遲等功能并不能直接通過電位器實現(xiàn)，必須由DSP芯片來處理。這就要求必須由控制芯片檢測到旋鈕的動作和刻度來分析出需要執(zhí)行的功能再控制DSP芯片進行操作。

（2）音樂音量的調節(jié)雖然可以直接通過電位器控制，但是這樣就無法在屏幕上顯示出音量的值。經過權衡，最終將音樂音量接入M0516LDN芯片。

M0516LDN芯片具有的8個通道12位分辨率的ADC輸入口在這里不但滿足了旋鈕數(shù)量上的需求。而且在精度上也得到了保障。

3.音頻處理部分

這里HC5155D接收到的信號來自兩部分，一部分是從ATS2825輸出的音樂信號，另一部分是麥克風輸入經過WM8988轉換而成的數(shù)字信號，因為麥克風輸入本身是模擬信號，所以這里必須經過ADC轉成數(shù)字信號。

接收到音頻信號以后HC5155D就可以根據(jù)需求進行處理了。主要調節(jié)內容有均衡調節(jié)、輸入靈敏度和輸出限幅，麥克風的回響延遲調節(jié)、閃避以及人聲消除功能等。最后再將分別處理過的音樂信號與麥克風輸入信號進行疊加輸出。

其中均衡直接影響著音頻信號的頻率響應，對音質的好壞起著決定作用。需要針對箱體結構、喇叭曲線等整體系統(tǒng)來調節(jié)，需要相當程度的電聲知識。同時用戶常見的搖滾，流行，古典等音效其實也是通過預置的不同均衡效果來實現(xiàn)的。

輸入靈敏度和輸出限幅則影響系統(tǒng)的輸出功率，輸入靈敏度決定著標準信號在多大幅度輸入時音響會達到設計上的滿功率，而限幅則會限制HC5155D最大輸出幅度，從而限制功放輸出的最大功率。

麥克風回響，延遲功能則為用戶提供了豐富的唱K效果，人聲消除功能可以有效的消除音樂原聲中人聲所在的頻段，實現(xiàn)只保留伴奏音樂的效果，而閃避功能則會采集麥克風信號的輸入幅度，當麥克風輸入信號達到一定閾值。則自動降低音樂通道的聲音。

另外音樂和麥克風還分別有高音和低音的插件可供用戶調節(jié)，以滿足用戶對不同音樂的需求，一般來說音樂的低頻頻段選在100Hz左右，高頻選在10KHz，而麥克風的低音選在200Hz左右，高頻選在4KHz左右。

（三）功率放大部分

這里采用兩級放大。輸出信號先經過運放4558進行一次放大之后再進ATPA3255再次放大。不但可以彌補TPA3255的放大倍數(shù)不足，而且還能夠降低信號傳輸過程中的干擾。

除了麥克風輸入之外，還設計了一個獨立的樂器輸入，因為此輸入需要保證樂器原有的音質與音色，所以中間沒有經過任何DSP處理。直接并AWM8988輸出之后。