傅雪驕， 趙 強(qiáng)， 任 勇

（1.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司 重慶 400039；2.重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶 400044）

隨著汽車(chē)從代步工具轉(zhuǎn)變?yōu)榧蓍e、娛樂(lè)為一體的個(gè)性化消費(fèi)品，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)娛樂(lè)方面的要求不斷提升，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)也正面臨強(qiáng)大的市場(chǎng)壓力，亟需在不犧牲效能的情況下降低成本，這個(gè)現(xiàn)象在入門(mén)級(jí)汽車(chē)市場(chǎng)尤為明顯，而消費(fèi)者對(duì)于低價(jià)車(chē)輛的需求讓低端媒體娛樂(lè)市場(chǎng)的年成長(zhǎng)率超過(guò)10%。AM/FM收音機(jī)以其低成本高音質(zhì)等特點(diǎn)，尤為得到廣泛的歡迎。如何設(shè)計(jì)一款既達(dá)到成本控制需求，又能達(dá)到高質(zhì)量音頻享受的廣播音訊產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足此領(lǐng)域?qū)τ诮档统杀竞秃?jiǎn)易設(shè)計(jì)的需求成為行業(yè)焦點(diǎn)。我們可以想象收音機(jī)的不斷的改進(jìn)和不斷創(chuàng)新，使收音機(jī)的發(fā)展空間愈來(lái)愈大。

通常的傳統(tǒng)的收音機(jī)解決方案為采用由分列集成單元構(gòu)成調(diào)頻/調(diào)幅收音機(jī)，其主要組成為：天線、輸入回路、高頻放大電路、混頻電路、本機(jī)振蕩電路、中頻放大電路、鑒頻電路、低頻功率放大電路、揚(yáng)聲器等。改方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜，并且音質(zhì)噪聲大，音頻信號(hào)失真嚴(yán)重，各方面評(píng)估都不是一種最好的解決方法。本文將設(shè)計(jì)一個(gè)新型的、低成本的、使用RFCMOS單芯片AM/FM收音機(jī)解決方案，精簡(jiǎn)型微控制器，配合超低成本音頻音效處理DSP和高保真音頻功率放大器，實(shí)現(xiàn)元器件極少、走線極少、體積極小、成本極低的高品質(zhì)AM/FM車(chē)載收音解決方案。

1 器件選擇

為了實(shí)現(xiàn)低端轎車(chē)或超應(yīng)用低成本的目標(biāo)，首要任務(wù)是選擇合適的微控制器 （MCU）和AM/FM低中頻調(diào)諧器。Freescale半導(dǎo)體公司最新推出的MC9S08QG低端微控制器系列，其處理內(nèi)核、片上外圍設(shè)備、節(jié)電功能和開(kāi)發(fā)工具等，構(gòu)成了成本、能源、效率敏感的控制應(yīng)用的理想解決方案[1]。本無(wú)線控制器設(shè)計(jì)的核心器件即選擇Freescale該系列中的僅有16引腳的MC9S08QG8[2]。MC9S08QG8是采用高性能、低功耗的HCS08內(nèi)核的飛思卡爾8位微控制器系列中具有很高的集成度的器件，內(nèi)置8K FLASH存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM、SCI/SPI/IIC接口、8位模數(shù)定時(shí)器模塊、A/D模塊等。MC9S08QG8 MCU集成了那些通常只有較大、較昂貴的元器件才具有的性能，包括背景調(diào)試系統(tǒng)以及可進(jìn)行實(shí)時(shí)總線捕捉的內(nèi)置在線仿真（ICE）功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口（BDM），還包括一個(gè)可編程的16位定時(shí)器/脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊（TPM），是同類(lèi)產(chǎn)品中最靈活、又最經(jīng)濟(jì)的模塊之一。

另一個(gè)主要芯片為低中頻調(diào)諧器，選擇NXP半導(dǎo)體公司的TEF6621[3]。TEF6621，為NXP（恩智浦）公司其極為成功的RFCMOS單芯片車(chē)載收音機(jī)解決方案系列。作為業(yè)界廣泛應(yīng)用的TEF6601和TEF6606的升級(jí)版本，TEF6621調(diào)諧器能讓我們確保在汽車(chē)收音機(jī)系統(tǒng)中很小的空間里安裝更加令人激動(dòng)的特色功能。調(diào)諧器的創(chuàng)新特色在于全部關(guān)鍵射頻組件――包括：壓控振蕩器，陶瓷濾波器，中頻變壓線圈，低噪聲放大器和自動(dòng)增益控制，只需要32個(gè)低成本的無(wú)源外圍器件（電容、電阻、電感及晶體管）。此外，通過(guò)特殊的大信號(hào)處理的功能，這款低中頻調(diào)諧器能很好的支持汽車(chē)收音機(jī)應(yīng)用的高性能需求。基于TEF6621設(shè)計(jì)的車(chē)載收音機(jī)系統(tǒng)將因?yàn)楦油晟频娜跣盘?hào)處理、FM噪聲消隱、對(duì)環(huán)境干擾噪聲更強(qiáng)的多路徑抑制能力、按壓噪聲抑制等功能而成為理想的收音機(jī)解決方案。

剩下就是數(shù)字音頻信號(hào)處理子系統(tǒng)和音頻音效處理放大輸出電路，本方案采用PT2313對(duì)系統(tǒng)音頻進(jìn)行處理，PT2313L音頻處理器具有高、低音控制功能和高響度（重低音）控制功能，同時(shí)具有三路立體聲輸入端口，且其增益可由微控器控制此外，它還具有四路獨(dú)立的功放激勵(lì)端口，且可由微控器控制其輸出、平衡度和靜音關(guān)閉等功能其音量也可由微控器控制，最小步進(jìn)量為1.25 dB[4]。

采用ST半導(dǎo)體4×41W的四橋汽車(chē)音響放大器TDA7388，TDA7388是一種新技術(shù)AB類(lèi)音頻功率放大器，使用flexiwatt 25封裝設(shè)計(jì)，因其高輸出功率能力，低失真低輸出噪聲，靜音功能，低外部元件數(shù)，內(nèi)部固定增益（為26 dB），無(wú)需外部補(bǔ)償[5]，無(wú)啟動(dòng)電容器等特點(diǎn)，成為高端汽車(chē)收音機(jī)首選。

MC9S08QG8內(nèi)部IIC模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)IIC總線與調(diào)諧器TEF6621及音效處理及音量調(diào)節(jié)器PT2313進(jìn)行數(shù)據(jù)通信控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)收音頻率的選擇和音頻音量的調(diào)節(jié)。并且通過(guò)MC9S08QG8微處理器對(duì)整個(gè)音頻高功率部分進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)待機(jī)（standby）、關(guān)機(jī)（shut up）等控制。

至于其它外圍器件則可選用通用的，比如AM/FM天線、液晶顯示器使用16x2的字符型LCD，以及作為調(diào)諧使用的編碼電位器等，這部分的電路應(yīng)用已是成熟技術(shù)。

2 音頻音效處理與均衡技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播節(jié)目從采編、制作到傳播、發(fā)送，都使用了較先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，節(jié)目的質(zhì)量也大為提高。雖然如此，接收天線與網(wǎng)絡(luò)的匹配問(wèn)題和音頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中的噪音和衰減問(wèn)題仍然困擾著高保真音頻享受技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，這主要原因?yàn)楣こ處熀苌訇P(guān)心音頻處理器的工作狀態(tài)及設(shè)置問(wèn)題。

廣播音頻信號(hào)在處理過(guò)程中存在很大的非線性，對(duì)音頻處理設(shè)備來(lái)說(shuō)，它不僅包括對(duì)信號(hào)的壓縮、限制、削波、擴(kuò)展等處理方式，而且還對(duì)音頻處理設(shè)備安裝的位置、引線長(zhǎng)短，以及在高電磁場(chǎng)強(qiáng)輻射環(huán)境下抗干擾能力等方面都有嚴(yán)格的要求。

音頻傳播媒體特征，也即聲波的物理特性，音頻的記錄和產(chǎn)生方式多種，主要包括模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮和聲音合成等。音頻數(shù)據(jù)的編輯處理方法也是多樣，總的來(lái)說(shuō)音頻信號(hào)的處理方法大致可分為兩類(lèi)：一種是數(shù)字音頻方式，另一種是分析-合成的方式。

【中醫(yī)解讀】這六路“神劍”其實(shí)是以六個(gè)穴位命名的。這些穴位雖然沒(méi)有武俠小說(shuō)描述的神奇威力，但確實(shí)有一定的保健效果。

規(guī)則音頻是一種連續(xù)變化的模擬信號(hào)，可用一條連續(xù)的曲線來(lái)表示，稱(chēng)為聲波。模擬信號(hào)的曲線無(wú)論多復(fù)雜，在任一時(shí)刻t都可分解成一系列正弦波的線性疊加：

音頻信號(hào)的頻帶越寬，所包含的音頻信號(hào)分量越豐富，音質(zhì)越好，動(dòng)態(tài)范圍越大，信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化范圍越大，音響效果越好。如圖1即為幾種音頻信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

動(dòng)態(tài)范圍=20×log10（信號(hào)的最大強(qiáng)度/信號(hào)的最小強(qiáng)度）（dB）

圖1 音頻信號(hào)頻響動(dòng)態(tài)范圍Fig.1 Frequency dynamic range of audio signal

由圖中可以看出，3種音頻信號(hào)的頻域動(dòng)態(tài)范圍：

表1 典型信號(hào)頻響動(dòng)態(tài)范圍Tab.1 Frequency dynamic range of typical signal

信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）是有用信號(hào)與噪聲之比的簡(jiǎn)稱(chēng)。噪音可分為環(huán)境噪音和設(shè)備噪音。信噪比越大，聲音質(zhì)量越好。

PT2313L音頻處理器內(nèi)部主要由四部分電路組成。其中串行總線解碼和鎖存電路（Serial BusDecoder&Latchs）用于完成串行數(shù)據(jù)的接收、解碼和鎖存，并以其控制其余三部分電路。輸人選擇器和增益控制電路（Input Selector&Gain Control）主要完成對(duì)三路音響源的選擇和對(duì)其增益的控制。音量和高響度 （重低音）、 低音、 高音電路（Volume&Loudness、Bass、Treble）由對(duì)稱(chēng)的左右兩個(gè)聲道電路組成，主要完成對(duì)音量大小、重低音、低音、高音的控制。音頻處理器，又稱(chēng)為數(shù)字處理器。數(shù)字處理器就是對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，其內(nèi)部的構(gòu)普遍是由輸入部分和輸出部分組成，其中屬于音頻處理部分的功能一般如下：輸入部分一般會(huì)包括，輸入增益控制（INPUTGAIN），輸入均衡（若干段參數(shù)均衡）調(diào)節(jié)（INPUT EQ），輸入端延時(shí)調(diào)節(jié)（INPUT DELAY），輸入極性（也就是大家說(shuō)的相位）轉(zhuǎn)換（input polarity）等功能。而輸出部分一般有信號(hào)輸入分配路由選擇（ROUNT），高通濾波器（HPF），低通濾波器（LPF），均衡器 （OUTPUTEQ）， 極 性 （polarity）， 增 益 （GAIN）， 延 時(shí)（DELAY），限幅器啟動(dòng)電平等功能。

PT2313L音頻處理器典型的音調(diào)（Typical Tone Response）頻率響應(yīng)曲線如圖2所示，就音頻處理器目前的技術(shù)水平來(lái)看，完全能滿(mǎn)足高保真廣播的要求，使經(jīng)過(guò)加工后的聲音聽(tīng)不到加工聲，也就是說(shuō)，在沒(méi)有加工痕跡的情況下，仍然保留原聲音的高品質(zhì)，甚至比原聲音更加悅耳、清晰、動(dòng)聽(tīng)。

圖2 PT2313典型的音調(diào)頻率響應(yīng)曲線Fig.2 Frequency response curve of PT2313 typical tone

3 AM/FM車(chē)載收音機(jī)的總體構(gòu)建

基于前述主要器件的選擇考慮，本文實(shí)現(xiàn)的低端車(chē)載收音機(jī)解決方案原理框圖如圖3所示。

圖3 車(chē)載收音機(jī)控制電路原理框圖Fig.3 Principle flow diagram of vehicle radio control circuit

由于IIC是一種多向控制總線，微控制器MC9S08QG8同時(shí)可以通過(guò)IIC接口對(duì)PT2313的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作（操作地址：讀89H/寫(xiě)0x88H）。配置其內(nèi)部串行總線解碼和鎖存電路（Serial BusDecoder&Latchs）用于完成串行數(shù)據(jù)的接收、解碼和鎖存，并控制輸入選擇器和增益控制電路（Input Selector&Gain Control）主要完成對(duì)三路音響源的選擇和控制由對(duì)稱(chēng)的左右兩個(gè)聲道電路組成的音量和高響度（重低音）、低音、高音電路（Volume&Loudness、Bass、Treble），完成對(duì)音量大小、重低音、低音、高音的控制揚(yáng)聲器衰減和靜音電路（Speaker Att、Mute）控制，可完成對(duì)送至左聲道前部、后部，以及右聲道前部、后部四路揚(yáng)聲器功放電路激勵(lì)信號(hào)幅度大小的控制和關(guān)閉。同時(shí)微控制器MC9S08QG8通過(guò)一個(gè)通用I/O接口GPIO對(duì)TDA7388進(jìn)行靜音控制（待機(jī)控制Standby）。

微控制器MC9S08QG8對(duì)編碼電位器進(jìn)行讀取，旋轉(zhuǎn)編碼電位器具有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、按下三個(gè)功能。4、5腳是中間按下去的開(kāi)關(guān)接線1、2、3腳一般是中間 2腳接地，1、3腳上拉電阻后，當(dāng)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)旋紐時(shí)，在1、3腳就有脈沖信號(hào)輸出了。MCU通過(guò)通用I/O接口GPIO完成對(duì)1、3腳脈沖計(jì)數(shù)，編碼開(kāi)關(guān)5腳接地，4腳上拉后與MCU中斷請(qǐng)求 （IRQ）信號(hào)相連，IRQ腳會(huì)產(chǎn)生下降沿跳變[6]。IRQ產(chǎn)生后，微控制器即刻讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，確定是開(kāi)機(jī)初始化調(diào)諧器并打開(kāi)音效和喚醒功放，還是靜音并讓功放處于待機(jī)狀態(tài)。

微控制器MC9S08QG8通過(guò)通用I/O接口GPIO完成與液晶顯示器和按鍵的連接[7]，其中LCD數(shù)據(jù)線由MCU單獨(dú)提供（共4線），LCD的控制線由MCU單獨(dú)提供（共3線）。

BDM程序下載和在線調(diào)試僅占用MCU的單線1線，在設(shè)計(jì)之初是必須的，但當(dāng)調(diào)試下載完成后，該引線也可當(dāng)作普通I/O來(lái)使用或備用。

4 硬件電路的具體設(shè)計(jì)

根據(jù)前面器件選擇和總體構(gòu)建的考慮，本文完成的AM/FM車(chē)載收音機(jī)具體設(shè)計(jì)電路如圖4。其中MC9S08QG8微控制器（MCU）的大部分管腳具有多重功能[8]，電路設(shè)計(jì)中，即以MC9S08QG8為控制核心，實(shí)現(xiàn)顯示、調(diào)諧、音頻音效、功放輸出等各種控制。

這里的AM/FM車(chē)載收音機(jī)應(yīng)用原理圖分作3部分。第一部分是MC9S08QG8 MCU所需的基本連接。第二部分是TEF6621調(diào)諧器與天線接收電路，第3部分是由PT2313和TDA7388組成的音頻處理和功率放大輸出電路，第4部分是16x2 LCD和編碼電位器的人機(jī)交互電路。

汽車(chē)電池標(biāo)準(zhǔn)電壓為12/24 V，本文設(shè)計(jì)中，采用DC-DC電壓調(diào)整電路輸出1路9 V電壓和1路5 V電壓，微控制器、顯示部分及其他低壓外設(shè)部分供電為5 V數(shù)字電壓，調(diào)諧器TEF6621和音效芯片PT2313供電為9 V電壓，功放TDA7388采用汽車(chē)電池直接供電方式。MCU的時(shí)鐘電路無(wú)需外接晶振，直接使用MCU內(nèi)部自帶的時(shí)鐘；圖中TEF6621調(diào)諧器、PT2313、TDA7388及它的外圍電路使用數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的工作所需的最低硬件要求。MCU與TEF6621調(diào)諧器、PT2313的連接按照標(biāo)準(zhǔn)IIC方式連接，MCU為主機(jī)，TEF6621、PT2313為從機(jī)，由SDA、SCL信號(hào)線通過(guò)不同的從機(jī)地址對(duì)兩個(gè)器件進(jìn)行基礎(chǔ)配置和操作，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧與調(diào)音功能。

MCU的8K FLASH和512字節(jié)的存儲(chǔ)器資源對(duì)于基本收音機(jī)控制是足夠的，另外，如需在本系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步功能擴(kuò)展，造成片內(nèi)資源緊張，F(xiàn)reescale公司還提供了pin-to-pin兼容的MC908QG16/32等低成本升級(jí)方案。

5 結(jié) 論

圖4 AM/FM車(chē)載收音機(jī)硬件原理框圖Fig.4 Principle flow diagram of AM/FM vehicle radio hardware

文中僅使用了一個(gè)Freescale MC9S08QG8低端微控制器，再加上集成單芯片AM/FM調(diào)諧器和音頻功放電路及很少的一些連接線和硬件資源，已經(jīng)具有完整具備調(diào)諧、調(diào)音及人機(jī)交互等功能的4x41W高品質(zhì)低成本車(chē)載收音機(jī)，這說(shuō)明車(chē)載多媒體應(yīng)用并不一定總是需要高性能的微處理器和昂貴體積巨大的高保真處理音頻器件，低端微控制器和單芯片調(diào)諧處理解決方案也能夠滿(mǎn)足車(chē)載收音多媒體系統(tǒng)基本要求，從而降低了車(chē)載音頻解決方案的成本。同時(shí)，本文實(shí)現(xiàn)的車(chē)載收音機(jī)具有功耗低、元器件少、成本低、性能高、音效品質(zhì)優(yōu)、而且功能足的特點(diǎn)，是針對(duì)低端車(chē)輛車(chē)載收音機(jī)應(yīng)用的一種精簡(jiǎn)解決方案。

[1]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開(kāi)發(fā)方法 [M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[2]Freescale semiconductor.MC9S08QG8 Data Sheet[EB/OL].Rev.4，2008，http://www.freescale.com

[3]NXP Semiconductor.TEF6621 Data Sheet[EB/OL].Rev.2008，http://www.NXP.com

[4]Princeton Technology Corp.PT2313 Data Sheet[EB/OL].Rev.1，2009，http://www.princeton.com.tw

[5]STMicroelectronics.TDA7388 Data Sheet[EB/OL].Rev.1，2005，http://www.st.com

[6]任勇等.單片機(jī)原理及應(yīng)用-使用Freescale S12X構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2012.

[7]任勇.基于MC9S08QG8低端微控制器的無(wú)線控制器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（9）:52-55.

REN Yong.Design forwireless controllerbased on MC9S08QG8Low-EndMCU[J].modernElectronic Technology，2009（9）:52-55.

[8]王宜懷，劉曉升，等.嵌入式系統(tǒng)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.