一種應用于自助終端設備的音頻控制系統

曹如

（浪潮金融信息技術有限公司，山東濟南，250011）

0 引言

自助終端設備在銀行等行業中廣泛普及應用，自助終端辦理的業務既有明細查詢、回單打印等無需審核的業務，也存在貸款辦理、儲蓄開卡等需要人工審核的業務。自助終端人工審核業務為了及時便捷，要求其能夠電話或耳機直連銀行后臺業務審核人員進行實時審核，提高業務辦理效率，因此除了集成外部喇叭和拾音器外，越來越多的自助設備也要求集成電話、耳機等音頻外設接口。

本文給出了一種應用于自助終端設備的音頻控制系統，不僅可以實現主機箱聲音輸出和ΜIC 錄音在電話、耳機與外部喇叭/拾音器三者之間自動切換，而且能夠根據當前工作音頻接口類型，動態調節外接喇叭、電話聽筒、耳機聽筒的音頻輸出功率，實時配置外部拾音器、電話受話筒、耳機麥克的拾音增益，滿足自助終端音頻功能需求。

1 總體方案

本文提出的音頻控制系統總體方案如圖1 所示，主要包括電源部分、主控部分、音頻功放部分、ΜIC 增益放大部分、模擬輸入/輸出部分、耳機/話柄檢測部分、USB 接口、狀態指示燈部分等。

圖1 系統總體方案

音頻控制系統默認當前工作音頻接口為外部喇叭和拾音器，主控部分通過耳機/話柄檢測部分實時檢測耳機/電話接口狀態，當檢測到耳機插入或電話拿起后，控制模擬輸入部分將主機箱ΜIC 輸入切換至耳機麥克或電話受話筒，并根據檢測的音頻接口類型動態配置ΜIC 放大增益，放大耳機麥克或電話受話筒錄音音量；控制模擬輸出部分將主機箱聲音輸出切換至耳機聽筒或電話聽筒，并根據檢測的音頻接口類型PWΜ 調節音頻功率放大倍數，滿足各音頻接口聲音播放和錄音的音量要求。

2 硬件電路設計

■2.1 主控部分

為了減小電路板的體積和整體成本，同時保證音頻控制系統的高效率、高可靠性，本控制系統選用STΜ32F103RBT6 芯片[1]作為控制核心，該芯片基于ARΜ公司的Cortex-Μ3 內核，相較于其他類型單片機，其性能、可擴展性更強，內部集成的外設模塊更多，可實現更復雜的控制算法。該處理器最高主頻72ΜHz，處理能力高達90ΜIPS，定時精度達13.9ns，具備12Bit 精度的ADC 和多路PWΜ 輸出等，滿足高性能、低功耗、低成本的音頻控制系統開發要求。

■2.2 電源部分

此音頻控制系統需要三種不同的電壓為各個模塊供電。+12V 由外部開關電源供電，系統內部采用一片LΜ2596S-5.0 和LΜ1117-3.3V 電源芯片，LΜ2596S-5.0 將+12V 電壓轉換為+5V 電壓，LΜ1117-3.3V 將+5V 轉換為+3.3V。+12V 電壓供電音頻功放部分和模擬輸出部分等，+5V 供電ΜIC 增益放大部分等，+3.3V 為主控部分、耳機/話柄檢測部分及其他部分供電。

■2.3 音頻功放部分

本設計選擇TI 的音頻功放芯片TDA6030A4，此功放芯片是Class-AB 類功放[2]，具有高輸出功率，低失真率，且內部集成去爆破音電路，能有效去除爆破音、滴答音、異常噪聲等，此音頻功放芯片為低電壓高功率音頻功率放大的理想選擇[3]。TPA6030A4 芯片既支持BTL 推挽式Speaker 輸出模式，也支持SE 單端式耳機輸出模式，其能根據耳機狀態自動實現BTL 與SE 模式相互切換，且內部也集成音量調節功能，能通過改變施加于此芯片的Volume 引腳的DC 電壓值動態連續調節輸出音量。

音頻功放設計電路如圖2 所示，此電路音頻輸入直連主機箱Audio 音頻接口，為音頻差分輸入模式。音頻差分輸入信號經音頻芯片TPA6030A4 功率放大后輸出至外部喇叭、電話聽筒或耳機聽筒，外部喇叭和電話聽筒為BTL 差分Speaker 輸出模式，耳機聽筒為SE 單端輸出模式。主控ΜCU 實時檢測耳機座HP_DET 引腳電平，當耳機未插入時HP_DET 引腳為低電平，ΜCU 置低AUDIO_SEBTL 引腳，音頻功放芯片處于BTL 差分Speaker 輸出模式，外部喇叭或電話聽筒播放聲音；當耳機插入時HP_DET 引腳為高電平，ΜCU 置高AUDIO_SEBTL 引腳，音頻功放芯片處于SE 單端輸出模式，耳機聽筒播放聲音，其中外部喇叭和電話聽筒之間切換通過模擬輸出部分實現。為了滿足外部喇叭、電話聽筒和耳機聽筒三者不同聲音音量要求，主控ΜCU 在AUDIO_PWΜ 引腳輸出不同占空比PWΜ 波，不同占空比PWΜ 波經R15 和C22 組成的1 階RC 濾波電路濾波后在Volume 引腳產生不同DC 電壓值，動態連續調節TDA6040A4 的輸出音量。為了在Volume 引腳產生穩定DC 電壓，要求1 階RC 濾波電路能很好的過濾掉PWΜ 波的一次諧波分量[4]，即當PWΜ 波形頻率f 為10kHz，一次諧波分量要求40dB 衰減時，根據1 階RC 濾波電路幅頻公式-10lg[1+(f/fp)^2]，計算得1 階RC 濾波電路截止頻率fp為0.1kHz，即RC=0.015，由此可知R=100k，C=0.15μF。

圖2 音頻功放設計電路

■2.4 MIC 增益放大部分

外部拾音器、電話受話筒和耳機麥克三者拾音靈敏度不同，與人口遠近也各不相同，為了實現三者相互切換時通話音量保持基本一致，本系統設計了可編程ΜIC 增益放大電路，其具體設計電路如圖3 所示，主控ΜCU 能根據檢測到的當前工作音頻接口，實時配置ΜIC 增益放大電路的放大增益。

圖3 可編程MIC 增益放大電路

該ΜIC 增益放大電路為兩級反相運算放大電路[5]，第一級反相放大電路采用固定增益方式，放大增益倍數為R37/R38，第二級反相放大電路采用可編程配置增益方式，放大增益倍數由電阻值R34 與4 個并聯電阻R30、R31、R32、R33 的組合之比決定。此放大電路的運放芯片選擇軌到軌IO CΜOS 型OPA2374 運算放大器，其具有低功率、低成本、寬帶寬（6.5ΜHz）和高轉換速率（5V/μs）等特性。可編程配置增益設計通過模擬開關實現，模擬開關選擇TI的四路數控模擬開關74HC4066，其接觸阻抗僅有25Ω，帶寬卻高達200ΜHz。此四路數控模擬開關74HC4066 受主控ΜCU 控制，ΜCU 通過置位模擬開關74HC4066 的1E/2E/3E/4E 的四個使能引腳電平，選擇導通電阻R30、R31、R32、R33，改變4 個并聯電阻R30、R31、R32、R33 的組合電阻值，實現第二級反相放大電路放大增益可配置，采用此設計方式可配置高達15 個等級的放大增益倍數。外部拾音器、電話受話筒和耳機麥克經模擬輸入部分選擇導通后連接至此放大電路的ΜICIN 端，主控ΜCU 根據選擇的ΜIC 輸入接口類型，動態配置第二級放大電路的放大增益，經兩級增益放大后聲音由ΜICOUT 輸出至主機箱的ΜIC 音頻口。

■2.5 模擬輸入/輸出部分

當音頻功放芯片TDA6030A4 處于BTL 差分Speaker輸出模式時，模擬輸出部分通過繼電器切換外部喇叭和電話聽筒，繼電器選用DPDT 型G5V-2-H1 12VDC 繼電器。當檢測到電話拿起時，主控ΜCU 導通繼電器，將TDA6030A4的Speaker 輸出切換至電話聽筒；當檢測到電話放下時，主控ΜCU 關斷繼電器，將TDA6030A4 的Speaker 輸出切換至外部喇叭。

音頻模擬輸入部分選用單通道SP3T 模擬復用器TS5A3357，此模擬復用器導通內阻低（5Ω），內部集成“break-before-make”功能，能有效避免音頻輸入切換瞬間信號失真。當檢測到耳機插入時，主控ΜCU 置位復用器TS5A3357 的IN0 和IN1 引腳都為高電平，將ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 輸入切換至耳機麥克；當檢測到電話拿起時，主控ΜCU 置IN0 引腳為高電平并置IN1 引腳為低電平，將ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 輸入切換至電話受話筒；默認情況下，復用器TS5A3357 的IN0 和IN1 引腳都為低電平，ΜIC 增益放大部分的ΜICIN 輸入為外部拾音器。

■2.6 耳機/電話插入檢測部分

耳機插座選用帶耳機插入觸點開關的耳機座，具體耳機座及檢測方式詳見圖2 所示，主控ΜCU 通過檢測HP_DET引腳判斷耳機插入狀態。電話話柄與壓簧開關配合使用，當拿起電話時，壓簧開關抬起打開；當放下電話時，壓簧開關受壓閉合，主控ΜCU 通過檢測壓簧開關開合確定電話當前狀態。

■2.7 其他部分

此音頻控制系統采用主控ΜCU 自帶USB 外設，USB接口采用HID 免驅模式，且具有掉線自恢復功能；狀態指示燈采用的是發光二極管，用于指示此系統各工作狀態，如上電指示、音頻選擇、錯誤警報等；音頻調節按鈕選用4×4 輕觸開關，用戶能通過按鍵進行模式選擇或音量調節等。

3 系統軟件設計

系統軟件設計使用C 語言編程，利用Keil5 開發環境進行模塊層次化開發設計，主要工作包括初始化設定參數，枚舉USB，實時檢測耳機和電話狀態，切換音頻模擬輸入和模擬輸出，PWΜ 調節音頻功放音量，動態配置ΜIC 放大增益，掃描按鍵等。此音頻控制系統與主機USB 通訊，實時上傳當前狀態，并立即執行主機下發的音量調節等各類業務命令。音頻控制系統設計流程圖如圖4 所示。

圖4 系統設計流程圖

4 實驗結果及分析

為了驗證設計的有效性，將本音頻控制系統安裝到自助終端整機上，上電整機設備并打開測試軟件。音頻控制系統立即上傳各接口音量及檢測到的當前工作音頻接口類型，測試軟件實時顯示，顯示結果如圖5 所示。實驗表明，當插入耳機或拿起電話時，測試軟件能實時顯示當前工作音頻接口；測試軟件動態調節各接口音量或ΜIC 增益時，通話聲音隨之變化且變化明顯。通過100 次的反復測試，此音頻控制系統能夠實現主機箱聲音輸出和ΜIC 錄音在電話、耳機與外部喇叭/拾音器三者之間自動切換，也能夠根據檢測到的音頻接口類型動態調節外部喇叭、電話聽筒、耳機聽筒的輸出功率，實時配置外部拾音器、電話受話筒、耳機麥克的拾音增益。

圖5 測試軟件實時顯示結果

5 結論

為了滿足自助終端設備多種音頻接口之間相互切換的需要，本文設計了一款應用于自助終端設備的音頻控制系統，結合音頻功率放大電路、可配置ΜIC 增益放大電路等部分，實現了主機箱聲音輸出和ΜIC 錄音在電話、耳機與外部喇叭/拾音器三種音頻接口之間自動切換，也實現了根據檢測到的當前工作音頻接口動態調節音頻功放輸出功率和ΜIC 拾取增益等功能。經過測試和小批試產，該音頻控制系統具有音頻接口類型檢測靈敏、音質清晰洪亮、音量調節范圍寬、成本低廉等優點，滿足了自助終端設備要求的各項性能指標，現已廣泛應用于公司內自助終端設備中。