基于PIC单片机的数码虚拟环绕声控制器设计

引言

在智能娱乐技术快速发展的大背景下，消费者已经普遍希望营造家庭影院的声响效果。配置一套家庭影院音响系统，需要环绕声处理器和较大功率的AV功放，并且至少有5或6只音箱。而通过5、6只音箱来表现声像定位和营造环绕声效果，不仅对室内声学特性、音箱摆放和声音调校的要求较高，并且占用空间大，投资份额占到整个系统的一半以上，很难令广大消费者接受。

随着虚拟环绕声技术的迅速发展和普及应用，仅使用2只音箱就能实现以往5只音箱才能产生的符合DolbyPro-Logic或Dolby Digital(AC-3)标准的环绕声场，有效地解决了家庭影院音响系统投资大、占地面积大的问题。本文设计了基于PIC单片机的数码虚拟环绕声控制器，提供一种具有较高性价比、使用方便的红外遥控数码虚拟环绕声控制平台。该控制器具备很高的实用价值，已成功运用于深圳某音响企业。

1硬件方案

1.1主控芯片的选择

选择一款合适的单片机对于嵌入式系统设计是很重要的，选型基本原则是资源够用、性价比高、稳定易用。PIC16C57作为Microchip公司较早推出的PIC单片机，具有高速度、低价格、低功耗、抗干扰性强、易于开发使用等众多优点，在家电、仪表、工控、终端外设等方面的表现尤为突出。PICl6C57内置2K×12位EPROM、72字节RAM空间、1个定时器、看门狗，以及独立的数据和程序存储器总线。高性能的RISC结构决定它比一般的单片机更简单实用，符合选型要求。

I／O端口作为与外围电路连接的通道，也是选型时考虑的重点。其端口数量除了满足本设计要求之外，还应有一定余量以便日后功能扩展。PIC16C57提供20位I／O端口(RA0～RA3、RB0～RB7、RC0～RC7)，端口结构为CMOS互补推挽电路，驱动能力强。

1.2 系统结构设计

整体系统结构如图1所示。TV、RADIO、CD、VCD／DVD等音源输入到数码虚拟环绕声控制器中，通过音源选择、解码、虚拟处理变成两声道，输出至后续的AV功放或有源音箱。



控制器由PIC16C57单片机、音量音调调节电路、虚拟环绕声电路、红外遥控电路、键盘及VFD显示屏电路构成，其硬件电路框图如图2所示。(L1，R1)…(L4，R4)为4组输入音源，FL、FR为处理后的输出虚拟环绕声，CI、RLI、RRI、SUBI为扩展多声道输入(如DVD声道)，CO、RLO、RRO为对应输出，用户可通过多只音箱进行多种组合来实现5.1声道环绕声效果。



系统中与PIC16C57相连的外围电路模块有虚拟环绕声电路、音量音调调节电路、键盘、红外遥控模块、VFD显示模块及状态指示电路，如图3所示。I／O端口资源使用情况如表1所列。其中，RB6、RB7和虚拟环绕声调节电路的I2C接口连接，RC0～RC2三位I／O与音量音调调节电路的SPI接口相连，状态指示LED直接由I／O口驱动；同时，I／O端口接收红外命令和检测按键，并控制VFD显示模块实现状态显示。

2 功能模块设计

2.1 虚拟环绕声电路

家庭影院音响系统的核心之一是环绕声技术。本设计采用的虚拟环绕声技术能对多声道的信号进行虚拟处理，在两个平行放置的音箱中回放出来，让人感觉到环绕声的效果。虚拟环绕声技术中比较有名的为SRS公司的TruSurround、QSound公司的QSurround以及Aureal公司的A3D等方案。通过大量听音测试实验，在声音流畅性和准确度、对话可懂度、声像定位精确度等方面的比较，QSound公司的QSurround是声音定位、空间感和包围感最好的系统。

武汉力源电子有限公司推出的PS8888是采用了由QSound实验室开发并专有的QSurround技术的一款功能强大的虚拟环绕声处理芯片。用它进行音箱的虚拟定位，可维持原有的保真度，处理后的虚拟环绕声音色均匀性、临场感等方面的表现不亚于真实多音箱系统，效果很好。

PS8888内置16种处理模式，不仅具有空间环绕定位效果增强式的回放，而且能够提高声道分离度。它产生的虚拟环绕声场可通过2、3、4、5、5.1声道输出，并且具有直通和效果增强两种模式输出。其外围电路连接图如图4所示。FLI、FRI为音源选择输入信号；经虚拟处理后的FLO、FRO输出至音量控制电路；CI、SUBI、RLI、RRI为扩展声道输入，CO、RLO、RRO为扩展声道输出，主要针对DVD视盘机输出的Dolby环绕4声道或5.1声道信号；SCL、SDA为I2C引脚，通过上拉电阻与PICl6C57的I／O口相连。



2.2 音量音调调节电路

音源切换、音量、音调、平衡的调节等均采用模拟器件来实现。本设计选用武汉力源电子股份有限公司推出的高集成度芯片PS8889，一片芯片就可完成上述功能的数字化控制。PS8889是包含一个4路音源输入选择器的可编程音量音调控制器，调节方便准确。它能切换4种音源并针对不同的声源分别设置不同级别的增益，同时在降低L／R误差、步进误差、串扰以及最大衰减等方面都能体现了优良的性能，并对于低频或高频段均具有激发并增大响度的功能。总谐波失真(THD)为0.002％，其内部的过零检测使开关噪声仅为5μVrms，音量调节范围为0～-∞dB，还能对音调进行±12 dB的调整控制。

PS8889芯片在控制器设计中作为两部分使用：在输入选择器和音量控制器之间接入虚拟处理芯片，使得4路音源经选择器选择1路信号，送至虚拟处理芯片进行音效处理；然后再返回PS8889芯片，进行音量、音调等控制。电路如图5所示，(L1，R1，)…(L4，R4)为4组音源输入，通过选择器输出一组FLI、FRI至虚拟环绕声电路，经虚拟处理后返回进行音量、音调等控制；PS8889提供了3根串行控制线(DATA，CLK和STB)，方便与PIC16C57的I／O口RC0～RC2连接。PS8889的输出可以把L、R信号分成FL(前左)、RL(后左)和FR(前右)、RR(后右)，并可分别控制音量。本设计中只需FL和FR两路输出，接至有源音箱。