车载AM/FM收音机的精简型设计

傅雪骄， 赵 强， 任 勇

（1.中国汽车工程研究院股份有限公司 重庆 400039；2.重庆大学 通信工程学院，重庆 400044）

随着汽车从代步工具转变为集休闲、娱乐为一体的个性化消费品，消费者对汽车娱乐方面的要求不断提升，汽车产业也正面临强大的市场压力，亟需在不牺牲效能的情况下降低成本，这个现象在入门级汽车市场尤为明显，而消费者对于低价车辆的需求让低端媒体娱乐市场的年成长率超过10%。AM/FM收音机以其低成本高音质等特点，尤为得到广泛的欢迎。如何设计一款既达到成本控制需求，又能达到高质量音频享受的广播音讯产品来满足此领域对于降低成本和简易设计的需求成为行业焦点。我们可以想象收音机的不断的改进和不断创新，使收音机的发展空间愈来愈大。

通常的传统的收音机解决方案为采用由分列集成单元构成调频/调幅收音机，其主要组成为：天线、输入回路、高频放大电路、混频电路、本机振荡电路、中频放大电路、鉴频电路、低频功率放大电路、扬声器等。改方案的设计实现非常复杂，并且音质噪声大，音频信号失真严重，各方面评估都不是一种最好的解决方法。本文将设计一个新型的、低成本的、使用RFCMOS单芯片AM/FM收音机解决方案，精简型微控制器，配合超低成本音频音效处理DSP和高保真音频功率放大器，实现元器件极少、走线极少、体积极小、成本极低的高品质AM/FM车载收音解决方案。

1 器件选择

为了实现低端轿车或超应用低成本的目标，首要任务是选择合适的微控制器 （MCU）和AM/FM低中频调谐器。Freescale半导体公司最新推出的MC9S08QG低端微控制器系列，其处理内核、片上外围设备、节电功能和开发工具等，构成了成本、能源、效率敏感的控制应用的理想解决方案[1]。本无线控制器设计的核心器件即选择Freescale该系列中的仅有16引脚的MC9S08QG8[2]。MC9S08QG8是采用高性能、低功耗的HCS08内核的飞思卡尔8位微控制器系列中具有很高的集成度的器件，内置8K FLASH存储器、512字节RAM、SCI/SPI/IIC接口、8位模数定时器模块、A/D模块等。MC9S08QG8 MCU集成了那些通常只有较大、较昂贵的元器件才具有的性能，包括背景调试系统以及可进行实时总线捕捉的内置在线仿真（ICE）功能，具有单线的调试及仿真接口（BDM），还包括一个可编程的16位定时器/脉冲宽度调制（PWM）模块（TPM），是同类产品中最灵活、又最经济的模块之一。

另一个主要芯片为低中频调谐器，选择NXP半导体公司的TEF6621[3]。TEF6621，为NXP（恩智浦）公司其极为成功的RFCMOS单芯片车载收音机解决方案系列。作为业界广泛应用的TEF6601和TEF6606的升级版本，TEF6621调谐器能让我们确保在汽车收音机系统中很小的空间里安装更加令人激动的特色功能。调谐器的创新特色在于全部关键射频组件――包括：压控振荡器，陶瓷滤波器，中频变压线圈，低噪声放大器和自动增益控制，只需要32个低成本的无源外围器件（电容、电阻、电感及晶体管）。此外，通过特殊的大信号处理的功能，这款低中频调谐器能很好的支持汽车收音机应用的高性能需求。基于TEF6621设计的车载收音机系统将因为更加完善的弱信号处理、FM噪声消隐、对环境干扰噪声更强的多路径抑制能力、按压噪声抑制等功能而成为理想的收音机解决方案。

剩下就是数字音频信号处理子系统和音频音效处理放大输出电路，本方案采用PT2313对系统音频进行处理，PT2313L音频处理器具有高、低音控制功能和高响度（重低音）控制功能，同时具有三路立体声输入端口，且其增益可由微控器控制此外，它还具有四路独立的功放激励端口，且可由微控器控制其输出、平衡度和静音关闭等功能其音量也可由微控器控制，最小步进量为1.25 dB[4]。

采用ST半导体4×41W的四桥汽车音响放大器TDA7388，TDA7388是一种新技术AB类音频功率放大器，使用flexiwatt 25封装设计，因其高输出功率能力，低失真低输出噪声，静音功能，低外部元件数，内部固定增益（为26 dB），无需外部补偿[5]，无启动电容器等特点，成为高端汽车收音机首选。

MC9S08QG8内部IIC模块实现通过IIC总线与调谐器TEF6621及音效处理及音量调节器PT2313进行数据通信控制，实现对收音频率的选择和音频音量的调节。并且通过MC9S08QG8微处理器对整个音频高功率部分进行控制，实现待机（standby）、关机（shut up）等控制。

至于其它外围器件则可选用通用的，比如AM/FM天线、液晶显示器使用16x2的字符型LCD，以及作为调谐使用的编码电位器等，这部分的电路应用已是成熟技术。

2 音频音效处理与均衡技术

随着科学技术的不断发展，广播节目从采编、制作到传播、发送，都使用了较先进的技术设备，节目的质量也大为提高。虽然如此，接收天线与网络的匹配问题和音频信号在传输过程中的噪音和衰减问题仍然困扰着高保真音频享受技术的实现，这主要原因为工程师很少关心音频处理器的工作状态及设置问题。

广播音频信号在处理过程中存在很大的非线性，对音频处理设备来说，它不仅包括对信号的压缩、限制、削波、扩展等处理方式，而且还对音频处理设备安装的位置、引线长短，以及在高电磁场强辐射环境下抗干扰能力等方面都有严格的要求。

音频传播媒体特征，也即声波的物理特性，音频的记录和产生方式多种，主要包括模/数、数/模转换、数据压缩和声音合成等。音频数据的编辑处理方法也是多样，总的来说音频信号的处理方法大致可分为两类：一种是数字音频方式，另一种是分析-合成的方式。

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规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。模拟信号的曲线无论多复杂，在任一时刻t都可分解成一系列正弦波的线性叠加：

音频信号的频带越宽，所包含的音频信号分量越丰富，音质越好，动态范围越大，信号强度的相对变化范围越大，音响效果越好。如图1即为几种音频信号动态范围。

动态范围=20×log10（信号的最大强度/信号的最小强度）（dB）

图1 音频信号频响动态范围Fig.1 Frequency dynamic range of audio signal

由图中可以看出，3种音频信号的频域动态范围：

表1 典型信号频响动态范围Tab.1 Frequency dynamic range of typical signal

信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）是有用信号与噪声之比的简称。噪音可分为环境噪音和设备噪音。信噪比越大，声音质量越好。

PT2313L音频处理器内部主要由四部分电路组成。其中串行总线解码和锁存电路（Serial BusDecoder&Latchs）用于完成串行数据的接收、解码和锁存，并以其控制其余三部分电路。输人选择器和增益控制电路（Input Selector&Gain Control）主要完成对三路音响源的选择和对其增益的控制。音量和高响度 （重低音）、 低音、 高音电路（Volume&Loudness、Bass、Treble）由对称的左右两个声道电路组成，主要完成对音量大小、重低音、低音、高音的控制。音频处理器，又称为数字处理器。数字处理器就是对数字信号的处理，其内部的构普遍是由输入部分和输出部分组成，其中属于音频处理部分的功能一般如下：输入部分一般会包括，输入增益控制（INPUTGAIN），输入均衡（若干段参数均衡）调节（INPUT EQ），输入端延时调节（INPUT DELAY），输入极性（也就是大家说的相位）转换（input polarity）等功能。而输出部分一般有信号输入分配路由选择（ROUNT），高通滤波器（HPF），低通滤波器（LPF），均衡器 （OUTPUTEQ）， 极 性 （polarity）， 增 益 （GAIN）， 延 时（DELAY），限幅器启动电平等功能。

PT2313L音频处理器典型的音调（Typical Tone Response）频率响应曲线如图2所示，就音频处理器目前的技术水平来看，完全能满足高保真广播的要求，使经过加工后的声音听不到加工声，也就是说，在没有加工痕迹的情况下，仍然保留原声音的高品质，甚至比原声音更加悦耳、清晰、动听。

图2 PT2313典型的音调频率响应曲线Fig.2 Frequency response curve of PT2313 typical tone

3 AM/FM车载收音机的总体构建

基于前述主要器件的选择考虑，本文实现的低端车载收音机解决方案原理框图如图3所示。

图3 车载收音机控制电路原理框图Fig.3 Principle flow diagram of vehicle radio control circuit

由于IIC是一种多向控制总线，微控制器MC9S08QG8同时可以通过IIC接口对PT2313的内部寄存器进行读写操作（操作地址：读89H/写0x88H）。配置其内部串行总线解码和锁存电路（Serial BusDecoder&Latchs）用于完成串行数据的接收、解码和锁存，并控制输入选择器和增益控制电路（Input Selector&Gain Control）主要完成对三路音响源的选择和控制由对称的左右两个声道电路组成的音量和高响度（重低音）、低音、高音电路（Volume&Loudness、Bass、Treble），完成对音量大小、重低音、低音、高音的控制扬声器衰减和静音电路（Speaker Att、Mute）控制，可完成对送至左声道前部、后部，以及右声道前部、后部四路扬声器功放电路激励信号幅度大小的控制和关闭。同时微控制器MC9S08QG8通过一个通用I/O接口GPIO对TDA7388进行静音控制（待机控制Standby）。

微控制器MC9S08QG8对编码电位器进行读取，旋转编码电位器具有左转、右转、按下三个功能。4、5脚是中间按下去的开关接线1、2、3脚一般是中间 2脚接地，1、3脚上拉电阻后，当左转、右转旋纽时，在1、3脚就有脉冲信号输出了。MCU通过通用I/O接口GPIO完成对1、3脚脉冲计数，编码开关5脚接地，4脚上拉后与MCU中断请求 （IRQ）信号相连，IRQ脚会产生下降沿跳变[6]。IRQ产生后，微控制器即刻读取系统当前状态，确定是开机初始化调谐器并打开音效和唤醒功放，还是静音并让功放处于待机状态。

微控制器MC9S08QG8通过通用I/O接口GPIO完成与液晶显示器和按键的连接[7]，其中LCD数据线由MCU单独提供（共4线），LCD的控制线由MCU单独提供（共3线）。

BDM程序下载和在线调试仅占用MCU的单线1线，在设计之初是必须的，但当调试下载完成后，该引线也可当作普通I/O来使用或备用。

4 硬件电路的具体设计

根据前面器件选择和总体构建的考虑，本文完成的AM/FM车载收音机具体设计电路如图4。其中MC9S08QG8微控制器（MCU）的大部分管脚具有多重功能[8]，电路设计中，即以MC9S08QG8为控制核心，实现显示、调谐、音频音效、功放输出等各种控制。

这里的AM/FM车载收音机应用原理图分作3部分。第一部分是MC9S08QG8 MCU所需的基本连接。第二部分是TEF6621调谐器与天线接收电路，第3部分是由PT2313和TDA7388组成的音频处理和功率放大输出电路，第4部分是16x2 LCD和编码电位器的人机交互电路。

汽车电池标准电压为12/24 V，本文设计中，采用DC-DC电压调整电路输出1路9 V电压和1路5 V电压，微控制器、显示部分及其他低压外设部分供电为5 V数字电压，调谐器TEF6621和音效芯片PT2313供电为9 V电压，功放TDA7388采用汽车电池直接供电方式。MCU的时钟电路无需外接晶振，直接使用MCU内部自带的时钟；图中TEF6621调谐器、PT2313、TDA7388及它的外围电路使用数据手册提供的工作所需的最低硬件要求。MCU与TEF6621调谐器、PT2313的连接按照标准IIC方式连接，MCU为主机，TEF6621、PT2313为从机，由SDA、SCL信号线通过不同的从机地址对两个器件进行基础配置和操作，实现调谐与调音功能。

MCU的8K FLASH和512字节的存储器资源对于基本收音机控制是足够的，另外，如需在本系统基础上进行进一步功能扩展，造成片内资源紧张，Freescale公司还提供了pin-to-pin兼容的MC908QG16/32等低成本升级方案。

5 结 论

图4 AM/FM车载收音机硬件原理框图Fig.4 Principle flow diagram of AM/FM vehicle radio hardware

文中仅使用了一个Freescale MC9S08QG8低端微控制器，再加上集成单芯片AM/FM调谐器和音频功放电路及很少的一些连接线和硬件资源，已经具有完整具备调谐、调音及人机交互等功能的4x41W高品质低成本车载收音机，这说明车载多媒体应用并不一定总是需要高性能的微处理器和昂贵体积巨大的高保真处理音频器件，低端微控制器和单芯片调谐处理解决方案也能够满足车载收音多媒体系统基本要求，从而降低了车载音频解决方案的成本。同时，本文实现的车载收音机具有功耗低、元器件少、成本低、性能高、音效品质优、而且功能足的特点，是针对低端车辆车载收音机应用的一种精简解决方案。

[1]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法 [M].北京:清华大学出版社，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.单片机原理及应用-使用Freescale S12X构建嵌入式系统[M].北京:清华大学出版社，2012.

[7]任勇.基于MC9S08QG8低端微控制器的无线控制器设计[J].现代电子技术，2009（9）:52-55.

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

[8]王宜怀，刘晓升，等.嵌入式系统[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008.