集成FM无线广播功能的两用USB声卡的设计与实现
摘要
针对电脑主板集成声卡无法实现高质量音频信号的输出与录入及声卡功能单一的情况，利用外置USB声卡实现优质音频信号输出与录入，并通过在USB声卡上集成FM 立体声无线广播功能，从而实现小范围的广播与音乐分享，达到一卡多用的目的。本课题采用德州仪器公司的PCM2912编解码芯片和BH1417F芯片实现USB音频信号的采集和立体声调频广播功能，并通过单片机配合1602液晶显示器实现对发射频率及工作状态的实时显示。该系统具有多频段立体声广播、高保真音频输出、携带灵活方便、可靠性强等优点。
关键词：USB声卡BH1417F 音频音质
THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A
MULTI-PURPOSE USB SUOND CARD WHICH INTEGRATION FM RADIO FUNCTION
ABSTRACT
For the existing situation of the motherboard integrated sound card can’t achieve the hig h quality audio signal of the input and output，I use the external USB sound card to make it come true, and we can realize the broadcasting and sharing music on a small scale area by integrating FM radio on the USB sound card. Texas Instruments Company’s PCM2912 codec chip and BH1417F chip is used in this issue, because they can realize the collection of USB audio signal and the function of FM stereo broadcasting, also, the real time display of emission frequency and operating mode can be realize by coordinating the single chip computer and 1602LCD. This system has many advantages, like multi band stereo broadcast、output of high fidelity audio、easy to carry、high reliability and so on.
Keywords: USB sound card BH1417F Audio Tone quality
目录
第一章绪论 (1)
1.1 本课题的提出及意义 (1)
1.2 声卡的研究现状 (1)
1.3 本课题的研究内容 (1)
第二章声卡硬件电路的设计 (2)
2.1 USB声卡的设计要求及硬件框图 (2)
2.2 音频编解码模块的设计与制作 (3)
2.2.1 编解码模块工作原理 (3)
2.2.2 元器件的选型 (4)
2.2.3 PCB板的设计与制作 (5)
2.4 无线发射模块的其设计与制作 (7)
2.4.1 BH1417F芯片的原理 (7)
2.4.2 FM发射电路设计 (8)
2.4.3 PCB板的设计与制作 (9)
2.5 单片机液晶显示模块的设计与制作 (11)
2.5.1 功能及其原理 (11)
2.5.2 功能实现原理图 (11)
2.5.3 PCB板的设计与制作 (12)
第三章声卡软件的设计 (13)
3.1 系统流程图 (13)
3.2 功能及原理 (13)
第四章声卡的综合调试 (14)
第五章总结 (15)
致谢 (17)
参考文献 (18)
附录1 (19)
第一章绪论
1.1 本课题的提出及意义
目前的计算机内部的集成声卡一般集成在主板上，位于主板的高速数字电路的环绕中，会受到强烈的高频干扰，从而导致声卡的音质普遍不佳。
本课题的研究的USB声卡，通过外接于机箱外或笔记本外的USB接口，不仅电磁环境优越，还可以跟据需要选择优质的解码芯片，从而实现高质量的音频信号输入或输出。其次，为解决目前外接声卡功能单一的情况，在USB声卡上集成FM无线广播功能，可随时切换到FM广播模式，可通过带FM功能的手机或耳机收听，从而实现一定范围内的广播或音乐共享。
1.2 声卡的研究现状
1996年，以英特尔为首的五个PC厂商英特尔、创新、NS、德州仪器与雅马哈共同提出了Audio Codec 97（简称AC97）的规格标准。目前市面上几乎几有的声卡都支持AC97标准。AC97虽然各方面的技术都很完善，但是AC97是为节省成本而制定的。长期以来AC97音频芯片都是集成在主板上，几乎可以视为是主板厂商免费附送的，而正是由于主板厂商不能从音频芯片上获利，因此也不重视，基本没有更新技术。而对音质影响更大的则是由于主板CODEC芯片周围电子元件的用料、走线和复杂的电磁环境。
目前市场上也有不少外置独立声卡，但卡功能都比较单一。因此，就有了以下本课题的研究。
1.3 本课题的研究内容
通过USB总线传输音频数据，把电脑主板上音频编解码的工作转移到USB总线上，通过外置USB编解码芯片，使编解码芯片得以脱离电脑主板复杂的布线及电磁环境，减少对模拟音频输出信号的干扰。此外，在外置USB解码模块电路板的设计上，通过数模电路分离及数模单独屏蔽，达到减少数字电路对模拟电路的干扰和抑制天线效应的目的，进一步提高音频质量。
另外在声卡上集成FM无线发射功能。音频解码芯片解码后得到的音频信号可通过耳机输出，也可同时输出给BH1417F无线发射芯片，利用BH1417的锁相环调频立体声发射功能，不仅能稳定地输出无线音频，还可以调节广播频率，实现小范围的广播或音乐分享，做到一卡多用。
第二章声卡硬件电路的设计
2.1 USB声卡的设计要求及硬件框图
设计要求：
（1）符合USB设备的规范、标准、协议以及USB音频类设备的特殊定义、规范、协议。符合微软推荐的标准设备标准，即只需有windows自带的USB音频设备驱动程序USBAudio即可正常工作，可实现在不同的电脑即插即用；
（2）具备音频输出和录音功能，可直接接耳机使用，也可接麦克风进行录音；
（3）输出功率能推动市面上主流的16欧姆电阻的耳机及32欧姆的高阻抗耳机；
（4）具备FM立体声无线调频广播功能，并且有线和无线模式可随意切换；
（6）具备1602液晶显示器，可实时显示无线广播的频率及工作状态；
下图为本次设计的USB声卡的硬件框图：
图2.1 硬件框图
2.2 音频编解码模块的设计与制作
2.2.1 编解码模块工作原理
PCM2912是由德州仪器设计生产的一款USB 接口音频编解码芯片，该芯片内部不但集成了可增益立体声耳机放大器，还集成了具有低噪声输入可编程增益的麦克风放大器，其中DAC 输出信号增益范围为0 dB 到-76 dB ，录音ADC 输入信号增益范围为-12 dB 到30dB 。这就使得外围电路省掉了由运算放大器构成的低通滤波放大电路，可做到在实现更多功能的情况下把模块做得更小。
右图为PCM2912的外形及引脚定义图：
它具有以下特性：
（1）采用集成化USB 接口设计，符合全速USB2.0规范及微软推荐的USB 拓展设备设计标准，完全支持Windows 操作系统的即插即用功能；
（2）集成了可增益立体声耳机放大器和具有低噪声输入可编程增益的麦克风放大器，支持回放和录音功能；
（3）独立的USB 数据时钟发生器，支持系统（外部）时钟输入；
（4）基于Windows 操作系统的声音控制功能，可直接由windows 音频管理器控制声音的回放、录音及声音大小；
（5）可驱动32欧姆高阻抗耳机。 下图为PCM2912编解码模块的工作原理图。
图2.2 PCM2912外形及引脚定义
图2.3 PCM2912编解码模块工作原理图
左边USB接口用于连接电脑端USB总线，USB接口有4根线，外边两根为电源线和中间两根为信号线。本模块采用USB2.0标准设计，理论传输速度可以达到480Mbps。可以满足无损音乐解码所需的带宽。
上图中接31引脚所接D2为编码状态指示灯和32引脚的D1为解码状态标志灯。当芯片工作在解码状态时，D1指示灯亮；当芯片工作在编码状态时，D2指示灯亮。
芯片的第17引脚为话筒的偏置电压端（约为0. 75V），对于驻极体话筒，需要通过该引脚接一电阻为其提供偏置电压，对于动圈式话筒，则不需要使用该引脚。考虑到目前应用最广泛的麦克风为驻极体话筒，所以本次设计为17引脚外接了电阻，为驻极体麦克风提供了偏置电压。
2.2.2 元器件的选型
由于PCM2912芯片的体积非常小，其封装形式为贴片封装，大小约为7mm*7mm。另外由于我们希望模块尽量小，以便搭配笔记本使用时可以方便随身携带，因此本次选用元器件要求在满足性能的基础上尽量选用小尺寸元件。基于以上要求，除了个别特殊要求，本次尽可能地选用了0603封装的贴片元器件。
另外，电路设计中有几种器件的选择要作特别考虑：
编解码指示灯采用红绿二极管各一个。绿色二极管为解码指示灯，红色二极管为编
码指示灯。
电路中C6和C16两个输出藕合电容对输出模拟信号的稳定性起着关键作用，而且其要求容量及稳定性要求较高。因此这里选用的是220uF的钽电解电容，以保证输出的音质。
USB电源端与芯片电源端之间串入了一个磁珠用于滤波。这里选用磁珠是因为磁珠滤波的效果比一般的电感要好。电感的感抗由电感量和信号的频率决定，为了让电感能够在较宽频率范围起到滤波作用，需要很大的电感量，由此带来的问题是电感的体积也会很大，但磁珠却能克服这个问题，它不但体积小，而且在相当宽的频率范围内能保持较高的阻抗，非常适合本模块的需求。所以，这里选用了1uH的磁珠。
最后，考虑到开关、耳机、麦克风及USB接口经常需要插拔或按动，为了使焊接更加牢固，这里选用了直插形式的封装。
2.2.3 PCB板的设计与制作
（1）原理图绘制：
本次PCB板的制作使用的是Altium Designer软件。关于编解码模块工作原理图请见图2.3。
为了适应手工焊接，本次所画的PCB封装相对于标准封装作了部分调整，主要是把焊盘长度的值调大了。
（2）布线：
在布线开始之前先对布线规则进行设定非常重要，本次PCB的线间距离设定为
10mil，电源线宽18mil，其它线宽为12mil。
虽然本次设计的整个模块电路规模不大，但是输出音频信号的电路如果稍不注意，很可能会引入噪声、因此设计电路板时，必须严格遵循PCB电路板设计的基本原则。
（3）敏感音频电路设计关键点及注意事项
数模电路分离：
我们知道数字电路的信号传输是以高低电平来表示1、0这些信号的，它只有两个值，不是1就是0，因此，只要数字电路不受到巨大的干扰，传输的信号是不会改变的。而模拟信号是一个连续的信号，即使只是受到微小的干扰，它的值就会发生变化，变化的大小则视受干扰的程度不同而不同。更重要的是在编解码电路中，数字信号由于快速变化会对模拟信号产生干扰，它相对于模拟信号而言是一种干扰源。因此在设计中要尽
可能地减少数模之间的干扰。本次为了减少数模干扰，采用了数模电路分离布局的方法。把模拟电路与数字电路两种电路分开放置，模拟电路在专门划分的模拟区内布线，数字信号在专门划分的数字区内布线。采用这种隔离方置的方法，使得数字信号的回路不会经过模拟信号区，从而减少对模拟电路的干扰。
如右图，数字电路相关的元器元器件及线路布局在左边，而模拟电路相关的元器件及线路则布局在右边，如此布局可大副减少数模干扰。
数字地模拟地分割桥接：
想要抑制数字信号对模拟信号的干扰，在PCB 设计中要严格遵守的两个基本原则：第一个是尽量减小电流的环路面积，以使信号能够通过尽可能小的环路返回，不至于形成一个环状天线，即我们通常所说的天线效应。第二个原则是系统只采用一个参考面，即电路板中只保留一个地平面。
如上图，把数字电路和模拟电路的地分割开，然后再进行桥接，这样无论在数字电路区还是在模拟电路区，地平面都能够提供一个最短的电流回流路径，这样做不但使电流环路的面积减小了，有效防止天线效应的产生，还能避免数字地中流过的电流对模拟电路产生干扰。
（4）PCB 板完成图 右图为PCB 板设计完成后的正反面图片，PCB 板大小为：长5cm 宽3cm ：
图2.5 编解码模块PCB 板正反面图
图2.4 数模分离示意图
（5）实物
经过打样，然后焊接得到实物。由于焊接过程比较简单，此处不再详述。右图为焊接完成后的实物图。其大小约为：长7cm 宽3cm ，比普通U 盘稍大。
2.4 无线发射模块的其设计与制作
2.4.1 BH1417F 芯片的原理
BH1417F 是一款集立体声FM 、频率合成和RF 放大器等功能于一体的大规模专用调频发射集成电路。它工作于87-108MHz 频段，与简单的外围电路配合使用，可发射FM 无线音频信号，配合普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传输。
BH1417F 芯片由5部分组成：音频预处理电路；基频产生电路；锁相环电路；频率设定电路；调频发射电路。右图为BH1417F 芯片的内部结构及引脚图：
图2.6 USB 编解码模块实物
图2.7 BH1417F 芯片的内部结构及引脚图
BH1417F具有以下优点：
（1）将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路一体化，音频信号的质量比分立元件的电路有很大改进；
（2）采用锁相环锁频，发射的频率非常稳定；
（3）采用4路高低电平进行频率设定，可设定14个频点，不但适用范围广，而且使用非常方便。
BH1417F芯片通过调节D0、D1、D2、D3引脚的高低电平改变发射频率，在87-108MHz 调频广播频段中，共有14种频段可以选择。频段分为低段和高段，每部分可以设置7个频点，由于不同频段的硬件电路参数有所差别，因此一般的电路设计中只能从两个频段中二选一。本设计选用的是高频段。下表为D0、D1、D2、D3引脚电平状态与各频点的对应表：
2.4.2 FM发射电路设计
下图为FM发射电路原理图。
图2.8 FM发射电路原理图
立体声信号的右声道通过1引脚输入，左声道通过22引脚输入。第2，3，20，21这四个引脚与外部的电容结合，对立体声信号起到低通滤波、预加重和调制的作用，调制后的复合信号通过第5引脚输出。第15，16，17，18引脚通过调节电平高低用于控制频率。输出后的信号可以根据需要直接接到发射天线上进行发射，或者输入到射频功率放大器进行放大后发射，射频功率越大，发射距离越远。
2.4.3 PCB板的设计与制作
本次FM无线发射模块同样采用贴片元器件制作。但与编解码模块不同的是，由于BH1417F芯片的封装体积比起PCM2912芯片更大，因此决定无线模块上的电阻电容都采用体积比0603封装稍大的0805封装形式，并增大其贴片焊盘的长度，以便利于手工焊
接。
本次使用双层板制作无线模块，因此在PCB两面均可以布线。由于无线模块使用
的元器件体积规格稍大，因此决定把线宽也设定得大一些。最终的设定是PCB的线间距
离设定为10mil，电源线宽18mil，其它线宽为16mil。
下图为PCB板设计完成后的正反面图片，PCB板大小为：长8cm宽6.5cm：
图2.9 无线模块PCB正反面
到实物。由于焊接过程
比较简单，此处不再详
述。右图为焊接完成后
的实物图。
图2.10 FM无线模块实物
2.5 单片机液晶显示模块的设计与制作
2.5.1 功能及其原理
由于BH1417F 芯片具有14个频率点可调节，虽然本次设计只选用了高频段，但也有7个频率点，所以，为了更加方便直观地表示频率点，必须把频率点用数码管或液晶显示器显示出来。考虑到除了显示频率点的数字“0123456789”外，还有停振状态的“Stop ”、不支持的频率“Unsupported ”等提示信息要显示，而数码管只能显示数字因此排除了数码管，决定使用LCD1602液晶显示器。其外观如右图：
本次的显示模块使用89C51单片机配合LCD1602液晶显示器实时显示FM 无线发射模块的工作状态。通过89C51单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个端口实时监测BH1417F 芯片D0、D1、D2、D3的状态，再在显示器上输出频率或其它状态提示。
2.5.2 功能实现原理图
下图为功能实现原理图：
图2.12 显示模块原理图
图2.11 LCD1602外观
2.5.3 PCB板的设计与制作
本次设计的显示模块除了自身的电路外，为了使各模块整体性更强，还作为1602
液晶显示器及FM无线模块的承载板，并在其上预留了螺丝孔位，从而使1602显示器及
FM无线模块都可以安装在这
电路的元器件不多，再加上
面积不小，因此在元器件的
选择上直接选用了最常用的
直插式元器件。
右图为显示模块PCB板
的正反面图：
图2.13 显示模块PCB板正反面图
第三章声卡软件的设计
3.1 系统流程图
图3.1 流程图
3.2 功能及原理
本程序主要是利用死循环的原理，利用单片机不断地扫描BH1417F芯片D0、D1、D2、D3四个端口，通过这四个端口的不同状态得出不同的频率值，D0、D1、D2、D3与频率的对应情况见表2.2。然后单片机通过控制LCD1602把状态直观地显示出来，并且通过实时扫描得到的状态信息能够实时地更新显示到液晶显示器上。
在状态显示方面，本次程序设计根据BH1417F芯片的工作情况，总共可以显示9种工作状态除了正常工作的7种频率占去7个状态外，还包括了停振情况的“Broadcast Stop”状态以及其它情况的“Unsupported”状态。
第四章声卡的综合调试
本次作品的调试分为编解码模块调试、无线发射模块调试、显示模块调试、软件调试及整体组合调试，总共五个调试部分。
编解码模块在调试上非常顺利，作品焊接完成后接上windows电脑，电脑即自动识别并安装驱动程序，解码输出及编码输入功能都正常工作。
无线模块的调试中遇到了很多问题，因为从一开始焊接完成后模块就处于无法工作的状态，起初以为是和发射电路密切相关的电感问题，但是经过更换了10来次电感和多次的调节后，情况并没有好转。而使用万用表对模块的各个电路和元件进行测量时发现，电源电压及电路电压都正常，天线上也有10V左右的交流电压。后又经过半个月断断续续的调试，始终没有找出原因，于是决定实物的制作上先使用购买的模块进行代替。
显示模块的调试中也出现了不少插曲。电路焊接完成后，烧入已经在开发板上调试过的程序，但LCD1602显示器却只有背光亮，并没有显示字符。调节控制背光的可调电阻也没有作用。开始以为是单片机P0口的上拉排阻问题，于是更换了排阻，但问题依旧。之后把晶振换掉后电路才恢复正常，可能是焊接时的温度过高把晶振烧坏了。
软件调试中，在编译这一步就遇到一个问题，程序编译出来后大小超过了单片机芯片内部所能存放的程序大小，导致无法烧录。经查资料后找出了原因。由于程序中使用uchar指令定义了不少数组，而uchar定义的数组会占用RAM的空间，单片机内部只有128Byte的RAM，非常有限。但由于单片机内部有4Kbyte的ROM，如果改用uchar code 指令对数组进行定义，则可把
数组定义在ROM上，不需占用
RAM，从而使得内存降到了要
求范围内。
最后把各个模块组合到
一起后进行调试一切都很顺
利，没有出现异常情况，无线
发射距离也达到20米以上，
在此功率下属于正常范围。右
图为USB声卡各模块组合后
的效果图：
图4.1 USB声卡各模块组合效果图
第五章总结
毕业设计从开题到如今初稿完成已经历时将近5个月，其间所花的时间和工作量都比预想的多。由于是自拟题目的，所以从一开始就对设计有一个比较清晰的思路，但过程却是非常曲折。
通过本次设计，切实证明了在USB声卡上集成FM广播功能的可行性。同时，在实物上我们从音频编解码模块上通过有线传输确实能得到优质的音频信号，并且无线分享的功能也得以实现，虽然通过无线传输方式得到的音质无法与有线传输相比，但它让我们多了一种方便快捷的分享途径，并且在某些情况下也可当个人的小范围电台使用，具有非常强的灵活性。
不过，从本次设计的实物上我们也可以看到，实现多功能的灵活性也付出了不少代价。首先是无线模块及与其相配合的显示模块体积相对于编解码模块来说非常大，并且需要外接电源，当然，外接电源可以通过改进转而由USB接口供电，这个具体怎么改进，在此暂不作详细讨论。
设计期间也遇到过不少问题，下面为毕业设计期间遇到的几个主要问题。
第一个遇到的问题就是编解码模块贴片封装的电容电阻非常不好焊接，一个不到黄豆十分之一大小的0603元件，不但肉眼看不到型号，得用放大镜才能看清电阻大小，再者由于太小，无法用手拿着焊接，最后是买了一个眉毛夹用于固定0603元件。当然，对于这个问题应该说是有得有失，因为在设计上有考虑过专门针对这个问题调整了焊盘长度，因此多花点时间还是能够把电容电阻一一焊接好，并且最终做出的成品体积控制得非常好。
第二个问题是制作无线模块时，出现少数元器件购买不到的情况。解决方法是采用功能参数基本相同的元件替代。不过最终无线模块还是调试失败了，经过半个月的调试都没成功，为了不影响后面的进度，只得改变计划，转而采用现成的无线模块。这一环节的问题对后面的制作影响非常大，导致电路作了很大的改动。
第三个问题是由上面第二个问题而引出的。原本计划只用一个USB接口给所有模块直接提供5V供电，但由于购买的无线模块只能9V供电，因此不得已把显示模块也改为9V供电。当然，编解码模块还是由USB直接供电的。
第四个问题是软件设计上遇到的，一开始采用我们平时最常用的unsigned char来定义数组，导致编译出来的程序大小超过128Byte，无法烧入89C51单片机。在这个问
题上第一个想到的是换用内存为256Byte的89S52单片机，但实际上内存也太小了，第二个想法是拓展外接内存，但硬件设计已经基本定型，不到万不得已最好不改动。最后是采用了自己从来没使用过的内存优化方法，采用unsigned char code指令定义数组，可以把原本定义于RAM上的数组定义在ROM上，从而节省89C51单片机内部仅有的
128Byte RAM空间。虽然找到这个方法花去了大量时间查找资料，但实际应用比想像中的要容易很多。
第五个问题则是显示模块在焊接完成后供电正常却无法工作，排查问题时是把已焊接好的元器件独一替换下来，直到最后替换掉晶振后电路板才恢复正常。推测其原因，可能是晶振原本就是坏的，也可能是焊接时温度太高导致晶振损坏，后者可能性居多。
以上为设计作品期间遇到的主要问题，至于其它就不一一列举。
毕业设计期间老师给的帮助是非常大的，由于毕业设计对于我们应届生来说还是第一次，而这其中又有非常多要注意的细节。无论是排版还是内容要点，老师的指导对于这次毕业设计中细节的完善起到了关键作用。
致谢
本科的四年匆匆而过，这四年有太多的留恋，也有不少的遗憾。这是人生一个最重要的阶段，虽然往事已去，但一切都会深深地印在脑海中。在此就做一个简单的总结吧！
首先感谢惠州学院。四年前我选择了惠大，从踏进惠州学院的大门起，我就喜欢上惠州学院和惠州了。四年之后的今天，我站在岔口需要再作选择，或许我不会留在惠州，但母校潜移默化的影响，对母校深深的眷恋，却将同样长久地伴随我们。
第二个要感谢的是恩师。由于老师众多，在此就不一一列举了，不过必须重点谢本次毕业设计的指导老师----谢老师。作为我们班以前微机原理科目的老师，由于从一开始就被谢老师认真负责的态度打动了，所以毕业设计开始选题的时候就选了她的课题。在做毕业设计期间，由于有的同学在外工作，只有周末才有空回学校，谢老师用本该是她假期的时间回学校指导我们做毕业设计的情景还依然记得。在论文的写作过程中，从资料的收集、论文的架构到细节的修改，谢老师无不悉心指导。在此，向导师表示由衷的感谢，谢谢您，谢老师！
第三个要感谢的是同窗好友们。感谢你们陪我渡过了美好的四年，以及大学四年和做毕业设计期间给予的帮助。
最后要感谢的是百忙中抽出时间审阅本论文的各位老师，以及本文所参考文献的各位作者，在此表示由衷的感谢！