第二章 系统硬件设计
2.2.1 MP3解码芯片选择
由于使用了ARM处理器，MP3的解码可以有两种方法，一是通过ARM处理器软解码，第一种方法对处理器运算要求高，在解码高码率的MP3时，ARM7的处理能力吃紧，
通过对MP3数据格式的解析实现MP3播放，二是通过外部解码芯片直接解码。
也就是说得不到好的解码效果，更重要的是STM32解码之后还需要外部的DAC来做音频输出。所以采用后者。
MP3解码芯片常见的有VS100X系列，和STA01X系列，VS系列自带DAC输出，而经过对比，本系统MP3解码选择VS1003，该芯片支持MP3、WMA、WAV、MIDI等且能解码的格式也比较多，而STA系列要外加DAC，比较麻烦。
格式的解码，自带DAC输出。同时还可以调节音量高低音等，更重要的是它还具有MIC功能，有需要的话，可以实现录音功能。这点可以作为以后扩展功能的一部分。
2.2.2 收音机芯片选择
本系统的收音机功能只针对FM收音，采用TEA5767芯片实现，TEA5767是飞利浦公
司生产的一款低功耗电调谐调频立体声收音机芯片，其内部集成了中频选频和解调网络，可以做到完全免调，因此只需要很少量的小体积外围元件。TEA5767可以应用在欧洲、美国和日本不同的FM 波段环境。该芯片通过IIC总线控制该模块，就可以实现调频接收，频率覆盖范围从76~108MHz，而且是立体声接收，带信号强度指示。TEA5767在市场上占有率很高，一般的MP3机/手机的收音机功能都是用的这块芯片实现的。
但是由于芯片体积很小，焊接难度比较大，故直接采用模块，TEA5767模块的体积小，价格低，而且使用方便。这样不但可以节省时间和成本，而且效果也是相当好的。
2.2.3 温度传感器选择
该系统具有温度指示功能，用来指示当前温度，因为日常温度的范围一般是-20~50℃以经过分析，选用美信公司的单总线数字温度传感器DS18B20，该数字温度传感器将检
内，所以，温度传感器要能在这个范围内给出正确的温度。
测的温度信息转化为相应的数字量，独特的一线接口，只需要一个IO口线就可以读写该器件了。简化了分布式温度传感应用，并且无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V，无需备用电源。该芯片的测量温度范围为-55℃至+125 ℃ 。在 -10 ℃至+85 ℃范围内精度为±0.5℃。
2.2.4 彩灯驱动芯片选择
本系统采用3W的共阳RGB三基色LED来作为彩色台灯的光源，红绿蓝每个灯芯功率
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为1W，因为这种LED的驱动电压一般为3.3V左右，然后以每个通道1W计算，则每个通道电流为300ma左右。同时由于系统采用STM32控制，其IO口的电压为3.3V，还要使用PWM调光，开关频率较高，对驱动芯片的选取比较严格。
经过分析采用AP2306来驱动，3.3V电压采用LM2576来获得。LM2576为美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。
得到3.3V驱动电压之后，通过控制AP2306来调节LED亮度，AP2306为低压驱动的N型MOSFET，它具有极低的导通电阻和栅极电压，在Vgs=2.5V时，可以提供2.6A的输出电流，此时的导通电阻为50 mΩ。满足上面的要求，并且在AP2306上消耗的功耗非常低。
2.2.5 音效处理芯片选择
VS1003已经自带了音效处理，但是其效果不是很好，而且无法对外部音源经行音效
处理，这样外部音源和收音机的音源就得不到处理，所以，本系统通过一块外部数字音效处理芯片来进行音效处理。
本系统总共有3个音源：MP3音源、收音机音源、外部输入音源。所以音效处理芯片最好有多个音源选择功能，否则又需要外扩音源选择芯片，通过选择，这里选择PT2314作为音效处理芯片。
PT2314是一个具有四组立体声输入的双声道数字音质处理器，PT2314将音量、音调(bass and treble)、声道平衡(left/right)、响度等处理及输入增益选择内建于单一芯片中。这些功能令PT2314仅需要少数外部组件即可实现高效能的音质处理系统。所有功能均由I2C总线来达成控制。当启动时的设定状态，音量为-78.75dB，输入声道为四通道立体声，所有扬声器输出皆为静音，输入增益、Bass、Treble皆为0dB。
2.2.6 EEPROM芯片选择
本系统需要保存部分用户数据，而STM32内部没有EEPROM，所以一旦掉电，系统数
据会全部丢失，这就需要通过外扩EEPROM芯片来实现用户数据的保存了，EEPROM芯片有很多可供选择，比如ATMEL的24CXX系列，本系统选择美国Ramtron公司的新一代FRAM铁电存储器FM24C16，这个芯片为用户提供2Kbyte的用户数据存储空间。
美国Ramtron公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体(RAM)和非易失性存储器的特性。铁电晶体的工作原理是：当在铁电晶体材料上加入电场，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动，达到稳定状态。晶体中的每个自由浮动的中心原子只有2个稳定状态，一个记为逻辑中的0，另一个
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第二章 系统硬件设计
记为1。中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达100年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低功耗和几乎无限次写入等特性。铁电存储器和EEPROM比较起来，主要有以下优点：
(1)FRAM可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待，而EEPROM(2)FRAM有近乎无限次写入寿命。一般EEPROM的寿命在十万到一百万次写入时，而(3) EEPROM的慢速和大电流写入使其需要高出FRAM 2500倍的能量去写入每个字节。 在写入后一般要5～10ms的等待数据写入时间； 新一代的铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。
2.2.7 功率放大芯片选择
本系统包括两块放大芯片，第一块用来放大从PT2314输出的音频信号，以驱动耳机，第一级放大的选择有很多，比如TPA152，TDA2822等，但是前者对比后者有很多优势，
而另一块是功率放大，用来驱动喇叭。
TDA2822的音质失真较大，THD为10%左右，而TPA152在32Ω负载的情况下THD只有2%，在10KΩ负载的时候就只有不到0.01%了。而且TPA152的输出功率较TDA2822也较大，达到了1.5W的总输出。因此，这里选择音质较好的TPA152芯片，作为耳机驱动。
由于考虑到家用，又具有这么多功能，功率放大不宜做的很大，尤其作为台灯使用时候，摆设在床头比较合适，所以功率放大采用体积小巧，不需要散热的D类功放，TPA3100D2。
TPA3100D2是德州仪器生产的一款高效率的20W立体声D类音频功率放大器，工作电压10V-26V，每路能从18V电源向8欧姆负载提供20W，从12V电源向8欧姆负载提供10W， 从12V电源向4欧姆负载提供15W，效率高达92%，不需要散热器，有四个可选择固定的增益设定，增益可选择为20/26/32/36dB，差分输入，具有自动恢复生产功能的热关断和短路保护，时钟输出可用于对其它D类器件的同步，48引脚7x7mm HTQFP封装。输出功率大，体积小巧，因此，满足本系统要求。
2.2.8 电源芯片选择
本系统要求多个电压输入:2.5V，3.3V，5V，12V，所以对电源的处理需要多个芯片，功率电源主要包括给彩色台灯供电的电源和给TPA3100D2供电的电源。TPA3100D02
对以上几个电源可以分为两组：功率电源和系统电源。
的功率电源采用外部电源（DC12V）直接输入，并不经过稳压芯片，而彩色台灯的电源必须是3.3V，所以要经过稳压芯片，这里选择LM2576-3.3V。对于LM2576上面已经有分析，这里不再介绍。
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系统电源主要包括给数字芯片供电的电源包括2.5V，3.3V和5V，这些电源功率不大，
采用REG1117-2.5和REG1117-3.3V稳压芯片提供2.5V和3.3V的电压。REG1117可以输出800ma的电流，足以满足要求。
对于5V输入，仍然采用LM2576，第一是因为整个系统的数字部分电源都是来自5V的，其上的电流比较大。更重要的是，直接从12V降为5V，如果采用一般的线性稳压芯片，则功耗会很大，采用LM2576开关型集成稳压电路，则可以显著降低功耗。
2.2.9 人机交互设备选择
人机交互设备包括输入设备和输出设备，对于输出设备，因为系统具有电子相册的功
能，这就决定了，必须采用彩色液晶屏幕，这里选择一款2.4寸的TFT液晶屏，其分辨率为240*320，65K色，工作模式为8位数据模式，与MCU的通讯所需IO口较少，速度也较快。
输入设备为了使控制方便，人性化，采用触摸屏控制，触摸屏采用电阻式的4线模拟屏。控制简单，效果好。触摸屏的控制芯片选择ADS7846，ADS7846是TI(BB)公司生产的12位四线触摸屏控制芯片，因为该芯片是12Bit精度，所以可以提供的水平和垂直分辨率均为4096，而屏幕大小为240*320，所以，有很高的分辨率，有利于屏幕控制精度的提高。
2.3 硬件系统框图
经过上两节的分析可知，整个硬件系统由一个STM32F103RBT6控制器控制。各个模
块电路在下面将有详细介绍，这里给出整个硬件系统框图，如图2.1所示。
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第二章 系统硬件设计
图2.1 硬件系统框图
方框图给出了各个模块与MCU的连接关系，由于电源和功率放大器不受MCU的控制，故在方框图内没有画出。从上面的方框图可以看出，整个系统以STM32F103RBT6为核心，通过控制各个模块的工作，使整个系统达到预定的功能。
2.4 硬件模块化原理图设计
在本节中，将根据上一节的硬件系统框图进行具体的硬件设计。整个硬件系统可以分
为若干个模块。下面对这些模块经行逐一介绍。
2.4.1 MCU和DS18B20模块电路设计
MCU为整个系统的核心，控制着整个系统的运行，让MCU稳定的运行是非常必须的，
下图（图2.2）为MCU的原理图，包括一个后备电源UPS1，一个主电源VCC3.3和一个模拟电源，模拟电源通过从VCC3.3加滤波电路得到。MCU外围的必须电路由滤波电容，下载电路（串口1）以及复位开关组成。同时，考虑到系统需要时钟功能，给时钟部分增加了后背电源电路，通过二极管连接到VBAT脚，给实时时钟供电。这里采用了双电源结构，即在电源有外部供电的时候，后备电池不给时钟供电，时钟的电源来自外部，只有当外部电源断开的时候，后备电源才给时钟供电，以保持时钟的计时，这样可以延长后备电池的使用时间。
同时，为了调试方便，下面电路还加了一个多余的按键和LED灯，方便在调试的时候使用。并且，考虑到某些模块对速度的要求，特意对MCU的IO口做了安排，这样虽然增加了布线难度，但是提高了执行速度，还是值得的。对多余IO口的安排，则是全部引出，方便以后扩展其他功能，比如：家电控制等。同时，对于STM32F103RBT6自带的USB接口，也已经引出，日后通过升级，可以实现USB控制的功能。
这里要注意一点：因为PT2314，TEA5767，FM24C16这三个器件都是使用IIC总线控制的，所以，把这三个器件挂在一个IIC总线上，节省了IO口。
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