天津理工大学电子信息工程学院 王 江 王诗涵 姜道连

基于Android系统的新型KTV多功能音响

天津理工大学电子信息工程学院 王 江 王诗涵 姜道连

本文介绍了基于Android系统的新型KTV多功能音响。本设计由Cortex-M3内核的处理器、电源、音频解码器、SD卡、收音机、蓝牙模块、分频器、闪光灯、Android 手机APP等模块组成。这款新型的音响整合了传音、点歌、无线控制与灯光系统，搭载了双对蓝牙系统，一对蓝牙负责音频传输，另一对蓝牙负责音响功能控制，极大地提高了系统的效率性与稳定性。这款音响同时还搭载了智能手机APP操作软件,可以通过安装第三方软件扩展其功能。这是新型蓝牙音响与传统蓝牙音响的根本区别,也是本款音响最大的特点。

Cortex-M3；蓝牙；手机APP；闪光灯；收音机

0 引言

随着智能产品的研发，谷歌Android系统和苹果iOS系统在智能产品上的竞争已经进入白热化阶段,现在越来越多的产品已经加入到了智能化的阵营中。由智能操作系统统一管理设备的软硬件,能够有效整合可利用资源。通过更为人性化、简洁易懂的APP操作界面来与用户沟通，使得用户能够以更加简单有效的方式来操作智能蓝牙音响。而目前，家庭式KTV也越来越得到消费者的喜爱。因此，智能蓝牙音响的研发和设计迫在眉睫。

1 系统设计框架

音响通电后，每一个外围设备开始工作，通过手机自带蓝牙功能（以下简称音发蓝牙），与音收蓝牙配对成功后，即可发送音频数据给音频主控芯片，音频解码器将接收到的数据进行解码处理之后，根据功能控制芯片Cortex-M3内核的处理器发出的命令进行执行。处理器将根据音收蓝牙接收到的音频数据，分析之后控制闪光灯随着音乐的节奏闪烁。蓝牙APP发送功能控制指令，Cortex-M3处理器接收到指令之后，控制各个模块启动与关闭。系统框架图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 音频处理芯片选择

VS1053是VLSI公司的一款高性能解码芯片。利用该芯片，我们可以实现MP3/OGG/WMA/WAV/FLAC/AAC/MIDI等各种音频文件的播放，同时也支持ADPCM/OGG等格式的编码。这种芯片拥有16K的指令RAM，8个可用的通用IO口和一个串口，内部PLL锁相环时钟倍频器，带有EarSpeaker空间效果，内含高性能片上立体声DAC，特殊应用的SPI Flash引导，它还内嵌了一个高性能的DSP处理器核VS_DSP，VS1053通过SPI接口来接受输入的音频数据流，它既可以作为从机，也可以作为主机。

2.2 电源电路设计

图1 系统框架图

电源设计的核心是保证系统的正常运行，同时以提高产品性能，节约资源，降低功耗为目的。为了提高功放的功率，降低损耗，采用12V的电压给系统供电。该电源首先使用变压器进行降压，再采用LM7812进行稳压，输出电压达到12V，电流为1.5A，电压容差为5%。由于本系统中使用了低压单片机，因此采用AS1117电源稳压芯片，输出3.3V的电压，为系统提供合适的电源。

2.3 SD卡

SD卡为安全数码卡，它是在MMC的基础上发展而来，SD卡的操作模式有两种：Ⅰ、SPI模式；Ⅱ、SDIO通信模式。

当采用SPI模式时，首先需要先设置SD卡进入SPI模式，下面是具体的方法： 在安全数码卡获得CMD0命令时，CS引脚变为低电平，开启SPI 模式；由于SD卡内部供电电压需要上升，会占用64个时钟周期，因此在发送CMD0命令之前，至少需要发送74个CLK，其中SD卡同步需要占用10个时钟周期，这样才可以对CMD0进行操作，值得注意的是，400KHz是CLK时钟周期的最大值。

2.4 手机APP

本音响的最大创新是根据设计的音响系统，在Android系统手机上定制了人性化的控制界面，部分按钮是双击按钮，辅助完成了音响的丰富功能。其界面如图2所示。

2.5 蓝牙部分

图2 蓝牙APP控制界面图

HC05模块，是一款高性能的蓝牙模块，可以同手机、电脑等各种自带蓝牙功能的智能终端配对，支持的波特率范围广：4800-1382400。它的所有功能都是通过AT指令集控制，这我们仅介绍用户常用的几个AT指令，其指令结构为：AT+＜CMD＞＜=PARAM＞，其中CMD和PARAM都是可选的。A、修改通信波特率指令AT+UART=＜Param1＞,＜Param2＞,＜Param3＞；B、修改模块主从指令AT+ROLE=0 或 1；C、修改配对密码指令AT+PSWD=＜password＞；D、修改蓝牙的名字AT+NAME=＜name＞。为了区别音传蓝牙与音响功能控制蓝牙，我们在编程时，设置两对蓝牙的名字和配对密码各不相同。

打开APP，与控制蓝牙配对成功后，即可发送控制命令控制音响的状态，当LED段码显示屏显示音响为Blue状态时，音响将自动连接到过去连接过的手机蓝牙设备，连接成功后，可以直接在APP中控制音乐的播放、选曲、打开收音机等功能，同时还可以控制闪光灯颜色变化，闪烁的速度，不同风格的灯光等。另外，我们设计的另一对蓝牙，专门负责音频信号的传输。

2.6 分频器

本款扬声器对分频器的要求不高，简单的分频器不但能减少音染，也能减少功率损耗。对于样机来说，只需要两阶简单的分频电路就可以。为了使高音通道达到阻抗匹配，需增加补偿元件。分频点为560Hz、3.6kHz。高、中、低音扬声器有不同的连接方式。对于音响的接线端子，原本没有正负极之分的，我们可以用不同的颜色来区分。

2.7 灯光系统设计

这个部分要介绍Cortex-M3内核的单片机与灯光系统的结合，本系统主要包含了步进电机、反射镜、声控单元、激光灯等。由于这种单片机具有高速、低功耗等特点，利用这种MCU和音频信号对步进电机进行控制，反射镜将灯光发射后，使灯光的散射面积达到最大，灯光随着音乐的节奏变化，产生不同形式的光。

2．7．1 电机控制电路

电机系统由两个电机组成，X向电机和Y向电机, 通过手机APP发送命令控制激光器发光之后，单片机再控制X、Y向电机的运动，在空间各个方向投射出不同的灯光。电机控制电路如图3所示。

图3 电机控制电路

2．7．2 声控激光器电路

电路主要由拾音器，晶体管和激光器等组成，当外界的音频信号不发生变化时，VT1晶体管为临界饱和状态，此时两晶体管为截止状态，所以两激光器处于熄灭状态。当外界环境中音频信号发生变化时，由于MIC为R1提供了偏置电流，C1正极的电流信号由音频信号转化而来，经过C1滤波后，VT1晶体管将基极的音频电流信号进行放大。VT1晶体管的集电极电压升高，使得VT2晶体管也导通，因此两激光器发光，电路参数配置完成后，激光器的发光强度由外界的音频信号决定，信号强度越大，激光器就越亮，反之，激光器就越暗，甚至不发光。其原理图如图4所示。

按照此原理电路，在半球形折射镜内部设计7种颜色的36个激光器，经过折射发出来的光能够铺满一周360度，使得照射面积达到最大。灯光效果图5所示。

图4 声控闪光灯原理图

图5 灯光效果图

3 箱体外观

最后按照上述原理设计了样机，音箱规格为21cm*21cm*41cm，采用高密度纤维板钉成，结实牢固。相比于主机箱，外部箱体制作相对简单，对尺寸要求不是很严格。外部可以上漆，也可以贴纸。样机采用的材料是纯银色镭射贴纸，在闪光灯的照射下，更加炫丽夺目。箱体顶部为半球形折射镜，给人以和谐与美的视觉体验。音响样机实物图如图6所示。

图6 音响样机实物图

4 结语

在互联网科技飞速发展的今天，消费者越来越注重品质生活，这款智能蓝牙音响能够满足用户足不出户、只需动动手指便能拥有家庭式KTV的需求。此音响操作便捷，功能齐全，打破了传统KTV点歌的空间要求和工具要求，外形简约的同时不乏绚丽，符合大众需求。这样的音响摆在家里，是个非常不错的选择。同时，本款音响适应了现在智能设备的发展，为今后的音响研发奠定了一定的基础。

[1]丁珍红．基于STM32的高速大容量数据采集存储系统设计[D]．上海交通大学,2011．

[2]罗伟．基于Android平台的即时通讯系统的研究与实现[D]．湖南师范大学,2009．

[3]英正庆．黄达诠．蓝牙与控制系统通讯技术研究[J]．电工技术,2003(04)．

姜道连，男，天津理工大学电子信息工程学院教师，助理研究员，主要从事高频电子、Android系统的研发。

王江（1994—），男，贵州毕节人，大学本科在读，主要从事嵌入式系统、电子电路的研究。

王诗涵（1994—），女，辽宁葫芦岛人，大学本科在读，主要从事单片机、蓝牙技术的研究。