一种低成本高性能拉杆箱音响的电子方案设计

封昭迪

摘要：拉杆箱音响是一种大功率，相对便携的，对音质需求较高，功能多元化，使用足够便利的可以满足人们商业活动和娱乐休闲的音响类产品。但是目前传统的设计方案无法同时满足高性能和低成本的产业化需求。针对当前拉杆箱音响的发展情况，研究了市场上对此类产品的需求，结合当前大多数工厂的产业化能力，提出了—种新的电子方案设计，采用了高性能的DSP芯片以及主控芯片，在满足设计需求的基础上大幅度降低了成本。在评估可行性之后，对方案进行了多次验证与修改，目前已顺利完成量产，实现了此方案的产业化需求。

关键词：拉杆箱音响 高性能 低成本 DSP 电子

—、引言

随着社会不断进步，广大人民群众对物质精神文化生活质量的需求在不断提高。拉杆箱音响作为一种兼具便携性与功率要求的音响类产品顺理成章的走入了我们的生活中。其应用场景主要有商场，家庭聚会，大型广场活动以及独立歌手演出等。为了满足人们日常娱乐以及商业活动的需要，亟需设计一种可以实现产业化的，高

经过了严谨的分析以及不断的验证。最终确定了方案。本文将针对这种电子方案从选型和设计两部分同时进行讨论与介绍。

二、整体流程架构介绍

（一）系统流程图

（二）主控部分

主控部分的核心选用的是ATS2825，辅以外围的音频输入部分，显示部分，ADC按键输入部分，以及串口通信部分，作为整个系统中处于主导地位的存在，对外为用户提供交互界面以及操作终端，对内则是控制和联系其他部分的枢纽。

（三）麦克风信号输入部分

为了便于用户操作，麦克风这里采用了有线话筒+无线话筒共用的方案，将有线话筒与U段无线话筒的输入并在一起输入给WM8988。U段话筒具有音质好、抗干扰性强、支持跳频以避免相互之间干扰以及传输距离相对较远的特点。

（四）音频处理部分

音频处理部分则主要由三部分组成。分别是负责和主控芯片通信。处理旋钮功能以及控制DSP芯片的新唐M0516、负责对音频进行各种复杂处理的HC5155D芯片和输出给功放部分的高性能AD/DA芯片WM8988。

（五）功率放大部分

从WM8988输出的信号和乐器输入的信号经过混合后首先经过4558放大，再进入TPA3255二次放大，最后输出给扬声器。

三、电子方案软硬件原理详细介绍

（一）主控部分

1.主控芯片介绍

ATS2825是一颗高集成度的蓝牙音频解决方案Soc，具有高性能，低成本和低功耗等特点。原厂提供了标准SDK可供使用者按照自己的实际需求进行开发，内部使用μC/OS Ⅱ操作系统，封装成类似Linux的结构。熟悉Linux系统开发的工程师可以轻松的上手。

2.音源输入

ATS2825支持蓝牙输入，音频输入，以及USB和SD卡输入，只要将外围器件连接好。在内部就可以通过切换应用的方式来选择音源当相应的应用被选中时，对应的输入就会被选中，从IC的输出口进行输出，因为后级的DSP采用数字输入，所以这里将ATS2825的输出设置为数字12S输出。

3.显示部分

显示部分采用了一块段位液晶显示屏具体示意图如下：

此屏幕可以显示出各种状态，并且显示效果较市面上常见的LED数码管要好得多。为了节省IO口线，这里采用了一颗HT1621芯片来进行驱动。ATS2825可以方便的通过4条控制线和HT1621进行通信，分别是/CS，/RD，/WR，DATA。其中/CS为片选口，只有当此引脚拉低时才可以和HT1621进行通信。/RD和/WR分别是写数据操作和读数据操作的时钟脉冲信号，以上三条信号均由ATS2825产生，DATA线则较为特殊，做读写数据操作时，一条完整的data数据由3位命令字+6位地址字+4位数据字组成，其中读或写的模式由命令字决定，对LCD进行设置的话，一条完整的data数据由3位命令字+9位命令字组成，设置指令命令字固定为100，而具体的设置内容则由9位命令字来决定。

4.按键

物理按键采用电阻分压的方式接入ATS2825，这样当每个按键或者是不同的组合按键按下时，主控IC的ADC输入口检测到的電压值就会产生变化，这时就可以量化这些电压值为不同的数据进而加以判断是哪个按键或者是哪种组合键被按下。

5.通信

因为主控部分并不进行过音频方面的处理，所以需要将处理的内容传递给音频处理部分，并且要获得相关信息，通过将ATS2825和下面将要介绍的M0516LDN的UART口连接，并且制定好通信协议，就可以实现两部分控制与交互。

（二）音频处理部分

1.音频部分芯片介绍

M0516LDN（LQFP48）为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输入以及高达40个IO口。

HC5155D是一颗高性能低成本的专门为音频处理提供解决方案的定点音频处理芯片。适用于各种复杂的音效算法处理。可以针对音频进行多项调节，例如均衡调节，限幅控制等，支持麦克风的混响，回声，变调，防啸叫，闪避等功能。

WM8988是CIRRUS LOGIC开发的一款高性能AD/DA芯片。各项性能参数非常好，使用这颗IC可以有效的降低音频从DA过程中产生的噪声和失真。

2.旋钮

旋钮部分是针对音频的各种参数进行调节的，分别是音乐音量、音乐高音调节、音乐低音调节、麦克风高音调节、麦克风低音调节、麦克风回响调节、麦克风延迟调节，以及麦克风音量以及乐器输入音量调节。

需要说明的是，除了麦克风和乐器音量调节采用电位器直接控制的方式，其余旋钮均接入M0516LDN芯片的ADC输入口，通过此芯片来实时的读取电位器的电压值来判断旋钮的位置和动作。原因如下：

（1）高低音、回响延迟等功能并不能直接通过电位器实现，必须由DSP芯片来处理。这就要求必须由控制芯片检测到旋钮的动作和刻度来分析出需要执行的功能再控制DSP芯片进行操作。

（2）音乐音量的调节虽然可以直接通过电位器控制，但是这样就无法在屏幕上显示出音量的值。经过权衡，最终将音乐音量接入M0516LDN芯片。

M0516LDN芯片具有的8个通道12位分辨率的ADC输入口在这里不但满足了旋钮数量上的需求。而且在精度上也得到了保障。

3.音频处理部分

这里HC5155D接收到的信号来自两部分，一部分是从ATS2825输出的音乐信号，另一部分是麦克风输入经过WM8988转换而成的数字信号，因为麦克风输入本身是模拟信号，所以这里必须经过ADC转成数字信号。

接收到音频信号以后HC5155D就可以根据需求进行处理了。主要调节内容有均衡调节、输入灵敏度和输出限幅，麦克风的回响延迟调节、闪避以及人声消除功能等。最后再将分别处理过的音乐信号与麦克风输入信号进行叠加输出。

其中均衡直接影响着音频信号的频率响应，对音质的好坏起着决定作用。需要针对箱体结构、喇叭曲线等整体系统来调节，需要相当程度的电声知识。同时用户常见的摇滚，流行，古典等音效其实也是通过预置的不同均衡效果来实现的。

输入灵敏度和输出限幅则影响系统的輸出功率，输入灵敏度决定着标准信号在多大幅度输入时音响会达到设计上的满功率，而限幅则会限制HC5155D最大输出幅度，从而限制功放输出的最大功率。

麦克风回响，延迟功能则为用户提供了丰富的唱K效果，人声消除功能可以有效的消除音乐原声中人声所在的频段，实现只保留伴奏音乐的效果，而闪避功能则会采集麦克风信号的输入幅度，当麦克风输入信号达到一定阈值。则自动降低音乐通道的声音。

另外音乐和麦克风还分别有高音和低音的插件可供用户调节，以满足用户对不同音乐的需求，一般来说音乐的低频频段选在100Hz左右，高频选在10KHz，而麦克风的低音选在200Hz左右，高频选在4KHz左右。

（三）功率放大部分

这里采用两级放大。输出信号先经过运放4558进行一次放大之后再进ATPA3255再次放大。不但可以弥补TPA3255的放大倍数不足，而且还能够降低信号传输过程中的干扰。

除了麦克风输入之外，还设计了一个独立的乐器输入，因为此输入需要保证乐器原有的音质与音色，所以中间没有经过任何DSP处理。直接并AWM8988输出之后。