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车载电脑数字收音机及音响功放调控体系设计

时间:2014-02-18 14:09来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本设计主要应用于车载环境,同时也可以作为智能家居系统的参考设计。设计中所使用的器件的抗干扰性和失真率直接影响到音响效果的优劣,在器件选择上要重点考虑。设计目的主要

1 绪论


1.1 研究背景
车载音响系统由PC机虚拟控制界面、调谐收音机模块与音响系统三部分组成,设计目的是为提供一个有效控制车载多媒体设备的解决方法,其设计思路是通过车载电脑控制各个模块的运行。目前车载收音机有两种常见方式,一种是传统意义的调谐收音机,通过调谐接收无线广播信号,进而将电台声音播放出来;另一种是通过网络实现的流媒体网络收音机[1],后者需要通过 WIFI 无线网络做系统支持,实现在线广播接收。本设计选用的是能在车载环境下工作的传统调频收音机模块方式,系统设计使用的主控制器为低功耗高性能的 PIC 系列单片机芯片 PIC16F1823,可以通过异步串行通信方式实现微控制器与车载电脑之间进行数据通信,通过 IIC 总线模式实现微控制器与其他外围从器件进行数据交换,发送指令和接收处理的数据。本设计主要应用于车载环境,同时也可以作为智能家居系统的参考设计[2]。设计中所使用的器件的抗干扰性和失真率直接影响到音响效果的优劣,在器件选择上要重点考虑。设计目的主要为了实现通过车载电脑控制完成对车内多媒体器件的统一操控,为用户提供便利条件,节省操作空间。


1.2 研究的目的和意义
目前随着科学技术进步,智能交通系统正不断发展,人们在享受安全驾驶的同时愈加注重驾驶的舒适性和便利性,车载音响系统作为一个辅助性的车内设备也受到越来越多的汽车制造商重视。经过多少年的技术改进,车载音响系统已经从一个简单的汽车收音机演变成现在集合音频播放、视频播放、辅助导航的综合车载电子系统[3]。车载收音机模块经过多年改进也发生了质与量的变化。自 1923 年美国汽车制造商将无线收音机配备在汽车上,无线电收音机就进入了车载产品的行列,后来随着科技进步,半导体技术得到发展和普及,汽车制造商开始使用半导体晶体管用于收音机模块,进一步提高了产品性能[4]。在上世纪 70 年代,集成电路开始全面发展,车载收音机得到进一步改善和发展的机会,同时汽车音响系统也逐渐形成。现在汽车音响系统已经发展成为一个集数字收音机、CD 播放器、MP3、DVD 视频播放器等设备于一体的多媒体车载系统,功能更加强大,更加能够满足市场的需要。传统的汽车控制台是由多个控制设备分别控制不同的器件,整体设计空间要求大且操作繁琐[5],本系统设计主要任务是完成一个能够将包括车载收音机、车载音响等在内的多种音频音响设备统一操作的系统。本课题偏向于实际应用,主要的设计任务是利用单片机强大的控制功能,实现车载电脑对车内各多媒体器件的控制模块的集中整合,避免了多器件多控制器的局面,方便使用者有效控制。设计从硬件方面搭建出车载音响系统,通过软件编程实现数字调谐收音机以及音响功放的调控工作,丰富设计要求。多输入通道的音频处理器可以接入多个车载多媒体设备的输出信号,使用者可以在车载电脑内通过触屏界面方式控制电脑内部的 CD 播放器、视频播放器以及外部调频收音机模块的播放,并通过电脑显示界面查看当前各播放器与音响的工作状态。


1.3 研究的主要工作
本论文主要讨论基于 PIC 单片机的车载环境多媒体系统设计,设计重点在于完成数字调谐收音机设计和车载音响设计,并通过 Labwindows 设计虚拟界面实现软件控制。在阐述设计之前需要首先对 PIC 单片机工作原理以及选取的外围器件进行简要介绍,其次需要逐一介绍各个模块。在系统设计中,使用单片机实现对外围器件的控制调试部分,并根据实物调试论述基于 PIC 单片机对音频设备以及音响调控系统的设计方法和过程,该系统能够实现车载多媒体的控制,并分为多个模块,具有一定的实用性和可移植性。本设计使用 PIC16F1823单片机芯片作为主处理器,在保证完整实现设计要求的同时尽可能的充分利用单片机本身的特点。本论文共用六个部分来详细阐述设计内容。
第一章 概述设计的背景以及研究概况;
第二章 介绍系统设计的总体方案,包括基本设计要求和整体架构;
第三章 系统硬件设计各个模块介绍;
第四章 系统软件设计的介绍,包括软件实现过程以及虚拟控制界面的介绍;
第五章 简要论述调试过程和分析结果;
第六章 总结全文,分析问题并提出展望。


2 系统总体构架


2.1 系统设计要求
本设计任务是完成车载多媒体的调控系统,可充分利用了微控制器的内部资源完成设计,通过车载PC机与微控制器间的数据传输实现其对车载收音机和音响设备的控制。考虑到目前车载市场拥有大量的音频以及视频设备,如果将各种设备的控制面都排列到驾驶室内,这种多器件多控制台的形式必然会造成空间的浪费,也不便于设备的操作。为了节省车内驾驶室控制台的空间、方便驾驶员对车内娱乐设备的综合控制,本设计选择将各项设备控制模块集合到 PC机内,通过在车载电脑的软件界面操作完成各项功能。考虑到目前的PC机已经可以支持对音乐以及视频的播放,本设计主要实现PC机对数字收音机的控制,以及车载音响的调控。上位机模块:首先利用 Lab windows 软件完成虚拟界面的设计,将相应的指令代码写入单片机中,保证上位机通过串行通信方式发送具体指令控制单片机工作。用户可以对上位机界面进行操作实现各模块运行,同时使软件界面接收由单片机处理过的数据并将数据显示出来。单片机模块:作为系统的控制器模块,主要实现各项指令操作完成对各外围从器件芯片控制以及接收从器件发送的数据,单片机具有数据处理能力,对数据进行处理后送到上位机进行显示。收音机模块:调谐收音机作为音频发生器,需要合理设计减少噪声干扰,保证音频质量。硬件与MCU连接,接收控制器发送的各项指令,主要实现的内容有频点写入,电台搜寻,静音控制以及实现休眠与工作状态转换等。音响模块:该模块又分为音频控制模块和功放模块,通过两个模块完成车载音响的控制。音频控制模块作用是实现音量调节、音效控制等功能,功放模块完成音频功率放大的操作。


3系统硬件设计 ....6
3.1 单片机模块...... 6
3.2 电源模块........ 11
3.3 调频模块........ 13
3.4 音响模块........ 17
3.5 电路板制作.... 20
3.5.1 电路设计原则........ 20
3.5.2 PCB 设计概述 ........ 22
3.5.3 PCB 布局布线 ........ 22
3.6 本章小结........ 24
4 系统软件设计 ........25
4.1 PIC 编程简介 ....... 25
4.2 总体设计........ 27
4.2.1 设计需求分析........ 27
4.2.2 总体设计框图........ 28
4.3 软件初始化.... 28
4.4 调谐及音响系统设计...... 31
4.5 单片机软件设计........ 37
4.5.1 MCU 与芯片通信 ........ 37
4.5.2 数据读写子程序.... 37
4.6 Labwindows/CVI 设计..... 40
4.7 本章小结........ 45
5 系统调试.....46
5.1 Proteus 仿真软件........ 46
5.2 串行通信调试...... 46
5.3 异步通信调试...... 47
5.4 上位机调试.... 48


结论


本设计是在导师理论指导下,由个人独立完成,在设计和调试过程中难免会出现一些问题,下面描述下在设计过程中出现了几个问题:
1. 考虑到为了便于修改和完善硬件设计,本设计中调试板器件的封装大部分选用的是直插式,造成了一定的浪费,同时没有保证到电路板的美观度。
2. 所有元器件的焊接均由手工完成,焊接经验的欠缺导致在焊接过程中出现过失误,造成部分芯片浪费。在硬件 PCB 板绘制时,选择地线及电源线的线宽较窄,虽然对本设计的影响较小,但是值得注意。
3. 在调试过程中出现芯片过热现象,查找原因首先考虑出现电路短路情况,使用万用表对电路板进行检测,查找是否短路,查找短路位置,重新焊接;其次考虑工作电压过大,就电源电压进行检测,并对比芯片器件用户数据手册的工作额定电压选择合适供电电压。
4. 在使用 PICKIT3 对芯片进行调试过程中,出现无法查找到目标芯片的情况,在查找原因时先用示波器检查 PICKIT3 是否正常工作,后检查连接电路是否正确,在线路中是否与电容相连,确定问题出现在硬件设计还是下载器,后经反复调试使该问题得到解决。
5. 在进行 IIC 读操作时,无法获取数据。先是考虑 IIC 相关寄存器初始化是否出错,再考虑时序写入时是否出现错误。在调试时先在读数据前加上寄存器地址,经验证可以调试通过,但是读取的数值全是错误的数据 1,后对程序进行逐步调试,发现可能是应答位出现错误。该问题的解决方法是逐条发送应答数据。


参考文献
[1] 瞿杨霞. 基于嵌入式 Linux 的流媒体网络收音机系统的设计与研究:[D].太原:中北大学,2008.
[2] 粟慧龙,韩雪. 基于 AT89S52 智能家居背景音乐控制器的设计与实现[J]. 科技信息,2010 (008): 111~112
[3] 陈镘煚. 汽车音响系统的设计:[D].天津:天津大学,2007.
[4] 唐和国. 汽车导航多媒体系统设计与实现:[D].沈阳:东北大学, 2009.
[5] Tae, K. O. Apparatus for operating the front panel of a car audio system: U.S. Patent6,398,168[P]. 2002.
[6] 邸春芳. 车载 MP3 的应用设计[J]. 计量与测试技术, 2008, 35(9): 36~38
[7] 赵化启,闫广明,孙小君. 零基础学 PIC 单片机.北京:机械工业出版社, 2010. 1~4
[8] Microchip .PIC16F1823/PIC16LF1823 Data Sheet .2010.
[9] 赵建领. 51 系列单片机开发宝典. 北京:电子工业出版社, 2007.197~221
[10] 葛磊蛟,毛一之,李歧,等. 基于C 语言的 RS232 串行接口通信实现[J].河北工业大学学报, 2009, 37(6): 11~16

(责任编辑:gufeng)
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