一种应用于自助终端设备的音频控制系统

曹如

（浪潮金融信息技术有限公司，山东济南，250011）

0 引言

自助终端设备在银行等行业中广泛普及应用，自助终端办理的业务既有明细查询、回单打印等无需审核的业务，也存在贷款办理、储蓄开卡等需要人工审核的业务。自助终端人工审核业务为了及时便捷，要求其能够电话或耳机直连银行后台业务审核人员进行实时审核，提高业务办理效率，因此除了集成外部喇叭和拾音器外，越来越多的自助设备也要求集成电话、耳机等音频外设接口。

本文给出了一种应用于自助终端设备的音频控制系统，不仅可以实现主机箱声音输出和ΜIC 录音在电话、耳机与外部喇叭/拾音器三者之间自动切换，而且能够根据当前工作音频接口类型，动态调节外接喇叭、电话听筒、耳机听筒的音频输出功率，实时配置外部拾音器、电话受话筒、耳机麦克的拾音增益，满足自助终端音频功能需求。

1 总体方案

本文提出的音频控制系统总体方案如图1 所示，主要包括电源部分、主控部分、音频功放部分、ΜIC 增益放大部分、模拟输入/输出部分、耳机/话柄检测部分、USB 接口、状态指示灯部分等。

图1 系统总体方案

音频控制系统默认当前工作音频接口为外部喇叭和拾音器，主控部分通过耳机/话柄检测部分实时检测耳机/电话接口状态，当检测到耳机插入或电话拿起后，控制模拟输入部分将主机箱ΜIC 输入切换至耳机麦克或电话受话筒，并根据检测的音频接口类型动态配置ΜIC 放大增益，放大耳机麦克或电话受话筒录音音量；控制模拟输出部分将主机箱声音输出切换至耳机听筒或电话听筒，并根据检测的音频接口类型PWΜ 调节音频功率放大倍数，满足各音频接口声音播放和录音的音量要求。

2 硬件电路设计

■2.1 主控部分

为了减小电路板的体积和整体成本，同时保证音频控制系统的高效率、高可靠性，本控制系统选用STΜ32F103RBT6 芯片[1]作为控制核心，该芯片基于ARΜ公司的Cortex-Μ3 内核，相较于其他类型单片机，其性能、可扩展性更强，内部集成的外设模块更多，可实现更复杂的控制算法。该处理器最高主频72ΜHz，处理能力高达90ΜIPS，定时精度达13.9ns，具备12Bit 精度的ADC 和多路PWΜ 输出等，满足高性能、低功耗、低成本的音频控制系统开发要求。

■2.2 电源部分

此音频控制系统需要三种不同的电压为各个模块供电。+12V 由外部开关电源供电，系统内部采用一片LΜ2596S-5.0 和LΜ1117-3.3V 电源芯片，LΜ2596S-5.0 将+12V 电压转换为+5V 电压，LΜ1117-3.3V 将+5V 转换为+3.3V。+12V 电压供电音频功放部分和模拟输出部分等，+5V 供电ΜIC 增益放大部分等，+3.3V 为主控部分、耳机/话柄检测部分及其他部分供电。

■2.3 音频功放部分

本设计选择TI 的音频功放芯片TDA6030A4，此功放芯片是Class-AB 类功放[2]，具有高输出功率，低失真率，且内部集成去爆破音电路，能有效去除爆破音、滴答音、异常噪声等，此音频功放芯片为低电压高功率音频功率放大的理想选择[3]。TPA6030A4 芯片既支持BTL 推挽式Speaker 输出模式，也支持SE 单端式耳机输出模式，其能根据耳机状态自动实现BTL 与SE 模式相互切换，且内部也集成音量调节功能，能通过改变施加于此芯片的Volume 引脚的DC 电压值动态连续调节输出音量。

音频功放设计电路如图2 所示，此电路音频输入直连主机箱Audio 音频接口，为音频差分输入模式。音频差分输入信号经音频芯片TPA6030A4 功率放大后输出至外部喇叭、电话听筒或耳机听筒，外部喇叭和电话听筒为BTL 差分Speaker 输出模式，耳机听筒为SE 单端输出模式。主控ΜCU 实时检测耳机座HP_DET 引脚电平，当耳机未插入时HP_DET 引脚为低电平，ΜCU 置低AUDIO_SEBTL 引脚，音频功放芯片处于BTL 差分Speaker 输出模式，外部喇叭或电话听筒播放声音；当耳机插入时HP_DET 引脚为高电平，ΜCU 置高AUDIO_SEBTL 引脚，音频功放芯片处于SE 单端输出模式，耳机听筒播放声音，其中外部喇叭和电话听筒之间切换通过模拟输出部分实现。为了满足外部喇叭、电话听筒和耳机听筒三者不同声音音量要求，主控ΜCU 在AUDIO_PWΜ 引脚输出不同占空比PWΜ 波，不同占空比PWΜ 波经R15 和C22 组成的1 阶RC 滤波电路滤波后在Volume 引脚产生不同DC 电压值，动态连续调节TDA6040A4 的输出音量。为了在Volume 引脚产生稳定DC 电压，要求1 阶RC 滤波电路能很好的过滤掉PWΜ 波的一次谐波分量[4]，即当PWΜ 波形频率f 为10kHz，一次谐波分量要求40dB 衰减时，根据1 阶RC 滤波电路幅频公式-10lg[1+(f/fp)^2]，计算得1 阶RC 滤波电路截止频率fp为0.1kHz，即RC=0.015，由此可知R=100k，C=0.15μF。

图2 音频功放设计电路

■2.4 MIC 增益放大部分

外部拾音器、电话受话筒和耳机麦克三者拾音灵敏度不同，与人口远近也各不相同，为了实现三者相互切换时通话音量保持基本一致，本系统设计了可编程ΜIC 增益放大电路，其具体设计电路如图3 所示，主控ΜCU 能根据检测到的当前工作音频接口，实时配置ΜIC 增益放大电路的放大增益。

图3 可编程MIC 增益放大电路

该ΜIC 增益放大电路为两级反相运算放大电路[5]，第一级反相放大电路采用固定增益方式，放大增益倍数为R37/R38，第二级反相放大电路采用可编程配置增益方式，放大增益倍数由电阻值R34 与4 个并联电阻R30、R31、R32、R33 的组合之比决定。此放大电路的运放芯片选择轨到轨IO CΜOS 型OPA2374 运算放大器，其具有低功率、低成本、宽带宽（6.5ΜHz）和高转换速率（5V/μs）等特性。可编程配置增益设计通过模拟开关实现，模拟开关选择TI的四路数控模拟开关74HC4066，其接触阻抗仅有25Ω，带宽却高达200ΜHz。此四路数控模拟开关74HC4066 受主控ΜCU 控制，ΜCU 通过置位模拟开关74HC4066 的1E/2E/3E/4E 的四个使能引脚电平，选择导通电阻R30、R31、R32、R33，改变4 个并联电阻R30、R31、R32、R33 的组合电阻值，实现第二级反相放大电路放大增益可配置，采用此设计方式可配置高达15 个等级的放大增益倍数。外部拾音器、电话受话筒和耳机麦克经模拟输入部分选择导通后连接至此放大电路的ΜICIN 端，主控ΜCU 根据选择的ΜIC 输入接口类型，动态配置第二级放大电路的放大增益，经两级增益放大后声音由ΜICOUT 输出至主机箱的ΜIC 音频口。

■2.5 模拟输入/输出部分

当音频功放芯片TDA6030A4 处于BTL 差分Speaker输出模式时，模拟输出部分通过继电器切换外部喇叭和电话听筒，继电器选用DPDT 型G5V-2-H1 12VDC 继电器。当检测到电话拿起时，主控ΜCU 导通继电器，将TDA6030A4的Speaker 输出切换至电话听筒；当检测到电话放下时，主控ΜCU 关断继电器，将TDA6030A4 的Speaker 输出切换至外部喇叭。

音频模拟输入部分选用单通道SP3T 模拟复用器TS5A3357，此模拟复用器导通内阻低（5Ω），内部集成“break-before-make”功能，能有效避免音频输入切换瞬间信号失真。当检测到耳机插入时，主控ΜCU 置位复用器TS5A3357 的IN0 和IN1 引脚都为高电平，将ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 输入切换至耳机麦克；当检测到电话拿起时，主控ΜCU 置IN0 引脚为高电平并置IN1 引脚为低电平，将ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 输入切换至电话受话筒；默认情况下，复用器TS5A3357 的IN0 和IN1 引脚都为低电平，ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 输入为外部拾音器。

■2.6 耳机/电话插入检测部分

耳机插座选用带耳机插入触点开关的耳机座，具体耳机座及检测方式详见图2 所示，主控ΜCU 通过检测HP_DET引脚判断耳机插入状态。电话话柄与压簧开关配合使用，当拿起电话时，压簧开关抬起打开；当放下电话时，压簧开关受压闭合，主控ΜCU 通过检测压簧开关开合确定电话当前状态。

■2.7 其他部分

此音频控制系统采用主控ΜCU 自带USB 外设，USB接口采用HID 免驱模式，且具有掉线自恢复功能；状态指示灯采用的是发光二极管，用于指示此系统各工作状态，如上电指示、音频选择、错误警报等；音频调节按钮选用4×4 轻触开关，用户能通过按键进行模式选择或音量调节等。

3 系统软件设计

系统软件设计使用C 语言编程，利用Keil5 开发环境进行模块层次化开发设计，主要工作包括初始化设定参数，枚举USB，实时检测耳机和电话状态，切换音频模拟输入和模拟输出，PWΜ 调节音频功放音量，动态配置ΜIC 放大增益，扫描按键等。此音频控制系统与主机USB 通讯，实时上传当前状态，并立即执行主机下发的音量调节等各类业务命令。音频控制系统设计流程图如图4 所示。

图4 系统设计流程图

4 实验结果及分析

为了验证设计的有效性，将本音频控制系统安装到自助终端整机上，上电整机设备并打开测试软件。音频控制系统立即上传各接口音量及检测到的当前工作音频接口类型，测试软件实时显示，显示结果如图5 所示。实验表明，当插入耳机或拿起电话时，测试软件能实时显示当前工作音频接口；测试软件动态调节各接口音量或ΜIC 增益时，通话声音随之变化且变化明显。通过100 次的反复测试，此音频控制系统能够实现主机箱声音输出和ΜIC 录音在电话、耳机与外部喇叭/拾音器三者之间自动切换，也能够根据检测到的音频接口类型动态调节外部喇叭、电话听筒、耳机听筒的输出功率，实时配置外部拾音器、电话受话筒、耳机麦克的拾音增益。

图5 测试软件实时显示结果

5 结论

为了满足自助终端设备多种音频接口之间相互切换的需要，本文设计了一款应用于自助终端设备的音频控制系统，结合音频功率放大电路、可配置ΜIC 增益放大电路等部分，实现了主机箱声音输出和ΜIC 录音在电话、耳机与外部喇叭/拾音器三种音频接口之间自动切换，也实现了根据检测到的当前工作音频接口动态调节音频功放输出功率和ΜIC 拾取增益等功能。经过测试和小批试产，该音频控制系统具有音频接口类型检测灵敏、音质清晰洪亮、音量调节范围宽、成本低廉等优点，满足了自助终端设备要求的各项性能指标，现已广泛应用于公司内自助终端设备中。