基于Android系統的新型KTV多功能音響

天津理工大學電子信息工程學院 王 江 王詩涵 姜道連

基于Android系統的新型KTV多功能音響

天津理工大學電子信息工程學院 王 江 王詩涵 姜道連

本文介紹了基于Android系統的新型KTV多功能音響。本設計由Cortex-M3內核的處理器、電源、音頻解碼器、SD卡、收音機、藍牙模塊、分頻器、閃光燈、Android 手機APP等模塊組成。這款新型的音響整合了傳音、點歌、無線控制與燈光系統，搭載了雙對藍牙系統，一對藍牙負責音頻傳輸，另一對藍牙負責音響功能控制，極大地提高了系統的效率性與穩定性。這款音響同時還搭載了智能手機APP操作軟件,可以通過安裝第三方軟件擴展其功能。這是新型藍牙音響與傳統藍牙音響的根本區別,也是本款音響最大的特點。

Cortex-M3；藍牙；手機APP；閃光燈；收音機

0 引言

隨著智能產品的研發，谷歌Android系統和蘋果iOS系統在智能產品上的競爭已經進入白熱化階段,現在越來越多的產品已經加入到了智能化的陣營中。由智能操作系統統一管理設備的軟硬件,能夠有效整合可利用資源。通過更為人性化、簡潔易懂的APP操作界面來與用戶溝通，使得用戶能夠以更加簡單有效的方式來操作智能藍牙音響。而目前，家庭式KTV也越來越得到消費者的喜愛。因此，智能藍牙音響的研發和設計迫在眉睫。

1 系統設計框架

音響通電后，每一個外圍設備開始工作，通過手機自帶藍牙功能（以下簡稱音發藍牙），與音收藍牙配對成功后，即可發送音頻數據給音頻主控芯片，音頻解碼器將接收到的數據進行解碼處理之后，根據功能控制芯片Cortex-M3內核的處理器發出的命令進行執行。處理器將根據音收藍牙接收到的音頻數據，分析之后控制閃光燈隨著音樂的節奏閃爍。藍牙APP發送功能控制指令，Cortex-M3處理器接收到指令之后，控制各個模塊啟動與關閉。系統框架圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 音頻處理芯片選擇

VS1053是VLSI公司的一款高性能解碼芯片。利用該芯片，我們可以實現MP3/OGG/WMA/WAV/FLAC/AAC/MIDI等各種音頻文件的播放，同時也支持ADPCM/OGG等格式的編碼。這種芯片擁有16K的指令RAM，8個可用的通用IO口和一個串口，內部PLL鎖相環時鐘倍頻器，帶有EarSpeaker空間效果，內含高性能片上立體聲DAC，特殊應用的SPI Flash引導，它還內嵌了一個高性能的DSP處理器核VS_DSP，VS1053通過SPI接口來接受輸入的音頻數據流，它既可以作為從機，也可以作為主機。

2.2 電源電路設計

圖1 系統框架圖

電源設計的核心是保證系統的正常運行，同時以提高產品性能，節約資源，降低功耗為目的。為了提高功放的功率，降低損耗，采用12V的電壓給系統供電。該電源首先使用變壓器進行降壓，再采用LM7812進行穩壓，輸出電壓達到12V，電流為1.5A，電壓容差為5%。由于本系統中使用了低壓單片機，因此采用AS1117電源穩壓芯片，輸出3.3V的電壓，為系統提供合適的電源。

2.3 SD卡

SD卡為安全數碼卡，它是在MMC的基礎上發展而來，SD卡的操作模式有兩種：Ⅰ、SPI模式；Ⅱ、SDIO通信模式。

當采用SPI模式時，首先需要先設置SD卡進入SPI模式，下面是具體的方法： 在安全數碼卡獲得CMD0命令時，CS引腳變為低電平，開啟SPI 模式；由于SD卡內部供電電壓需要上升，會占用64個時鐘周期，因此在發送CMD0命令之前，至少需要發送74個CLK，其中SD卡同步需要占用10個時鐘周期，這樣才可以對CMD0進行操作，值得注意的是，400KHz是CLK時鐘周期的最大值。

2.4 手機APP

本音響的最大創新是根據設計的音響系統，在Android系統手機上定制了人性化的控制界面，部分按鈕是雙擊按鈕，輔助完成了音響的豐富功能。其界面如圖2所示。

2.5 藍牙部分

圖2 藍牙APP控制界面圖

HC05模塊，是一款高性能的藍牙模塊，可以同手機、電腦等各種自帶藍牙功能的智能終端配對，支持的波特率范圍廣：4800-1382400。它的所有功能都是通過AT指令集控制，這我們僅介紹用戶常用的幾個AT指令，其指令結構為：AT+＜CMD＞＜=PARAM＞，其中CMD和PARAM都是可選的。A、修改通信波特率指令AT+UART=＜Param1＞,＜Param2＞,＜Param3＞；B、修改模塊主從指令AT+ROLE=0 或 1；C、修改配對密碼指令AT+PSWD=＜password＞；D、修改藍牙的名字AT+NAME=＜name＞。為了區別音傳藍牙與音響功能控制藍牙，我們在編程時，設置兩對藍牙的名字和配對密碼各不相同。

打開APP，與控制藍牙配對成功后，即可發送控制命令控制音響的狀態，當LED段碼顯示屏顯示音響為Blue狀態時，音響將自動連接到過去連接過的手機藍牙設備，連接成功后，可以直接在APP中控制音樂的播放、選曲、打開收音機等功能，同時還可以控制閃光燈顏色變化，閃爍的速度，不同風格的燈光等。另外，我們設計的另一對藍牙，專門負責音頻信號的傳輸。

2.6 分頻器

本款揚聲器對分頻器的要求不高，簡單的分頻器不但能減少音染，也能減少功率損耗。對于樣機來說，只需要兩階簡單的分頻電路就可以。為了使高音通道達到阻抗匹配，需增加補償元件。分頻點為560Hz、3.6kHz。高、中、低音揚聲器有不同的連接方式。對于音響的接線端子，原本沒有正負極之分的，我們可以用不同的顏色來區分。

2.7 燈光系統設計

這個部分要介紹Cortex-M3內核的單片機與燈光系統的結合，本系統主要包含了步進電機、反射鏡、聲控單元、激光燈等。由于這種單片機具有高速、低功耗等特點，利用這種MCU和音頻信號對步進電機進行控制，反射鏡將燈光發射后，使燈光的散射面積達到最大，燈光隨著音樂的節奏變化，產生不同形式的光。

2．7．1 電機控制電路

電機系統由兩個電機組成，X向電機和Y向電機, 通過手機APP發送命令控制激光器發光之后，單片機再控制X、Y向電機的運動，在空間各個方向投射出不同的燈光。電機控制電路如圖3所示。

圖3 電機控制電路

2．7．2 聲控激光器電路

電路主要由拾音器，晶體管和激光器等組成，當外界的音頻信號不發生變化時，VT1晶體管為臨界飽和狀態，此時兩晶體管為截止狀態，所以兩激光器處于熄滅狀態。當外界環境中音頻信號發生變化時，由于MIC為R1提供了偏置電流，C1正極的電流信號由音頻信號轉化而來，經過C1濾波后，VT1晶體管將基極的音頻電流信號進行放大。VT1晶體管的集電極電壓升高，使得VT2晶體管也導通，因此兩激光器發光，電路參數配置完成后，激光器的發光強度由外界的音頻信號決定，信號強度越大，激光器就越亮，反之，激光器就越暗，甚至不發光。其原理圖如圖4所示。

按照此原理電路，在半球形折射鏡內部設計7種顏色的36個激光器，經過折射發出來的光能夠鋪滿一周360度，使得照射面積達到最大。燈光效果圖5所示。

圖4 聲控閃光燈原理圖

圖5 燈光效果圖

3 箱體外觀

最后按照上述原理設計了樣機，音箱規格為21cm*21cm*41cm，采用高密度纖維板釘成，結實牢固。相比于主機箱，外部箱體制作相對簡單，對尺寸要求不是很嚴格。外部可以上漆，也可以貼紙。樣機采用的材料是純銀色鐳射貼紙，在閃光燈的照射下，更加炫麗奪目。箱體頂部為半球形折射鏡，給人以和諧與美的視覺體驗。音響樣機實物圖如圖6所示。

圖6 音響樣機實物圖

4 結語

在互聯網科技飛速發展的今天，消費者越來越注重品質生活，這款智能藍牙音響能夠滿足用戶足不出戶、只需動動手指便能擁有家庭式KTV的需求。此音響操作便捷，功能齊全，打破了傳統KTV點歌的空間要求和工具要求，外形簡約的同時不乏絢麗，符合大眾需求。這樣的音響擺在家里，是個非常不錯的選擇。同時，本款音響適應了現在智能設備的發展，為今后的音響研發奠定了一定的基礎。

[1]丁珍紅．基于STM32的高速大容量數據采集存儲系統設計[D]．上海交通大學,2011．

[2]羅偉．基于Android平臺的即時通訊系統的研究與實現[D]．湖南師范大學,2009．

[3]英正慶．黃達詮．藍牙與控制系統通訊技術研究[J]．電工技術,2003(04)．

姜道連，男，天津理工大學電子信息工程學院教師，助理研究員，主要從事高頻電子、Android系統的研發。

王江（1994—），男，貴州畢節人，大學本科在讀，主要從事嵌入式系統、電子電路的研究。

王詩涵（1994—），女，遼寧葫蘆島人，大學本科在讀，主要從事單片機、藍牙技術的研究。