【参赛】基于AKC6955的数字调谐收音机设计制作

Carnot

二、总体方案及元件选型
（一）总体方案
1．设计目标
所谓设计目标，简言之就是想要什么，嗯……我要“流金岁月”那样的收音机，性能上还要更强大。于是在脑回路中初步勾勒这部收音机的轮廓：风格倾向于木质复古，定位为台式桌面收音机；功能要相对全面，收音机+蓝牙+AUX，MP3播放暂不考虑；性能上要可进行全波段接收，要有优秀的声音品质，要经久耐用。设计目标并无确切的数据指标，毕竟最初我对收音机、音箱不甚了解，只能边设计边确定。
2．方案制定
(1)独立自主、自力更生
付诸实践前我认为在电子技术及其发达的背景下制作一台“破收音机”并非难事。大概仅需采购功能模块若干，导线连通，塞入一箱子便可。然当我在淘宝输入“全波段收音机模块”后，出乎意料！甚至有些惨绝人寰！并没有适合的模块，莫非打开方式不对？调整关键词，“收音机 模块”“全波段 调谐器”等等等等……凤毛麟角……从模块层面开始设计似乎成为一种必然，独立自主、自力更生或是必由之路。
补充：本文是在收音机制作尾声写的，箭在弦上（裤子都脱了），自己打脸的事情不好吧……啪！我的打开方式果然不对，收音机领域还有一种逆天的存在，人称车用收音机高频头，拨云见日！极其适合桌面外供电收音机。后续版本大概率会考虑使用基于恩智浦芯片的车机高频头，成本降低、流程简化，性能上或许还有进一步提升；至于负面因素是编程难度有所提高，其DATASHEET没有AKC芯片描述的那么清晰。
(2)关于如何实现设计目标的思考
至此，我终于开始认真思考如何实现确定的设计目标；将该收音机分解开来，由以下6部分构成：收音机接收模块、蓝牙接收模块、功放及扬声器、电源、控制与显示（人机交互）、机箱。收音机模块需要全部自主设计制作。
总体方案的确定和元件选型实际上是交叉进行的，二者相互影响，

具体选型过程在下面说明。
（二）元件选型
1．收音机IC
全波段收音机模块市面上较少见，考虑到分立元件存在电路复杂、不便数调数显、调试困难等问题，予以排除……转而考虑使用集成IC。关于分立与集成孰优孰劣在此不做讨论，X-Radio选择集成IC是综合考虑可行性与目标需求的结果。
(1)冻结的零号机——X-Radio V1.0
通过资料收集，芯科科技（Silicon Labs）为多波段音频接收器提供了各种需求的解决方案，产品成熟、应用广泛、资料丰富，其几款常见集成IC如下表：
SI47XX系列为数字调谐，SI48XX系列为模拟调谐；其中SI4735频段宽泛、购买渠道通畅，选为X-Radio V1.0版本IC。
X-Radio V1.0版的设计和制作比较仓促，未进行原理实验便依据官方资料设计了PCB并打样；元件焊接完毕后连接Arduino、装载程序，元气满满的复位启动，万分期待“System all green”，然鹅～卧槽?没有声音？反复调试，还是没有声音？？哎哟我去！整个模块竟然无法工作，甚至连问题在哪里都没有查出来；内心的崩溃无以言表，万念俱灰，于是在电脑里新建了一个文件夹，文件名是“去他妈的SI3735”。至此，X-Radio V1.0宣告冻结。
总结X-Radio V1.0的失败经验，包括以下几点：
① 未进行原理电路试制，PCB设计盲目；
② 未吃透datasheet，MCU通信部分设计不清晰；
③ 没读懂《Programming Guide》，控制逻辑不清晰。
(2)精诚所至，“问石”为开
SI4735失败后，我一直在寻找替代方案，偶然看到了问石科技（感觉这家公司很神秘啊～）的AKC6955芯片，国产、便宜、全中文datasheet，什么是山重水复疑无路，什么是柳暗花明又一村。

2．MCU（微控制单元）
数字调谐收音机芯片必须通过MCU发送控制指令方能正常工作；AKC6955采用I2C接口控制。在MCU的选择上，个人完全不纠结，首选ARDUINO，理由包括：①熟悉、熟悉、熟悉！②支持SPI,IIC,UART串口通信，I/O接口，模拟接口丰富。③开源、开发环境简洁。
ARDUINO具有多个型号，如UNO、mini、DUE、MEGA、YUN等等，笔者都基本使用过。由于开源，除官版ARDUINO外，还有许多山寨版及国内“优化改进型号”；基于使用经验，本次选用国内一家名为OCROBOT研发的ALPHA 8F32P-U作为收音机MCU，该模块系ARDUINO改良，兼容ARDUINO编程环境。

3．功放及扬声器
(1)单声道与立体声的抉择
使用一个或两个喇叭，这是一个问题。立体扬声效果自然是好的，但外观不行，双音腔布置上也存在一定困难；我摘着花瓣，一个喇叭、两个喇叭、一个喇叭、两个喇叭……卧槽！到底用一个喇叭还是两个喇叭？后来，我看到一束光，这束光问我，你要做收音机还是蓝牙音箱？我想我明白了，收音机一个喇叭，蓝牙音箱就两个喇叭，我做的是收音机。
(2)功放板芯片
在该机的早起版本，试用了经典的LM1875作为功放芯片，相当于把300马力V6引擎塞进了五菱宏光，由于供电及芯片布置方面的问题，最终选择的是TI公司的LM4950芯片，采用BTL方式输出，综合表现很不错，相干指标上网可查。
(3)扬声器——贵的就是对的
扬声器方面，分别购买了莞音2.5寸和3寸全频喇叭备选；价格分别为28元和56元；事实证明，就算是我这种木耳朵也能明显听出3寸较2.5寸相比声音更干净、圆润。扬声器确定为莞音3寸8Ω全频喇叭。8Ω扬声器较4Ω相比同输出功率下THD更优；当然，对输入电压的要求略有提高。

4．电源
（1）各模块的供电需求（电流为平均值）
收音机模块、显示模块：蓝牙模块:5V 100mA，
蓝牙模块:5V 100mA，
音频功放：9.6～16V 300mA（实测电压低至7V也能工作）。
（2）供电方式选择
本机采用内置锂电池+外置DC直流电源供电，锂电池可以支持约20小时收听，用于减小中、短波干扰。供电\充电模块自主设计，电源自动切换，其中充电控制采用如韵电子的CN3763模块实现锂电池智能充电。
为降低开关干扰，收音机芯片使用线性稳压器供电；为抑制蓝牙共地干扰，蓝牙模块使用DC-DC隔离电源模块供电。

5．显示及控制元件
全波段收音机的控制（或表述为输入）内容主要包括：音量、频率、频段及其他附加功能：去加重、低音开关、滤波器是否介入、有源天线是否介入、电台存储等。上述功能若通过按键实现，则会占用大量IO资源，电路设计也较为复杂；若通过方向键+功能键的操作方式实现，则程序设计复杂，操作也不直观。鉴于笔者之前具有使用串口触摸屏的经验；最终选定的方案是：
（1）两个旋转编码器分别作为音量、频率微调旋钮;附带MCU硬重启功能。
（2）使用一片3.2寸串口触摸液晶屏实现其余所有操作及显示。（型号：TJC4024K032_011X）
（3）旋转编码器（旋钮）的使用仅为保留收音机的操作习惯，所有功能原理上均能通过触摸屏实现；对于数字控制，旋转编码器易用性优于电位器。
（4）之前考虑过使用电子书那样的“墨水屏”，显示效果极佳，但因编程过于复杂而放弃使用。

6．蓝牙模块
蓝牙模块的选择余地较大，价格从几元到百元不等；关于蓝牙模块没有需要深入讨论的内容，主要考虑供电匹配、开关机控制方便、价格适合。

7．小结
这部分内容写的比较零散，我想有必要进行一次小结。回顾这一章节的主要内容，X-Radio2.0总体方案设计如下：
（1）以AKC6955为核心、ALPHA 8F32P-U为MCU设计制造收音机主板，主板供电范围7～16V；
（2）以LM4950为音频IC设计单声道、单电源、BTL输出功率7.5W的甲乙类板载功放；
（3）收音机直流供电，内置锂电池，供电模块承担电源自动切换、智能充电、7～16V转5V隔离降压任务；
（4）收音机人机交互主要依靠3.2寸触摸屏实现；屏幕与MCU串口通信，屏幕组态、编程自主设计；
（5）蓝牙模块直接购入，集成AUX输入及切换。

Carnot

五、人机交互（HMI）
（一）泛泛而谈
人机交互，在此狭义的指收音机的控制输入与显示输出。到达这一实施环节，之前选择串口触摸屏的优势便得到了体现。
一是，触摸屏替代了大量操作按钮、简化电路，并使收音机操作和显示直观。
二是，该屏幕使用门槛较低，稍具备编程及硬件入门知识便可运用（要走心）。使用前建议仔细阅读官方“  USART HMI 指令集”，使用技巧上看看官方提供的示例也就能明白。
三是，该串口屏使DIY具有极高的自由度，整个操作界面（UI）由图片确定，使用者可以根据各自喜好任意定义。“红枫2049”的UI采用扁平化Windows风格设计，用PPT做的，绝对的简单粗暴。
（二）界面展示
1．主界面，每个方块都可以点击触发相应功能，点击❤收藏当前电台，点击小喇叭静音切换等。

2．其他几个功能界面一看就能明白，依次是：RSSI显示、日期设置、收音机设置、波段设置、收藏夹及后台寄存器情况（数据还未写入）。
（三）智能飞梭
频率调节旋钮步进量智能控制，各频段下，缓慢旋转以最小单位步进，频率步进的速率和旋转速度正相关
六、程序控制
编程包括两部分，MCU和串口屏。
MCU编程使用ARDUINO IDE或OCROBOT官方提供的IDE（推荐使用后者）。
串口屏方面需要进行组态和简单的代码编写。控制原理：触摸相应控件后，串口屏发送三位字符至MCU；MCU检测串口传输来的代码，并执行相应命令去控制AKC6955及IO；并将执行情况通过串回传液晶屏显示。串口屏编程后可生成固件
MUC和串口屏的编程有一万种方法，每个人的思路不同，有兴趣可各自实践，定制需要的各种功能。
七、后记
天气如此晴朗，心情如此豪爽；我捧着收音机，笑的像个智障。

Carnot

充电及主电源原理图

三、电路原理及PCB设计
（一）电路原理
本机原理图见附件，电路设计基本与官方相同，略做几点优化。
（二）电路优化
（1）高放
FM\SW天线增加一级滤波放大电路，FM部分采用日本双信GFMB1带通滤波器，实测常规电磁环境下FM接收信噪比可提高5%～10％，滤波器性能如图3-4。SW部分为LC构成的低通滤波电路，两级滤波器由不产生干扰的磁保持继电器进行切换。
放大电路使用2SC3356高频三极管，增益约10dB。放大器、滤波器的通断均由MCU控制。后续测试表明，该放大电路可提高收音机弱台接收能力，在短波波段表现较为突出。当然，信噪比方面就不要有太高的期望了，客观的描述是：“原来收不到的弱台，天线放大器介入后可以接收，基本能够听清，但噪音较大”，当切除高放电源后，前级高放作为衰减器使用。
（2）其他
增加线性稳压器，收音机模块电源电压适配扩展至7～16V；额外增加了一组磁保持继电器控制的双声道音频切换电路；设计有中波天线接口，外接天线接入内部磁棒自动断开，设计有耳机插口、输入电压测量、测温等功能。
（三）PCB设计原则
PCB设计本人真心是超级业余，总不放心，走线超粗。。。这活儿要干好描述起来就是“讲究”，在此算是分享一下资料吧。
1．去耦电容尽量靠近芯片供电及GND引脚；旁路电容对地线路应低电感、宽走线。
2．晶振尽量靠近芯片引脚布置。
3．所有布线以低耦合电容、电感、短的电流回路为原则布置，确保数字信号线远离模拟信号线及RF信号线。
4．将数字信号线用地线包围，无法布置时，将数字信号线布置于芯片的另一侧。
5．芯片所有的需接地脚 (包括RFGND) 直接连接到GND平面。在芯片下及其周围尽可能形成大面积GND平面。两侧地线层多布置过孔联通，最大限度地减小电位差。
6．不得在芯片下的地线层直接布置信号线。
7．缩短天线引线长度，使天线环路面积、耦合电感、电容最小化。

Carnot

四、加工与制作
（一）PCB打样
PCB打样前用洞洞板焊接了原型机，由于原理验证，调试程序。
随后制作了1.5版本，这一版的功放部分和收音机主芯片是独立的，后来在机箱里不好布置所以放弃了。
PCB使用立创EDA设计，立创打样，自主焊接；前后做了好几个版本，测试，存在问题，最终反复多次才定型下来，着实抓头。
（二）PCB焊接
贴片元件手工焊接稍有难度，设计时特意选择了较大的0805封装元件。
（三）磁棒天线
考虑到AKC6955的“谜之中波”，要保证可靠的中波接收能力只能从天线入手。一根又黑又长的猛锌铁氧体磁棒（Φ10×200mm）是必要的;0.07×21股的利兹线也是必要的，天线电感350uH～450uH。
（四）屏蔽罩
为进一步降低机内数字电路干扰，使用0.2mm厚洋白铜片制作屏蔽罩安装于模块之上；PCB在设计之初已经考虑了屏蔽罩安装，并预留有固定焊盘。
（五）机箱
机箱自己设计，出了CAD图纸和立体图，淘宝代工。原计划采用黑胡桃木外框，定做成本太高（700～800￥），后改用桦木板，声音性能是有保障的。前面板为亚克力，后面板材质主体为阳极氧化铝合金板。

379332347

高大上的收音机，加时钟，我全喜欢，楼主不赚钱的情况下，需要多少钱一台。

Carnot

379332347 发表于 2020-1-27 07:55
高大上的收音机，加时钟，我全喜欢，楼主不赚钱的情况下，需要多少钱一台。

这个成本太难计算了，单台如果只是物料，大概800元，很多小零件我是没算邮费的，最大的问题还是人工投入太大。
前期设计的时候有大半年，我几乎每天业余时间都在弄这个，编程也投入了不少精力，还是调试程序BUG。
目前就算所有材料到位，就焊接组装，得有一周的假期才能装起来。

aihao

性能咋样，介绍下中波？

lq19512003

非常欢迎您投稿参赛，请您尽快链接视频，通过审核，谢谢

Carnot

lq19512003 发表于 2020-1-28 17:14
非常欢迎您投稿参赛，请您尽快链接视频，通过审核，谢谢

好呢，视频已经拍好了，主要是晚上拍的，效果不太好。另外孩子这两天断奶，有点折腾，考虑视频上传的时间，争取9号前完成。
让版主费心啦！

Carnot

skyrusher 发表于 2020-1-27 19:26
于是在电脑里新建了一个文件夹，文件名是“去他妈的SI3735”。
天气如此晴朗，心情如此豪爽；我捧着收音机 ...

第一句话是走心，第二句话“
天气如此晴朗，心情如此豪爽；我捧着收音机，笑的像个智障。”有出处，算是半剽窃，哈哈。

Carnot

aihao 发表于 2020-1-28 09:41
性能咋样，介绍下中波？

中波性能我认为还可以，没有传言中DSP芯片那么差，略优于PL365。

lq19512003

Carnot 发表于 2020-1-28 23:10
好呢，视频已经拍好了，主要是晚上拍的，效果不太好。另外孩子这两天断奶，有点折腾，考虑视频上传的时间 ...

有困难没关系，还有时间，只要2月10日之前完成即可，您辛苦了！感谢！

Carnot

lq19512003 发表于 2020-1-29 08:16
有困难没关系，还有时间，只要2月10日之前完成即可，您辛苦了！感谢！

从手机上把视频编辑上传啦

changwanren

Carnot 发表于 2020-1-29 12:27
从手机上把视频编辑上传啦

制作的很棒！视频上传了还没有最后完成任务，还得把视频网址发上来，坛友才能看到此视频。一切DIY的成果如何，视频最有说服力。