基于PIC單片機的數(shù)碼虛擬環(huán)繞聲控制器設(shè)計方案

　　引言

　　在智能娛樂技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，消費者已經(jīng)普遍希望營造家庭影院的聲響效果。配置一套家庭影院音響系統(tǒng)，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5、6只音箱來表現(xiàn)聲像定位和營造環(huán)繞聲效果，不僅對室內(nèi)聲學(xué)特性、音箱擺放和聲音調(diào)校的要求較高，并且占用空間大，投資份額占到整個系統(tǒng)的一半以上，很難令廣大消費者接受。

　　隨著虛擬環(huán)繞聲技術(shù)的迅速發(fā)展和普及應(yīng)用，僅使用2只音箱就能實現(xiàn)以往5只音箱才能產(chǎn)生的符合DolbyPro-Logic或Dolby Digital(AC-3)標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)繞聲場，有效地解決了家庭影院音響系統(tǒng)投資大、占地面積大的問題。本文設(shè)計了基于PIC單片機的數(shù)碼虛擬環(huán)繞聲控制器，提供一種具有較高性價比、使用方便的紅外遙控數(shù)碼虛擬環(huán)繞聲控制平臺。該控制器具備很高的實用價值，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(tǒng)設(shè)計是很重要的，選型基本原則是資源夠用、性價比高、穩(wěn)定易用。PIC16C57作為Microchip公司較早推出的PIC單片機，具有高速度、低價格、低功耗、抗干擾性強、易于開發(fā)使用等眾多優(yōu)點，在家電、儀表、工控、終端外設(shè)等方面的表現(xiàn)尤為突出。PICl6C57內(nèi)置2K×12位EPROM、72字節(jié)RAM空間、1個定時器、看門狗，以及獨立的數(shù)據(jù)和程序存儲器總線。高性能的RISC結(jié)構(gòu)決定它比一般的單片機更簡單實用，符合選型要求。

　　I／O端口作為與外圍電路連接的通道，也是選型時考慮的重點。其端口數(shù)量除了滿足本設(shè)計要求之外，還應(yīng)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(jié)構(gòu)為CMOS互補推挽電路，驅(qū)動能力強。

　　1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。TV、RADIO、CD、VCD／DVD等音源輸入到數(shù)碼虛擬環(huán)繞聲控制器中，通過音源選擇、解碼、虛擬處理變成兩聲道，輸出至后續(xù)的AV功放或有源音箱。

　　控制器由PIC16C57單片機、音量音調(diào)調(diào)節(jié)電路、虛擬環(huán)繞聲電路、紅外遙控電路、鍵盤及VFD顯示屏電路構(gòu)成，其硬件電路框圖如圖2所示。(L1，R1)…(L4，R4)為4組輸入音源，F(xiàn)L、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(yīng)輸出，用戶可通過多只音箱進行多種組合來實現(xiàn)5.1聲道環(huán)繞聲效果。

　　系統(tǒng)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(diào)調(diào)節(jié)電路、鍵盤、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(diào)節(jié)電路的I2C接口連接，RC0～RC2三位I／O與音量音調(diào)調(diào)節(jié)電路的SPI接口相連，狀態(tài)指示LED直接由I／O口驅(qū)動；同時，I／O端口接收紅外命令和檢測按鍵，并控制VFD顯示模塊實現(xiàn)狀態(tài)顯示。

　　2 功能模塊設(shè)計

　　2.1 虛擬環(huán)繞聲電路

　　家庭影院音響系統(tǒng)的核心之一是環(huán)繞聲技術(shù)。本設(shè)計采用的虛擬環(huán)繞聲技術(shù)能對多聲道的信號進行虛擬處理，在兩個平行放置的音箱中回放出來，讓人感覺到環(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。通過大量聽音測試實驗，在聲音流暢性和準(zhǔn)確度、對話可懂度、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(tǒng)。

　　武漢力源電子有限公司推出的PS8888是采用了由QSound實驗室開發(fā)并專有的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、臨場感等方面的表現(xiàn)不亞于真實多音箱系統(tǒng)，效果很好。

　　PS8888內(nèi)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)繞聲場可通過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，通過上拉電阻與PICl6C57的I／O口相連。

　　2.2 音量音調(diào)調(diào)節(jié)電路

　　音源切換、音量、音調(diào)、平衡的調(diào)節(jié)等均采用模擬器件來實現(xiàn)。本設(shè)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(shù)字化控制。PS8889是包含一個4路音源輸入選擇器的可編程音量音調(diào)控制器，調(diào)節(jié)方便準(zhǔn)確。它能切換4種音源并針對不同的聲源分別設(shè)置不同級別的增益，同時在降低L／R誤差、步進誤差、串?dāng)_以及最大衰減等方面都能體現(xiàn)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(nèi)部的過零檢測使開關(guān)噪聲僅為5μVrms，音量調(diào)節(jié)范圍為0～-∞dB，還能對音調(diào)進行±12 dB的調(diào)整控制。

　　PS8889芯片在控制器設(shè)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行音效處理；然后再返回PS8889芯片，進行音量、音調(diào)等控制。電路如圖5所示，(L1，R1，)…(L4，R4)為4組音源輸入，通過選擇器輸出一組FLI、FRI至虛擬環(huán)繞聲電路，經(jīng)虛擬處理后返回進行音量、音調(diào)等控制；PS8889提供了3根串行控制線(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(shè)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(diào)試簡單、綠色環(huán)保等特點，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，編碼電路輸出一幀紅外數(shù)據(jù)(由1個引導(dǎo)碼、16位地址碼、8位數(shù)據(jù)碼、8位數(shù)據(jù)反碼構(gòu)成)，其數(shù)據(jù)輸出波形請參看參考文獻[7]。對紅外信號的接收，實際上是把紅外信號轉(zhuǎn)換成TTL信號的過程，現(xiàn)在普遍采用集成度比較高的一體化接收頭來處理，隨后將轉(zhuǎn)換后的TTL信號輸入PIC16C57的I／O口進行解碼。本設(shè)計采用紅外遙控系統(tǒng)中專用的發(fā)射集成芯片BL6121作為編碼電路，解碼則直接在軟件設(shè)計中運用查詢的方法進行。

　　2.4 鍵 盤

　　常用的鍵盤接口有獨立式、行列式等設(shè)計方法。本系統(tǒng)中采用交互式鍵盤方式，在鍵數(shù)相同情況下占用的I／O線少，節(jié)省資源。如圖6所示，RB0～RB5通過上拉電阻接至鍵盤，每個I／O口既作輸入行又作輸出列，輸人輸出交互使用，構(gòu)成6行6列。在行列線每個獨立(不重復(fù))的交點上，設(shè)置一個按鍵，即任意I／O線之間均接一個按鍵。當(dāng)某一口線輸出低電平時，其他I／O線均讀入鍵信息，軟件設(shè)計采用循環(huán)查詢的方法進行按鍵判斷。

　　3 系統(tǒng)整體實現(xiàn)

　　系統(tǒng)完成的主要操作包括：判斷處理按鍵，接收紅外遙控碼，設(shè)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集成開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)軟件編程。主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化后，讀按鍵操作并判斷接收紅外信號是否正確，根據(jù)按鍵及紅外信號的解碼情況轉(zhuǎn)到各功能子程序。對PS8889、PS8888的控制也采用多個子程序，如音源切換子程序、音量調(diào)節(jié)子程序、高音調(diào)節(jié)子程序、低音調(diào)節(jié)子程序、平衡調(diào)節(jié)子程序、虛擬／直通控制子程序等。使用時分別調(diào)用，同時VFD顯示器把系統(tǒng)運行的狀態(tài)實時地顯示出來。整個軟件采用模塊化設(shè)計，可讀性強，維護升級方便。

　　4 總 結(jié)

　　本設(shè)計中采用虛擬環(huán)繞聲電路對解碼后的多聲道信號進行虛擬環(huán)繞聲處理，通過2個聲道輸出，聲音定位精確，用戶僅用2只音箱就能享受到5聲道的音響樂趣；音源切換、音量、音調(diào)、平衡、響度等調(diào)節(jié)均采用數(shù)字方式控制，所有操作均可由紅外遙控完成。整個系統(tǒng)集成度高、可靠性好、性價比高，具有理想的音響效果；更重要的是，無需對現(xiàn)有音響條件進行改造，即可實現(xiàn)家庭影院般的音響效果。