AT89S51单片机在音响系统设计中的应用

数字技术的发展改变了各种信号处理设备，使得音响系统逐步实现了数字化。数字音响技术就是指在音响技术的基础上，对原声信号(合乐、声乐等)进行一系列数字处理后，再恢复成高质量的模拟声音信号的技术。其已深入到日常生活的各个方面，包括家庭影院、汽车音响和个人音乐播放器等。随着数字音响技术不断发展和创新及其核心关键技术的完善，音响行业的数字化、智能化前景将更美好。

数字音响技术原理

数字音响包含的范围很广，既包括各种数字化的原声信号，各种数字化的设备，也包括协调这些信号和设备的各种协议和标准。

图1所示为数字音响系统的原理结构图。依据原理，数字音响技术首先是原声信号的数字化，其次才是音响设备的数字化。原声信号的数字化是将音频模拟信号转换成音频数字信号，进行传送或储存，然后将这些音频数码信息又还原成音频模拟信号。其间，实行了两次转换，即模数转换A／D和数模转换D／A，后者现在一般由数字功率放大器完成。而音响设备的数字化是指为适应数字音频信号的传送或储存，调整或改进设备整体电路，使之能够传递、储存或处理数字音频信号。音响系统的设计及其信号处理

本音响系统设计由控制模块、接收模块、调节模块、按键显示模块及电源模块等组成，主要包含A T89S51单片机、1片A K5392、三片高精度DSP芯片ADI954，如图2所示。下面对各个模块进行描述。

①控制模块：它是音响系统的中枢，是系统数据的载体，存储着系统信息，同时负责对系统中其他模块进行控制，保证系统在正确的时序下正常稳定的工作。

②接收模块：它是系统信息的来源，它接收模拟音频信号，经过处理之后将数据及音频信号分别传输给控制模块和调节模块。

③调节及放大模块：它主要由电子音量电位器和一个功率放大器组成，其主要功能是调节音量大小，放大信号，还可以进行音源选择(包括CD、MP3等音源)，以满足用户的要求。

④按键及显示模块：它是用户与系统交流的平台，用户通过显示屏可以看到系统当前信息，同时通过按踺操作可以使系统按照用户的意图工作。

⑤电源模块：它是整个系统的能量来源，通过它对整个系统供电，满足不同模块对不同性质电源的要求。

1　ADI954转换器简介

AD1954是具有片上信号处理功能的数字音频转换器，其核心是一个完全针对音频信号处理的DSP芯核，它把专业扩声周边设备组合在一起实行数字化处理。ADl954转换器包含七个功能模块：3个数字音频声道；1个7频段48bit的立体声均衡器；分频模块；音量控制模块；Phat Stereo空间增强模块；用于扩音器位置调节的延时器；1个双频段结构专业品质的动态处理器。其内部数字音频处理系统的信号流程如图3所示。输入的数字信号进入立体声均衡器，经过分频、音量调节、延时后进入动态处理器，它可提供大量的滤波、电平检测以及动态控制功能，并为2.0或2.1立体声系统的三个DAC提供信号。经处理后的数字信号从三个DAC输出转换成模拟信号。

2　音响系统的信号处理

①模数转换。模数转换选用AK5392，它是1个24bit的ADC，其动态范围达到116dB，具有左右两路模拟输入，一路数字输出，常用作专业的音频转换设备。如图2所示，本音响系统采用两路模拟音频输入作为系统的声源，时钟脉冲发生电路提供AK5392和下一级的ADl954所需的时钟信号。首先对输入的声音信号进行缓冲放大，使其能够满足模数转换的要求，然后进行模数转换。

②音频信号的处理。AK5392转换后的数字信号分3路进入3片高精度DsP芯片AD1954。信号在AD1954内部经过分频、延时等一系列的处理，再经DAC转换成模拟信号，从ADl954输出。

③信号的输出。在本设计中，第一片ADl954使用了三个输出通道，其余两片ADl954只使用两个主输出通道，而把次重低音输出通道闲置。AD1954输出的各频段信号要经缓冲放大后才输出，再由各自的功放级分别驱动相应的扬声器放音。

AT89S51单片机对音响系统的控制

AT89S51单片机是本系统的核心部分，是用户与AD1954数字信号处理器之间沟通的桥梁。AT89S51单片机与AD1954之间通过SPI端口进行通信，通过操作面板或上位机用户程序来实现AT89S51单片机与用户之间的交互。

1　AT89S51单片机概述

AT89S51是一个低功耗，高性能cM0s 8位单片机，片内含4KBISP(In-System Programming)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmei公司的高密度、非易失性存储技术制造。AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案，其电路图如图4所示。它包含：40个引脚，4KB Flash片内程序存储器，128B的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入／输出(I／O)口，5个中断优先级2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗(wdt)电路，片内时钟振荡器。AT89S51主要功能特性：①兼容MCS-51指令系统及80C5I引脚结构；②4.5V-5.5V工作电压；③时钟频率0-33MIIz；④全双工UART串行中断口线；⑤2个外部中断源；⑥低功耗空闲和省电模式；⑦中断唤醒省电模式；⑧3级加密位；⑨软件设置空闲和省电功能；⑩灵活的Isp字节和分页编程。

2　AT89S51单片机与AD1954的通信

系统采用AT89S5l单片机来控制ADl954。ADl954具备SPI端口，它允许外部设备对其程序存储器和参数存储器进行全双工的读写操作。ADl954要实现各种信号处理工作，因此有各种相应的控制选项。AT89S51单片机通过SPI端口对ADl954内RAM里的参数进行设定和修改可实现大部分的信号处理。将AT89S51单片机设为主机，AD1954为从机。单片机的P3.5作为扩展SPI输入口与ADl954的COUT引脚(SPI数据输出)连接；P3.4作为扩展SPI输出口与CDATA引脚(SPI数据输入)连接；P3.3作为串行时钟输出口与AD1954的CCLK(SPI数据位时钟)引脚相连；P3.2与ADl954的CLATCH引脚相连。

3　PL2303HX芯片的USB转串口

如图5所示，为了使音响系统能方便快捷地与计算机配接，系统增加了USB接口功能。系统采用芯片PL2303HX把USB口转换成串行口，使单片机能与USB进行串行通信。上位机的用户程序通过USB口向单片机

发送信息，单片机再向AD1954发送数据，使AD1954完成相应的音频数据处理；单片机从AD1954读取用户所需要的参数，再通过USB口返回给上位机的用户程序。

PL2303HX是一种RS232转USB接口的转换芯片，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。它在工作模式和休眠模式时都具有很低的功耗，是嵌入式系统设备的理想选择。PL2303HX内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现usB信号与RS232(TTL电平)信号的转换，能够方便嵌入到各种设备，该器件作为USB／RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。

PL2303需要一个12MHz的外部晶体为它提供时钟，外部并联的两个匹配起振电容。为了防止高速信号在端口附近产生反射现象，需要在B型USB端口引脚D-和D+上分别接一个阻值为27Ω左右的终端匹配电阻。D+接一个上拉电阻以帮助实现枚举功能。为了防止USB口短路，串入R11电阻。

音响系统软件设计

软件作为整个系统的辅助部分，主要结合硬件来辅助整个系统的运行。采用C语言可以编写上位机的用户程序，通过软件的设计来实现音响系统的功能。C语言具有功能丰富，表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高等优点。

音响系统工作方式是程序结合单片机、A／D转换模块对按键进行识别并做出相应的控制动作。按键采用查询方式。首先进行模数转换，获取键值；再进行判断是否有键按下。系统的编程思想是：通过主程序对子程序的调用实现单片机对整个系统的控制。首先，进行系统的初始化，进入显示子程序；接下来不断进行按键扫描，一旦有按键按下就进入按键检测子程序，通过检测出的按键信息做出控制动作，然后再将送回的数据经过处理后送到显示子程序以达到显示的效果。在系统与各个设备之间采用串行通信协议以实现数据的传送。系统主函数流程如N6所示。

结语

伴随着数字信号处理技术、通信技术和计算机技术的发展，音频信号的编码、压缩和解码等技术日趋先进和高效，超大规模集成电路、高性能运算芯片和大容量存储介质等电子技术的应用将音响设备的数字化推向一个新的高度。本音响系统以AT89S51单片机为硬件核心，采用专用AD1954音频处理器实现了均衡、压缩、限幅、延时、分频等多种数字声频处理功能，利用单片机与AD1954的SPI端口之间的串行通信来实现对ADl954的控制，采用芯片PL2303HX把USB口转换成串行口。该音响系统经过试运行，各项功能实现良好，具有高音质、高集成、低功耗、可靠性高等特点。

推荐访问： 单片机 音响系统 设计 AT89S51

---