第第II基于WM8978的數(shù)字音頻系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計目錄論文總頁數(shù)：49頁TOC\o"1-3"\h\u3797引言 220991相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ) 515651.1音頻技術(shù) 5167731.1.1從模擬到數(shù)字 5220861.1.2壓縮編碼 7204171.1.3數(shù)字音頻接口 8220241.2均衡器技術(shù) 12238721.2.1發(fā)展歷程 12253161.2.2技術(shù)原理 139592硬件設(shè)計方案 16165812.1系統(tǒng)框圖 16194882.2主控單元 16161852.2.1時鐘和復(fù)位電路 17207672.2.2調(diào)試和電源電路 1966052.3均衡器單元 21176122.3.1電源電路 22297322.3.2接口電路 22222222.4系統(tǒng)電源 2360602.5音頻功放單元 24106763軟件設(shè)計方案 2620843.1總體流程 26143103.2文件讀取 26279993.3軟解解碼 28196903.4數(shù)據(jù)傳輸 299793.5音效處理 3077164系統(tǒng)調(diào)試和測試 3248644.1硬件電路調(diào)試 3281134.1.1系統(tǒng)組裝及調(diào)試環(huán)境搭建 324214.1.2電源電路調(diào)試及性能測試 33121274.1.3音頻回路調(diào)試 35325474.2軟件調(diào)試 37170674.2.1軟件工程搭建 37262454.2.2測試音頻合成 38232544.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 397356結(jié)論 4132558參考文獻 4219386附錄一原理圖和PCB圖 455105附錄二關(guān)鍵程序 46

引言均衡器種類繁多，常用的有參數(shù)均衡器和圖形均衡器，參數(shù)均衡器可以自由設(shè)定中心頻率、Q值和增益三個參數(shù)；而圖形均衡器通常將20Hz到20kHz劃分為數(shù)個固定中心頻率和Q值的固定頻段，只需要簡單調(diào)節(jié)各頻段的增益即可實現(xiàn)均衡器功能，是目前市面上最普遍使用的均衡器。通過DSP運行算法可以設(shè)計出特定參數(shù)的數(shù)字濾波器，然后將所設(shè)計各個濾波器進行級聯(lián)構(gòu)成均衡器，然而數(shù)字濾波器的各項參數(shù)運算復(fù)雜且運算量通常很大，需要反復(fù)仿真以確定帶寬和增益等各項參數(shù)；本文采用的WM8978是一個集成5-band圖形均衡器的CODEC，該圖形均衡器設(shè)計靈活，在每個band內(nèi)都有5個中心頻率點可供選擇，中間的3個帶通濾波器支持平坦和窄帶兩種調(diào)節(jié)帶寬模式，并且擁有-12dB到+12dB的增益調(diào)節(jié)范圍。使用WM8978可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和大量的仿真實驗，高效且低成本地實現(xiàn)各種數(shù)字音頻系統(tǒng)。在電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的促進下數(shù)字音頻系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代音響技術(shù)最熱門的領(lǐng)域之一，這讓許多研究機構(gòu)和音響公司都在這個領(lǐng)域不斷嘗試與創(chuàng)新，展現(xiàn)出了一幅百家爭鳴百花齊放的盛世局面。均衡器是數(shù)字音頻系統(tǒng)的基石，最初的均衡器都是采用模擬電路或者建筑聲學(xué)的方式來實現(xiàn)，模擬電路僅能實現(xiàn)簡單的音樂風(fēng)格，而且體積大、成本高、精度低、對環(huán)境敏感、抗噪聲能力弱和靈活性低；而采用建筑聲學(xué)的方式過于麻煩。通過數(shù)字音頻系統(tǒng)對音頻信號進行均衡處理，可以很容易就實現(xiàn)原來那些只能通過模擬技術(shù)或者建筑聲學(xué)實現(xiàn)的音頻效果，還能彌補模擬信號處理造成的各種問題。均衡器既可以使用DSP運行復(fù)雜的算法實現(xiàn)也可以通過搭建嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)，兩者在處理效果上不分伯仲，但是在設(shè)計難度上DSP方案涉及大量的數(shù)字信號處理知識和算法設(shè)計工作，難度大周期長；而WM8978內(nèi)部集成了均衡器，僅需搭建MCU+WM8978的嵌入式系統(tǒng)，通過編程改變均衡器的頻帶參數(shù)和增益參數(shù)即可實現(xiàn)令人滿意效果，還可以減小設(shè)計難度縮短設(shè)計周期。

相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)音頻技術(shù)從模擬到數(shù)字隨時間連續(xù)變化的信號一般稱作模擬信號，自然界存在的信號都是模擬信號，要對音頻信號做均衡效果處理，就需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將原始音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼。最常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換是脈沖編碼調(diào)制(PulseCodeModulation，簡稱PCM)方式REF_Ref27464\pREF_Ref27464\w[1]，這也是最簡單的波形編碼方式，PCM編碼過程如圖所示。圖1.1PCM編碼過程根據(jù)奈奎斯特－香農(nóng)采樣定理，采樣頻率至少等于原始模擬信號中最高頻率的兩倍時才能將原始信號的頻率分量完整還原出來。在20Hz~20kHz的人耳聽覺范圍內(nèi)，標準CD的采樣頻率為44.1kHz，能采樣的最高信號頻率為22.05kHz，故CD所記錄的數(shù)字信號能還原出人耳范圍內(nèi)的頻率成分。實際應(yīng)用中出于還原完整度的考慮，所采用的采樣頻率一般為原始信號頻率的2.5到4倍。采樣率品質(zhì)級別頻率范圍11025Hz低端多媒體0-5512Hz22050Hz高端多媒體0-11025Hz32000Hz標準廣播采樣率0-16000Hz44100HzCD0-22050Hz48000Hz標準DVD0-24000Hz96000Hz藍光DVD0-48000Hz192000Hz聲卡級采樣率0-96000Hz表1.1常見數(shù)字音頻采樣率采樣位數(shù)用于刻畫轉(zhuǎn)換器對原始模擬信號幅度量化的精細程度，采樣位數(shù)越高轉(zhuǎn)換得到的二進制序列越長，所代表的值也就越接近模擬信號幅值。采樣位數(shù)（N）與信噪比（SNR）的關(guān)系式為：SNR常見采樣位數(shù)與信噪比關(guān)系如下表所示：位深度品質(zhì)級別振幅值信噪比(SNR)8bit電話25648dB16bit音頻CD6553696dB24bit音頻DVD16777216144dB32bit最佳4294967296192dB表1.2常見數(shù)字音頻采樣深度聲道是指聲音在錄制或播放時的音頻通道，可以形象地理解為錄制時的麥克風(fēng)數(shù)量或播放時的音響數(shù)量。在實際應(yīng)用中，通信設(shè)備多數(shù)采用的是單聲道(Mono)，而音樂播放器通常都是雙聲道(Stereo)，家庭影院一般采用5.1和7.1等多聲道系統(tǒng)。圖1.25.1聲道家庭影院示意圖比特率(bitrate，簡稱BR)指的是系統(tǒng)在1s內(nèi)傳輸?shù)亩M制符號量，通常冠以單位bps(bitpersecond)，經(jīng)常用于衡量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，與信道帶寬緊密相關(guān)。在數(shù)字音頻領(lǐng)域，比特率指的是每秒內(nèi)解碼并播放的二進制符號數(shù)量，與采樣頻率（fs）、采樣位數(shù)（N）和聲道數(shù)（Ch）的關(guān)系式為：

BR比特率用途32kbpsAM調(diào)幅廣播，用于語音96kbpsFM調(diào)頻廣播，語音和低質(zhì)量媒體128kbps\160kbps\196kbpsMP3文件中的中等質(zhì)量256kbps常用高質(zhì)量比特率之一320kbpsMP3文件支持的最高比特率400kbps-1411kbps用于FLAC等無損音頻壓縮格式1411.2kbps以線性PCM編碼存儲的數(shù)字音頻CD(44.1kHz采樣率，16bit采樣深度，立體聲)表1.3常見數(shù)字音頻比特率壓縮編碼原始信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器采樣、量化和保持后采用脈沖編碼(PCM)方式進行編碼，PCM編碼得到的文件就是沒有壓縮的原始數(shù)字音頻文件，通常稱作PCM裸流，PCM裸流經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換可還原為模擬信號REF_Ref28927\w[1]。模數(shù)變換(A/D)和數(shù)模變換(D/A)都會存在噪聲干擾和信號損失，所以PCM裸流數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的模擬信號也和原始信號存在一定的差異；然而PCM編碼的二進制流沒有壓縮過，所以PCM編碼還是對原始音頻最為完整的記錄編碼方式，故PCM編碼也稱為“無損編碼”。然而PCM編碼中存在許多超出人耳聽覺范圍的諧波成分，所以壓縮編碼的主要目的就是剔除無用成分的同時縮小文件體積。壓縮編碼分為有損壓縮和無損壓縮，無損壓縮采用特殊算法可以保持與PCM編碼相當?shù)囊糍|(zhì)，而有損壓縮則通常直接采用快速傅里葉變換剔除高次諧波成分，對音質(zhì)會有明顯的影響，但是文件體積可以壓縮到很小。壓縮編碼方式編碼格式全稱對應(yīng)擴展名有損壓縮編碼MP3MPEGAudioLayerIII.mp3AACAdvancedAudioCoding.mp4.aac.m4aWMAWindowMediaAudio.wma無損壓縮編碼FLACFreeLosslessAudioCodec.flacALACAppleLosslessAudioCodec.alac.m4a.cafWAVWaveformAudioFileFormat.wav表1.4常見壓縮編碼方式數(shù)字音頻接口數(shù)字音頻接口(DigitalAudioInterfaces，簡稱DAI)常用于板級音頻信號傳輸。與傳統(tǒng)模擬音頻信號接口不同的是DAI采用全鏈路數(shù)字脈沖傳輸信號，使其抗干擾能力遠優(yōu)于模擬傳輸方式。下圖為傳統(tǒng)模擬音頻鏈路接口，前級MIC與調(diào)理電路之間存在模擬信號傳輸，極易受到干擾；后級DAC與PA之間的模擬鏈路也存在干擾風(fēng)險。圖1.3傳統(tǒng)模擬鏈路接口在DAI鏈路中，前級的MIC和信號調(diào)理電路高度集成，板上不再出現(xiàn)模擬傳輸線，且前級與DSP之間為數(shù)字信號傳輸，噪聲容限高；回放端將PA與DAC集成在一起，采用D類功放對模擬信號進行調(diào)制，通將模擬信號的包絡(luò)通過高頻數(shù)字載波傳輸至Speaker解調(diào)播放，避免模擬信號板級傳輸。圖1.4DAI鏈路接口I2S是飛利浦在1986年定義的數(shù)字音頻傳輸接口標準，用于系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸；I2S協(xié)議的物理層為位時鐘（BCLK）、字時鐘（WCLK）和數(shù)據(jù)（DAT）三根信號線，其中BCLK用于同步DAC轉(zhuǎn)換時鐘，WCLK用于同步左右聲道，而DAT用于傳輸數(shù)字音頻信號；I2S協(xié)議還規(guī)定提供時鐘信號BCLK和WCLK的設(shè)備為主設(shè)備。位時鐘頻率、字時鐘頻率和采樣頻率關(guān)系如下：

fw=fs(1.3)fb=fs其中，fw表示I2S聲道切換時鐘頻率，fb表示I2S數(shù)據(jù)位時鐘頻率，fs為采樣信號頻率，N表示采樣位數(shù)，Ch表示聲道數(shù)量。圖1.5I2S系統(tǒng)框圖根據(jù)DAT相對WCLK和BCLK的位置，I2S分為三種不同的操作模式，標準I2S模式(I2S

PhillipsStandard)、左對齊模式(LeftJustifiedStandard)和右對齊模式(RightJustifiedStandard)。標準I2S模式下WCLK低電平表示左聲道數(shù)據(jù)而高電平表示右聲道數(shù)據(jù)，左右聲道的數(shù)據(jù)的MSB在WCLK對應(yīng)變化沿之后第二個BLCK上升沿有效。圖1.6I2S標準模式時序圖左對齊模式與標準I2S模式相比，傳輸數(shù)據(jù)的MSB沒有相對于BCLK延遲一個時鐘。該模式支持單聲道傳輸大量數(shù)據(jù)，一般傳輸16-32bit字長的數(shù)據(jù)格式。圖1.7左對齊模式時序圖右對齊模式也叫日本格式（EIAJ）或SONY格式。右對齊模式下，前一個聲道的數(shù)據(jù)末位與下一聲道的WCLK時鐘對齊。圖1.8右對齊模式時序圖PCM接口常見于板級音頻數(shù)字信號傳輸REF_Ref29234\w[2]，通過時分復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing)方式可以分時傳輸多個聲道的數(shù)據(jù)，PCM/TDM接口與I2S一樣也是三根信號線，它們的對應(yīng)關(guān)系如表1.5所示。圖1.9PCM/TDM系統(tǒng)框圖PCM/TDMInterfaceI2SInterfacePCM_OUT/發(fā)送數(shù)據(jù)信號SD_OUT/發(fā)送數(shù)據(jù)信號PCM_IN/接收數(shù)據(jù)信號SD_IN/接收數(shù)據(jù)信號PCM_SYNC/幀同步時鐘信號WCLK/聲道時鐘信號PCM_CLK/數(shù)據(jù)時鐘信號BCLK/數(shù)據(jù)時鐘信號表1.5PCM/TDM與I2S接口對應(yīng)關(guān)系PDM接口只使用一根數(shù)據(jù)線和一根時鐘線傳輸數(shù)據(jù)，所以時鐘同步邏輯比PCM接口復(fù)雜，聲道時鐘可以設(shè)置為上升沿同步、下降沿同步和上升/下降沿同步三種模式，而位同步則由PDM接口芯片根據(jù)數(shù)據(jù)采樣率合成。圖1.10PDM接口系統(tǒng)框圖圖1.11PDM時序圖實際應(yīng)用中PCM音頻接口用于傳輸單聲道數(shù)據(jù)，TDM用于兩個以上的多聲道數(shù)據(jù)傳輸，PDM和I2S用于雙聲道音頻數(shù)據(jù)傳輸，尤其是PDM在平板和手機等設(shè)備的數(shù)字麥克風(fēng)和揚聲器上有著廣泛的應(yīng)用。除此之外，還有S/PDIF(Sony/PhilipsDigitalInterfaceFormat)、IntelHDA(IntelHighDefinitionAudio)和EthernetAVB(AudioVideoBridging)等數(shù)字音頻接口。均衡器技術(shù)發(fā)展歷程均衡器首先是被貝爾實驗室用作電話線路傳輸時造成的傳輸損耗校正器，而并非聲學(xué)器件。直到19世紀20年代，有聲電影逐漸進入電影院，影院音頻回放系統(tǒng)所還原的聲音與錄制時的巨大差異逐漸被重視，影院工作人員John通過引入均衡器成功改善音頻回放效果，均衡器才開始進入音頻領(lǐng)域。此后John和好萊塢合作將均衡器應(yīng)用于電影制作，推出了圖形均衡器的先驅(qū)LangevinModelEQ-251A。不久之后ArtDavis的公司成功開發(fā)出了第一臺真正意義上的圖形均衡器7080，其最大的創(chuàng)新點是提出了一種用來平滑相鄰頻帶重疊造成的混合問題的混合放大器的交錯組合,7080將6個頻帶兩兩組合插入了3個混合放大器在很大程度的減小了頻帶的重疊的問題REF_Ref29756\w[3]。圖1.127080均衡器架構(gòu)框圖1962年，德克薩斯州立大學(xué)的物理教授C.P.Boner憑借他對管風(fēng)琴的調(diào)整經(jīng)驗和完備的物理聲學(xué)的知識基礎(chǔ)建立了一個初級的聲學(xué)均衡理論——房間均衡器理論，并設(shè)計出了一個稱為Whiteequalizer的窄帶音頻濾波器并總結(jié)了很多經(jīng)典結(jié)論REF_Ref29756\w[3]。1967年WilliamConner發(fā)表了一篇至今仍在聲音系統(tǒng)均衡方面廣泛享譽盛名的論文“TheoreticalandPracticalConsiderationsintheEqualizationofSoundSystem”；同年ArtDavis、JimNoble和DonDavis一起幵發(fā)出了“Acousta-Voice”——世界上第一臺工業(yè)用1/3倍頻濾波器REF_Ref29756\w[3]。在此后的20年里電子技術(shù)的發(fā)展推動了均衡器技術(shù)的更新，包括1/3倍頻圖形均衡器的應(yīng)用、參數(shù)均衡器的設(shè)計開發(fā)、集成電路的發(fā)展、回轉(zhuǎn)器的設(shè)計、LC、RC濾波電路的應(yīng)用、定值Q圖形均衡器出現(xiàn)以及微處理器的應(yīng)用等REF_Ref29756\w[3]?，F(xiàn)代均衡器主要有橫向均衡器和數(shù)字均衡器，其中數(shù)字均衡器目前廣泛應(yīng)用于各種音頻系統(tǒng)中。技術(shù)原理參數(shù)均衡器可以對基本濾波單元中心頻率、帶寬和增益進行獨立控制。在中心頻率點兩側(cè)各存在一個點,這兩個頻率點對應(yīng)幅值與中心頻率點對應(yīng)幅值存在某種固定關(guān)系,而帶寬就是這兩點之間的頻率差值,這個參數(shù)表征著頻譜所受濾波器影響的范圍。通常,規(guī)定幅值等于中心頻率點對應(yīng)幅值的0.707倍(3dB)的兩頻率點差值為帶寬,有時也用中心頻率對應(yīng)幅值的一半表示。有時并不用數(shù)值上的差值來表示帶寬,而用倍頻程來表示。增益表示濾波器在中心頻率處提升量或者衰減量的大小,一般用Q值表示,圖1.13和圖1.14分別為提升型和衰減型濾波器頻譜響應(yīng)圖。圖1.13提升型濾波器響應(yīng)圖1.14衰減型濾波器響應(yīng)參數(shù)均衡器本質(zhì)上為濾波器的級聯(lián),即每段濾波器的參數(shù)是一樣的，將N段相同的濾波器串起來后便成了參數(shù)均衡器。由于參數(shù)均衡器的三個參數(shù)均可獨立調(diào)節(jié),所以級聯(lián)數(shù)量一般不會很大。在濾波器的選擇上,考慮到實際應(yīng)用中的實時性,一般選擇選擇計算量小且階數(shù)較少的IIR濾波器。圖1.15IIR濾波器的級聯(lián)形式在圖形均衡器中，音頻信號并行通過一組已固化的帶通濾波器BPF1~BPF10，然后分別乘上相應(yīng)的增益系數(shù)gain1~gain10后將所有濾波器的輸出進行求和運算。調(diào)節(jié)各頻段增益可以輸出不同的均衡曲線實現(xiàn)不同的均衡效果。圖1.16圖形均衡器原理框圖圖形濾波器的技術(shù)指標有中心頻率(fc)、下邊帶截止頻率(fc1)、上邊帶截止頻率(fc2)和帶寬(BW)。對于10頻段的圖形均衡器，ISO規(guī)定各段帶通濾波器的中心頻率如表1.6所示。相鄰兩中心頻點之間為倍頻程關(guān)系，后截止頻率fc2與前截止頻率fc1之頻率比為2，中心頻率與上下邊帶頻率關(guān)系為

fc=fc1?fc2(1.5)序號中心頻率fc（Hz）下邊帶截止頻率fc1（Hz）上邊帶截止頻率fc2（Hz）帶寬BW（Hz）131.5214221263428543312585170854250170339169550033967934061000679135867972000135827151357840002715543127169800054311086154301016000108612172210861表1.610-band圖形均衡器濾波器參數(shù)表可以看出，對于前幾段帶通濾波器，其頻帶帶寬相對中心頻率很窄，若采用FIR濾波器來實現(xiàn)，其階數(shù)必然很高，因此一般采用IIR濾波器來實現(xiàn)。綜上，不管是參數(shù)均衡器還是圖形均衡器，為了減小設(shè)計難度，其基本構(gòu)造單元都是IIR濾波器，對于IIR雙二階濾波器，其傳遞函數(shù)定義如下：

H(Z)=b0+b1Z?1+b2Z?2a圖1.17二階IIR濾波器結(jié)構(gòu)圖

硬件設(shè)計方案系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)硬件上由電源管理單元、主控單元、EQ均衡處理單元、顯示模組以及音頻功放單元組成；電源管理單元負責(zé)系統(tǒng)各個模塊的供電，主控單元完成EQ單元邏輯控制及音頻軟解碼工作，EQ處理單元在主控單元的控制下完成對音頻數(shù)據(jù)流的均衡效果處理并進行DA轉(zhuǎn)換還原出模擬音頻信號，后級功率放大單元對還原出的模擬信號進行功率放大并驅(qū)動揚聲器播放音樂。圖2.1硬件系統(tǒng)框圖主控單元系統(tǒng)采用ST公司的STM32F407vet6芯片作為主控，該芯片內(nèi)核為ARM公司設(shè)計的Cortex-M4，支持32bit數(shù)據(jù)的位寬以及高達168MHz的主頻，擁有1MByte的片上Flash和192KByte的片上SRAM，支持1.8V到3.3V的超寬供電電壓范圍；接口方面支持3組全雙工SPI,2組與SPI接口復(fù)用的全雙工I2S接口，3組最高支持1Mbps的高速I2C接口，4組全雙工USART接口和2組全雙工UART接口；詳細片上資源如圖2.2所示。圖2.2主控片上資源時鐘和復(fù)位電路內(nèi)核時鐘主要有三個來源：分別是外部高速晶體振蕩器(HSE)、內(nèi)部高速RC振蕩器(HSI)和內(nèi)部PLL鎖相環(huán)電路，HSI或HSE既可以BypassPLL電路直接為內(nèi)核模塊提供時鐘信號也可以作為PLL的輸入時鐘源，經(jīng)過PLL時鐘電路進行分頻處理后給內(nèi)核模塊提供更高速可靠的時鐘信號；由于原始時鐘信號時鐘頻率低且存在相位抖動等問題，一般都將其接入PLL電路進行處理，PLL經(jīng)過一系列的分頻反饋操作之后可獲得比原輸入時鐘頻率高數(shù)倍且更加穩(wěn)定的時鐘頻率。HSE頻率和相位可靠性以及抗干擾性能遠優(yōu)于HSI，所以采用HSE作為輸入時鐘源并經(jīng)過PLL后給芯片內(nèi)核提供時鐘信號。電路設(shè)計如圖2.4所示，采用晶體振蕩器作為發(fā)生器，配合負載電容獲得穩(wěn)定的時鐘頻率，為減小板上耦合電容對負載電容的影響，layout時將晶振下方的銅皮去除，同時在焊接層周圍對晶振進行“包地”處理，減小晶振的EMI輻射對其它模塊的影響。圖2.3內(nèi)核時鐘源及系統(tǒng)時鐘樹框圖圖2.4外部時鐘源電路MCU上電后需要在NRST引腳處提供至少20us的低電平時間使MCU完成復(fù)位工作，該引腳內(nèi)部電路如圖3.5所示，管腳內(nèi)部有一個阻值至少為30k歐姆的上拉電阻Rpu，上電時主電源通過該電阻給外部設(shè)計電路中的電容充電，該充電時間段內(nèi)引腳電平緩慢上升，經(jīng)過后面的比較整形和濾波電路即可輸出滿足時間要求的內(nèi)部復(fù)位信號。圖3.5NRST引腳內(nèi)部電路調(diào)試和電源電路為了方便程序跟蹤調(diào)試，芯片集成了支持SWD和JTAG兩種調(diào)試器的內(nèi)核調(diào)試模塊，在本系統(tǒng)中引出SWD作為在線燒錄和跟蹤調(diào)試接口，另外預(yù)留UART接口方便調(diào)試信息獲取以及與顯示模組通信。圖2.6調(diào)試接口電路芯片供電劃分為三個區(qū)域，IO、CPU和Flash所在的數(shù)字電路供電區(qū)、ADC、內(nèi)部RC振蕩電路和PLL電路所在的模擬電路供電區(qū)以及包含RTC等低功耗設(shè)備的備份電源供電區(qū)，芯片內(nèi)部供電區(qū)域分布如圖2.7所示；除備份電源區(qū)支持1.65V到3.6V的超寬供電電壓范圍外，模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)供電電壓一般為3.3V，其中數(shù)字電源區(qū)內(nèi)置電壓調(diào)整電路，其上電工作時序如圖2.8所示，隨著主電源上升至1.7V復(fù)位引腳NRST完成復(fù)位工作，內(nèi)部調(diào)整器進入工作狀態(tài)，從而禁能復(fù)位信號使芯片進入工作狀態(tài)；根據(jù)芯片供電框圖需求所設(shè)計濾波電源電路如圖2.9所示，主要由104大小的電容緊靠芯片管腳濾除電源高頻噪聲，瞬時大電流由電源主干路的大電容提供。圖2.7電源分布框圖圖2.8內(nèi)部電壓調(diào)整器與主電源和NRST電平時序關(guān)系圖圖2.9MCU電源濾波電路均衡器單元WM8978是一款低功耗高品質(zhì)的便攜設(shè)備立體聲編解碼芯片，內(nèi)部集成一個HI-FI級數(shù)字信號處理內(nèi)核，支持增強3D硬件環(huán)繞音效和5頻段的硬件均衡器，可以有效改善音質(zhì)REF_Ref30732\w[4]；音頻輸出方面片內(nèi)集成一個揚聲器和一個耳機功率放大器，揚聲器最高可輸出1W功率，且配置了一個數(shù)字限制器防止揚聲器因聲音過載而損壞，耳放在負載阻抗為16歐姆的情況下可提供40mW的無電容輸出功率，能驅(qū)動市面上絕大多數(shù)高阻抗Hi-Fi耳機滿功率運行。WM8979的主要特性有：1）I2S接口，支持最高192K,24bit音頻播放2）DAC信噪比98dB，ADC信噪比90dB3）支持無電容耳機驅(qū)動（40mW@16R）4）支持揚聲器輸出（1W@8R）5）支持左右聲道音量獨立調(diào)節(jié)6）支持3D效果和5段EQ調(diào)節(jié)圖2.10WM8978系統(tǒng)框圖電源電路數(shù)字音頻信號在WM8978內(nèi)部進行D/A轉(zhuǎn)換還原模擬音頻信號，而數(shù)字邏輯電路瞬態(tài)電流會對模擬信號產(chǎn)生高頻噪聲干擾，因此需要將模擬電源和數(shù)字電源進行隔離。在圖2.11電源電路的設(shè)計中，揚聲器功率放大器電源SPKBVDD和耳放電源AVDD采用VDDA供電，而數(shù)字邏輯部分的DCVDD和DBVDD則采用VDD進行供電。圖3.11WM8978電源電路接口電路WM8978通過配置MODE引腳可選擇SPI或者I2C總線與MCU通信完成寄存器配置工作，I2S接口的配置可以通過改寫對應(yīng)寄存器改變傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)、音頻采樣率以及對齊方式與音頻數(shù)據(jù)流保持一致；音頻輸出接口支持無電容輸出方式，但是輸出的直流偏置電壓會引起耳機在無音樂狀態(tài)下出現(xiàn)電流聲，所以采用大電容作為隔直電容降低高通截止頻率以補償音樂低頻效果，圖2.12中輸出下限頻率根據(jù)一階RC電路轉(zhuǎn)折頻率點公式

fl=圖2.12WM8978接口電路系統(tǒng)電源系統(tǒng)電源電路設(shè)計如圖2.13所示，采用TI公司的TPS562200Buck電源芯片，其特性如下：1）支持從4.5V到17V的寬輸入電壓范圍；2）輸出端為內(nèi)部集成的2個導(dǎo)通電阻為100毫歐最大支持輸出2A電流的MOSFET，可以在大負載下有效控制自身發(fā)熱狀況；3）集成TI獨家用于快速響應(yīng)瞬態(tài)負載的D-CAP2?模式控制電路，簡化外部濾波電路，增強輸出紋波抑制能力；4）集成削弱瞬態(tài)電流沖激的Eco-mode?脈沖跳躍電路；5）集成實用的OVP、ULVO和TSD等保護電路。圖2.13系統(tǒng)電源電路圖輸入端的2個10uF的退耦電容，焊接時各采用0805和0603封裝，在利用大容量電容對低頻的低阻抗特性濾除低頻紋波的同時，根據(jù)不同封裝大小所特有的寄生參數(shù)不同特性阻礙中頻段紋波進入芯片，而輸入端的三個電容保持空位，利用焊盤間的寄生參數(shù)濾除高頻噪聲。在2腳SW和6腳VBST之間連接一個0.1uF的電容配合芯片內(nèi)部寄生電阻給上、下MOS導(dǎo)通提供死區(qū)時間保護。L1和EC3組成LC低通濾波器濾除高頻噪聲的同時儲存能量給后面的負載提供能量。電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到的電壓通過VFB引腳與內(nèi)部基準電壓比較后改變控制脈沖占空比，從而控制輸出電壓Vout大小，其關(guān)系式為

V音頻功放單元TPA3138是一款2x10W高效率、低空閑電流的D類立體聲音頻功率放大器，在12V供電電壓情況下，可在阻抗6歐姆的揚聲器上實現(xiàn)1%THD+N的滿載2x10W功率輸出；利用擴頻控制實現(xiàn)先進的EMI抑制功能，允許在滿足EMC降低系統(tǒng)成本要求的同時，使用價格低廉的鐵氧體磁珠濾波器REF_Ref31585\w[5]；為了進一步簡化設(shè)計，TPA3138D2集成可自動恢復(fù)的保護特性，包括欠壓、過壓、功率限制、短路、過熱以及直流揚聲器保護REF_Ref31585\w[5]。12V輸入電源經(jīng)過1000uF的電解電容、01uF的滌綸電容和1000pF的云母電容組合濾波后給芯片供電；輸入部分使用1uF的電容隔離上級單元的直流偏置電壓，增大輸入動態(tài)范圍的同時減小直流偏置引起的熱損；輸出部分使用1000pF和68歐姆的阻容網(wǎng)絡(luò)作阻抗匹配最大化輸出功率；芯片支持用簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)來限制最大輸出幅度以防出現(xiàn)嚴重的失真現(xiàn)象。圖2.14TPA3138音頻功放電路

軟件設(shè)計方案總體流程軟件部分由圖3.1所示的文件讀取、軟件解碼、數(shù)據(jù)傳輸和音效處理四個模塊組成，文件讀取模塊進行文件管理和原始音頻文件讀??；軟件解碼模塊將采用特定的解碼算法完成對音頻的解碼工作，并將解碼后的數(shù)據(jù)流存入系統(tǒng)緩存；數(shù)據(jù)傳輸模塊根據(jù)文件內(nèi)容對I2S接口進行初始化，將緩存中的數(shù)據(jù)流通過該接口傳輸?shù)揭粜幚砟K，并采用特定算法保證數(shù)據(jù)流的不間斷傳輸；音效處理模塊包含5段EQ均衡處理和3D音效增強處理等，通過人機交互完成該模塊的實時參數(shù)調(diào)節(jié)功能。圖3.1軟件總體流程圖文件讀取文件讀取流程圖如圖3.2所示，系統(tǒng)引入FatFs文件管理系統(tǒng)對文件進行管理，首先完成對底層SDIO協(xié)議的初始化工作，包括有效時鐘沿、數(shù)據(jù)位寬、時鐘分頻系數(shù)以及底層IO，然后初始化FatFs文件系統(tǒng)，使能系統(tǒng)的文件管理功能；在完成初始化工作之后開始讀取操作，首先使用f_mount函數(shù)掛載SD卡，掛載成功后使用f_open函數(shù)打開目標文件，如果文件存在使用f_read函數(shù)讀取文件內(nèi)容，在讀取結(jié)束后使用f_close關(guān)閉文件防止文件損壞。圖3.2文件讀取流程圖軟解解碼系統(tǒng)使用的音頻文件格式為WAV，其文件定義如圖3.3所示，WAV格式音頻文件主要由RIFF、FMT和DATA三個數(shù)據(jù)塊構(gòu)成；RIFF數(shù)據(jù)塊包含ChunkID、ChunkSzie和Format三個子數(shù)據(jù)塊，主要用于判斷文件是否為WAV格式；FMT數(shù)據(jù)塊則主要由Subchunk1ID、Subchunk1Size、聲道、采樣率、采樣深度、比特率以及對齊字節(jié)等子數(shù)據(jù)塊構(gòu)成；DATA數(shù)據(jù)塊除了Subchunk2ID、Subchunk2Size兩個子塊外還有一個由音頻數(shù)據(jù)構(gòu)成的data子塊。圖3.3WAV文件格式結(jié)構(gòu)軟件解碼操作流程如圖3.4所示，先將文件的前64個字節(jié)讀入解碼緩存區(qū)，根據(jù)圖3.3的文件結(jié)構(gòu)將RIFF數(shù)據(jù)塊的ChunkID和Format對應(yīng)的字節(jié)按照大端模式獲取ASCII碼對應(yīng)內(nèi)容，如果獲得的字符串分別為“RIFF”和“WAVE”，則文件是WAV格式；將RIFF數(shù)據(jù)塊后的每4個字節(jié)都假設(shè)為Subchunk1ID子塊，當對應(yīng)字符串為“fmt”時，表示后面的20字節(jié)為FMT塊內(nèi)容，根據(jù)WAV格式獲取音頻文件的聲道、采樣率、采樣深度、比特率以及對齊字節(jié)等信息；使用FMT數(shù)據(jù)塊的查找方式查找DATA數(shù)據(jù)塊，獲取音頻數(shù)據(jù)的相對起始位置。圖3.4軟件解碼流程圖數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸部分主要涉及I2S參數(shù)配置和防破音傳輸，首先對I2S進行預(yù)初始化，完成主從模式、空閑電平、對齊模式以及IO口等與傳輸文件無關(guān)的參數(shù)配置；完成文件讀取與軟件解碼后，再用文件采樣位數(shù)、采樣頻率初化I2S的位時鐘、聲道時鐘和主時鐘參數(shù)。為了防止數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)破音現(xiàn)象，系統(tǒng)引入雙緩存DMA和中斷進行協(xié)調(diào)，DMA可以在CPU不干預(yù)的情況下直接將內(nèi)部緩存區(qū)的內(nèi)容傳輸?shù)酵庠O(shè)，雙緩存可以讓CPU在DMA傳輸?shù)谝痪彺鎱^(qū)數(shù)據(jù)時將音頻數(shù)據(jù)從SD卡填充第二緩存區(qū)，并在DMA傳輸完成時產(chǎn)生的中斷中更換緩存區(qū)，實現(xiàn)無停頓傳輸避免破音現(xiàn)象的發(fā)生。圖3.5數(shù)據(jù)傳輸流程圖音效處理在進行均衡器音效處理時，串口屏將交互設(shè)定的參數(shù)實時通過串口發(fā)送給MCU，但是當串口屏發(fā)送數(shù)據(jù)包時，MCU可能正在傳輸音頻數(shù)據(jù)流而不能及時接收數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致所設(shè)參數(shù)無效，所以引入串口中斷進行協(xié)調(diào)；當串口中斷發(fā)生的時，為了防止MCU未能及時切換音頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)而導(dǎo)致破音，MCU將暫停數(shù)據(jù)填充和發(fā)送動作，并在中斷中僅接收數(shù)據(jù)而不作參數(shù)解析，在接收完成后即刻恢復(fù)傳輸；在傳輸空閑期間MCU均衡器將參數(shù)解析出來，并在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)切換的時候通過I2C寫入WM8978對應(yīng)的寄存器完成音效處理。圖3.6音效處理流程圖

系統(tǒng)調(diào)試和測試硬件電路調(diào)試系統(tǒng)組裝及調(diào)試環(huán)境搭建前期根據(jù)所設(shè)計原理圖進行l(wèi)ayout畫板，設(shè)計完成后進行DRC檢查并根據(jù)EDA的規(guī)則檢查報告更改PCB，在完成所有硬件設(shè)計階段工作后將所設(shè)計PCB發(fā)板，導(dǎo)出BOM信息表準備物料；在樣板返回后檢查PCB板上各模塊的電源線和關(guān)鍵信號線，檢查沒有問題后開始焊接工作。所有模塊均集成在單塊PCB底板上，為了方便調(diào)試，焊接時電源模塊與其他模塊之間的0R電阻以及模塊內(nèi)部的0R電阻均先不焊接，等完成電源電路調(diào)試和性能測試后再將其焊接上；完成焊接工作后，在PCB四周安裝螺柱將其墊高，以防在測試過程中PCB底層焊點與導(dǎo)電體接觸構(gòu)成回路發(fā)生短路現(xiàn)象。圖4.1實際電路組裝測試環(huán)境如圖4.2所示，主要使用了可編程式直流電源、數(shù)字萬用表、DDS函數(shù)發(fā)生器、電子負載以及雙通道示波器等常規(guī)電子測量儀器，詳細型號如表4.1所示。圖4.2測試環(huán)境儀器型號可編程直流電源KEITHLEY2231A-30-3雙通道示波器TektronixTBS1102B-EDUAgilentTechnologiesDSO-X2012ADDS函數(shù)發(fā)生器TextronixAFG1022電子負載ITECHIT8511A數(shù)字萬用表KEITHLEY2210FLUKE287C表4.1測試儀器型號電源電路調(diào)試及性能測試斷開電源模塊與系統(tǒng)其他模塊之間的連接，用萬用表蜂鳴擋測試板子上電源線路是否有短路，設(shè)置外部直流電源輸出電壓為5V，輸出電流上限為5mA；確保能準確測量芯片靜態(tài)工作電流，取下板載LED電源指示燈，然后焊接EN與VIN引腳之間的OR電阻使電源芯片進入待測工作狀態(tài)；將直流電源黑色接線端與板子上的GND相連，萬用表紅表筆接直流電源紅色接線端，黑表筆與板子電源輸入端相連，然后打開電源輸出開關(guān)進行測。實際測量靜態(tài)工作電流大小為316uA左右，VFB大小為0.815V左右，官方芯片數(shù)據(jù)手冊所給靜態(tài)工作電流大小在230uA到330uA范圍，VFB大小為0.8V，實際測得電流值由于板載電解電容的漏電流較大、萬用表插入損耗以及測量室溫與手冊存在偏差等原因所以處于手冊范圍中偏大水平。將VIN與EN管腳之間的0R電阻斷開后可測得此工作狀態(tài)下的靜態(tài)電流大小為6uA左右，與手冊范圍保持一致。圖4.3芯片手冊靜態(tài)工作電流范圍在確定電源芯片工作狀態(tài)正常后，焊上LED電源指示燈，然后進行電源模塊負載能力測試，系統(tǒng)設(shè)計供電為12V，設(shè)定可編程直流電源輸出電壓為12V，輸出電流上限為3A；從電源模塊的濾波電容的引腳引出測試連接線，電子負載“-”端與板子GND測試連接線相連，“+”端與系統(tǒng)電源模塊輸出連接線相連，電源模塊為其他模塊所提供電壓為3.3V，所以電子負載采用CV（恒定電壓）模式進行測試；設(shè)置電子負載電壓為3.3V，打開電子負載開關(guān)后打開電源開關(guān)，測試結(jié)果如圖4.4所示。圖4.4電源模塊負載測試在3.3V的恒壓負載測試下，輸出最大電壓值為3.34V左右，滿足系統(tǒng)供電電壓要求，輸出電流為820mA左右，輸出功率可達2700mW，而系統(tǒng)整體設(shè)計功耗不足700mW將近有3倍的功耗裕量，所以電源模塊可以在基本沒有發(fā)熱情況下給其他模塊提供所需功耗。在測試完電源模塊負載性能后，斷開電子負載與板子之間的連接，將示波器的探頭連接到板子上進行空載電源輸出紋波測試。在示波器面板上打開與板子相連的通道，選擇交流耦合方式，調(diào)整橫軸參數(shù)為10ms/div縱軸參數(shù)為50mV/div進行測試，結(jié)果如圖5.5所示。圖4.5電源紋波測試在空載狀態(tài)下，3.3V的直流電壓上疊加了一周期為100Hz左右，峰-峰值為50mV上下的低頻紋波，而板子上的其他模塊可以在2.8V到3.6V的電壓范圍內(nèi)正常工作，芯片的外圍退耦電路也可以在很大程度上抑制低頻紋波對電路的干擾，故該紋波對系統(tǒng)的影響可以忽略不計。音頻回路調(diào)試在Matlab里面編寫程序使用48000Hz采樣率16bit采樣深度的采樣信號對一個頻率為1000Hz響度為0dBSPL的正弦信號進行采樣，并生成一個WAV格式的立體聲音頻測試文件，將該文件內(nèi)的正弦信號作為參考信號分別對音頻回路內(nèi)的MCU+CODEC單元、后級功放單元以及兩個單元構(gòu)成的完整音頻回路進行測試，由于該文件所包含的測試信號并非為零失真度的正弦信號，所以該部分測試結(jié)果僅作參考；另外，由于缺少必要的測試環(huán)境和設(shè)備，音頻測試回路并不包含揚聲器單元，而后級功放為D類輸出，不能直接測量電子失真度，需要通過揚聲器播放來測量失真度，所以包含后級功放的測試單元皆不做失真度測試。圖4.61000Hz測試音頻頻譜分布將裝有測試文件的SD卡插入板子上的TF卡槽，斷開CODEC和后級功放之間的耦合電容，將示波器探頭接入CODEC輸出測試點，開始播放測試文件，按下示波器面上的“Math”按鈕，在屏幕側(cè)邊的運算模式選擇欄選擇“FFT”模式，選擇FFT窗口為“hanning”窗口，設(shè)置中心頻率點為5kHz，刻量單位為“Vrms”，然后使用光標讀取前5次諧波的幅值并作記錄，并根據(jù)THD計算公式5.1算出當前輸出幅值對應(yīng)下的THD值.

THD=圖4.7CODEC各次諧波分量圖諧波次數(shù)諧波分量大小基波117mV二次諧波41mV三次諧波32mV四次諧波21mV五次諧波12mVTHD4.27%表4.2CODEC各次諧波分量大小通過系統(tǒng)播放測試文件，示波器的兩個探頭分別接到后級功放同一輸出端的兩個接線點上，示波器選擇“-”運算模式，經(jīng)過運算后還原的測試音頻包絡(luò)如圖4.8所示。圖4.8系統(tǒng)音頻回路輸出波形D類功放的輸出端載波頻率為400kHz，在沒有音頻信號時，由于調(diào)制載波是同頻同相的共模信號，揚聲器上沒有電流流過；而在信號輸入時，功放的調(diào)制電路將輸出端設(shè)置為差分模式并將音頻包絡(luò)調(diào)制在高頻載波上，經(jīng)過揚聲器內(nèi)部線圈將音頻包絡(luò)還原推動振膜發(fā)聲。軟件調(diào)試軟件工程搭建STM32CubeMX是ST公司推出的輔助開發(fā)軟件,軟件內(nèi)集成了ST公司全系列單片機的片上資源，通過簡單的配置即可生成資源初始化工程，可以極大地降低開發(fā)的工作量、時間和成本。在STM32CubeMX中新建工程，配置系統(tǒng)和外設(shè)時鐘、外圍接口和中間插件，根據(jù)自己工程的大小配置不同的堆棧大小，最后生成MDK5工程文件。本設(shè)計使用STM32CubeMX進行工程創(chuàng)建和MCU外設(shè)初始化配置并使用創(chuàng)建的HAL庫工程進行開發(fā)，STM32CubeMX工程配置如下圖。圖4.9STM32CubeMX軟件界面測試音頻合成根據(jù)音頻均衡器的增益調(diào)整頻點，使用MatLab軟件生成對應(yīng)頻率組合而成的正弦信號，并使用48kHz16bit的采樣信號對合成的正弦信號進行采樣后打包生成WAV格式的音頻文件。將生成的音頻文件使用AdobeAudition軟件打開，觀察各聲道波形，調(diào)整各頻率分量的初始音量大小確保各疊加的信號頻率均無失真現(xiàn)象。圖4.10合成測試音頻各聲道波形系統(tǒng)聯(lián)調(diào)硬件單元和軟件單元