基于PIC單片機的數碼虛擬環(huán)繞聲控制器設計方案

　　引言

　　在智能娛樂(lè )技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，消費者已經(jīng)普遍希望營(yíng)造家庭影院的聲響效果。配置一套家庭影院音響系統，需要環(huán)繞聲處理器和較大功率的AV功放，并且至少有5或6只音箱。而通過(guò)5、6只音箱來(lái)表現聲像定位和營(yíng)造環(huán)繞聲效果，不僅對室內聲學(xué)特性、音箱擺放和聲音調校的要求較高，并且占用空間大，投資份額占到整個(gè)系統的一半以上，很難令廣大消費者接受。

　　隨著(zhù)虛擬環(huán)繞聲技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應用，僅使用2只音箱就能實(shí)現以往5只音箱才能產(chǎn)生的符合DolbyPro-Logic或Dolby Digital(AC-3)標準的環(huán)繞聲場(chǎng)，有效地解決了家庭影院音響系統投資大、占地面積大的問(wèn)題。本文設計了基于PIC單片機的數碼虛擬環(huán)繞聲控制器，提供一種具有較高性?xún)r(jià)比、使用方便的紅外遙控數碼虛擬環(huán)繞聲控制平臺。該控制器具備很高的實(shí)用價(jià)值，已成功運用于深圳某音響企業(yè)。

　　1 硬件方案

　　1.1 主控芯片的選擇

　　選擇一款合適的單片機對于嵌入式系統設計是很重要的，選型基本原則是資源夠用、性?xún)r(jià)比高、穩定易用。PIC16C57作為Microchip公司較早推出的PIC單片機，具有高速度、低價(jià)格、低功耗、抗干擾性強、易于開(kāi)發(fā)使用等眾多優(yōu)點(diǎn)，在家電、儀表、工控、終端外設等方面的表現尤為突出。PICl6C57內置2K×12位EPROM、72字節RAM空間、1個(gè)定時(shí)器、看門(mén)狗，以及獨立的數據和程序存儲器總線(xiàn)。高性能的RISC結構決定它比一般的單片機更簡(jiǎn)單實(shí)用，符合選型要求。

　　I／O端口作為與外圍電路連接的通道，也是選型時(shí)考慮的重點(diǎn)。其端口數量除了滿(mǎn)足本設計要求之外，還應有一定余量以便日后功能擴展。PIC16C57提供20位I／O端口(RA0～RA3、RB0～RB7、RC0～RC7)，端口結構為CMOS互補推挽電路，驅動(dòng)能力強。

　　1.2 系統結構設計

　　整體系統結構如圖1所示。TV、RADIO、CD、VCD／DVD等音源輸入到數碼虛擬環(huán)繞聲控制器中，通過(guò)音源選擇、解碼、虛擬處理變成兩聲道，輸出至后續的AV功放或有源音箱。

　　控制器由PIC16C57單片機、音量音調調節電路、虛擬環(huán)繞聲電路、紅外遙控電路、鍵盤(pán)及VFD顯示屏電路構成，其硬件電路框圖如圖2所示。(L1，R1)…(L4，R4)為4組輸入音源，FL、FR為處理后的輸出虛擬環(huán)繞聲，CI、RLI、RRI、SUBI為擴展多聲道輸入(如DVD聲道)，CO、RLO、RRO為對應輸出，用戶(hù)可通過(guò)多只音箱進(jìn)行多種組合來(lái)實(shí)現5.1聲道環(huán)繞聲效果。

　　系統中與PIC16C57相連的外圍電路模塊有虛擬環(huán)繞聲電路、音量音調調節電路、鍵盤(pán)、紅外遙控模塊、VFD顯示模塊及狀態(tài)指示電路，如圖3所示。I／O端口資源使用情況如表1所列。其中，RB6、RB7和虛擬環(huán)繞聲調節電路的I2C接口連接，RC0～RC2三位I／O與音量音調調節電路的SPI接口相連，狀態(tài)指示LED直接由I／O口驅動(dòng)；同時(shí)，I／O端口接收紅外命令和檢測按鍵，并控制VFD顯示模塊實(shí)現狀態(tài)顯示。

　　2 功能模塊設計

　　2.1 虛擬環(huán)繞聲電路

　　家庭影院音響系統的核心之一是環(huán)繞聲技術(shù)。本設計采用的虛擬環(huán)繞聲技術(shù)能對多聲道的信號進(jìn)行虛擬處理，在兩個(gè)平行放置的音箱中回放出來(lái)，讓人感覺(jué)到環(huán)繞聲的效果。虛擬環(huán)繞聲技術(shù)中比較有名的為SRS公司的TruSurround、QSound公司的QSurround以及Aureal公司的A3D等方案。通過(guò)大量聽(tīng)音測試實(shí)驗，在聲音流暢性和準確度、對話(huà)可懂度、聲像定位精確度等方面的比較，QSound公司的QSurround是聲音定位、空間感和包圍感最好的系統。

　　武漢力源電子有限公司推出的PS8888是采用了由QSound實(shí)驗室開(kāi)發(fā)并專(zhuān)有的QSurround技術(shù)的一款功能強大的虛擬環(huán)繞聲處理芯片。用它進(jìn)行音箱的虛擬定位，可維持原有的保真度，處理后的虛擬環(huán)繞聲音色均勻性、臨場(chǎng)感等方面的表現不亞于真實(shí)多音箱系統，效果很好。

　　PS8888內置16種處理模式，不僅具有空間環(huán)繞定位效果增強式的回放，而且能夠提高聲道分離度。它產(chǎn)生的虛擬環(huán)繞聲場(chǎng)可通過(guò)2、3、4、5、5.1聲道輸出，并且具有直通和效果增強兩種模式輸出。其外圍電路連接圖如圖4所示。FLI、FRI為音源選擇輸入信號；經(jīng)虛擬處理后的FLO、FRO輸出至音量控制電路；CI、SUBI、RLI、RRI為擴展聲道輸入，CO、RLO、RRO為擴展聲道輸出，主要針對DVD視盤(pán)機輸出的Dolby環(huán)繞4聲道或5.1聲道信號；SCL、SDA為I2C引腳，通過(guò)上拉電阻與PICl6C57的I／O口相連。

　　2.2 音量音調調節電路

　　音源切換、音量、音調、平衡的調節等均采用模擬器件來(lái)實(shí)現。本設計選用武漢力源電子股份有限公司推出的高集成度芯片PS8889，一片芯片就可完成上述功能的數字化控制。PS8889是包含一個(gè)4路音源輸入選擇器的可編程音量音調控制器，調節方便準確。它能切換4種音源并針對不同的聲源分別設置不同級別的增益，同時(shí)在降低L／R誤差、步進(jìn)誤差、串擾以及最大衰減等方面都能體現了優(yōu)良的性能，并對于低頻或高頻段均具有激發(fā)并增大響度的功能?？傊C波失真(THD)為0.002％，其內部的過(guò)零檢測使開(kāi)關(guān)噪聲僅為5μVrms，音量調節范圍為0～-∞dB，還能對音調進(jìn)行±12 dB的調整控制。

　　PS8889芯片在控制器設計中作為兩部分使用：在輸入選擇器和音量控制器之間接入虛擬處理芯片，使得4路音源經(jīng)選擇器選擇1路信號，送至虛擬處理芯片進(jìn)行音效處理；然后再返回PS8889芯片，進(jìn)行音量、音調等控制。電路如圖5所示，(L1，R1，)…(L4，R4)為4組音源輸入，通過(guò)選擇器輸出一組FLI、FRI至虛擬環(huán)繞聲電路，經(jīng)虛擬處理后返回進(jìn)行音量、音調等控制；PS8889提供了3根串行控制線(xiàn)(DATA，CLK和STB)，方便與PIC16C57的I／O口RC0～RC2連接。PS8889的輸出可以把L、R信號分成FL(前左)、RL(后左)和FR(前右)、RR(后右)，并可分別控制音量。本設計中只需FL和FR兩路輸出，接至有源音箱。

　　2.3 紅外遙控電路

　　紅外遙控電路具有互不干擾、電路調試簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，是家用電器中廣泛使用的遙控方式。它包括編、解碼兩部分。發(fā)射紅外信號時(shí)，編碼電路輸出一幀紅外數據(由1個(gè)引導碼、16位地址碼、8位數據碼、8位數據反碼構成)，其數據輸出波形請參看參考文獻[7]。對紅外信號的接收，實(shí)際上是把紅外信號轉換成TTL信號的過(guò)程，現在普遍采用集成度比較高的一體化接收頭來(lái)處理，隨后將轉換后的TTL信號輸入PIC16C57的I／O口進(jìn)行解碼。本設計采用紅外遙控系統中專(zhuān)用的發(fā)射集成芯片BL6121作為編碼電路，解碼則直接在軟件設計中運用查詢(xún)的方法進(jìn)行。

　　2.4 鍵 盤(pán)

　　常用的鍵盤(pán)接口有獨立式、行列式等設計方法。本系統中采用交互式鍵盤(pán)方式，在鍵數相同情況下占用的I／O線(xiàn)少，節省資源。如圖6所示，RB0～RB5通過(guò)上拉電阻接至鍵盤(pán)，每個(gè)I／O口既作輸入行又作輸出列，輸人輸出交互使用，構成6行6列。在行列線(xiàn)每個(gè)獨立(不重復)的交點(diǎn)上，設置一個(gè)按鍵，即任意I／O線(xiàn)之間均接一個(gè)按鍵。當某一口線(xiàn)輸出低電平時(shí)，其他I／O線(xiàn)均讀入鍵信息，軟件設計采用循環(huán)查詢(xún)的方法進(jìn)行按鍵判斷。

　　3 系統整體實(shí)現

　　系統完成的主要操作包括：判斷處理按鍵，接收紅外遙控碼，設置PS8889和PS8888芯片，狀態(tài)指示及VFD顯示等。利用Microchip公司提供的MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現軟件編程。主程序流程如圖7所示。系統初始化后，讀按鍵操作并判斷接收紅外信號是否正確，根據按鍵及紅外信號的解碼情況轉到各功能子程序。對PS8889、PS8888的控制也采用多個(gè)子程序，如音源切換子程序、音量調節子程序、高音調節子程序、低音調節子程序、平衡調節子程序、虛擬／直通控制子程序等。使用時(shí)分別調用，同時(shí)VFD顯示器把系統運行的狀態(tài)實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。整個(gè)軟件采用模塊化設計，可讀性強，維護升級方便。

　　4 總 結

　　本設計中采用虛擬環(huán)繞聲電路對解碼后的多聲道信號進(jìn)行虛擬環(huán)繞聲處理，通過(guò)2個(gè)聲道輸出，聲音定位精確，用戶(hù)僅用2只音箱就能享受到5聲道的音響樂(lè )趣；音源切換、音量、音調、平衡、響度等調節均采用數字方式控制，所有操作均可由紅外遙控完成。整個(gè)系統集成度高、可靠性好、性?xún)r(jià)比高，具有理想的音響效果；更重要的是，無(wú)需對現有音響條件進(jìn)行改造，即可實(shí)現家庭影院般的音響效果。