Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Thiết kế và thi công hệ thống Hi-end audio kĩ thuật số

Chia sẻ: Trần Thị Tan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là Thiết kế hệ thống Hi-end Audio xử lý nhạc số chất lượng cao bằng Raspberry pi3 và DAC pifi, điều chỉnh được bass, treble, volume, loudness thông qua chip xử lý âm thanh PT2315 được điều khiển bởi Arduino và khuếch đại tín hiệu nhờ chipamp KIA6210. Thiết kế đóng thùng ma trận cho loa 12 cm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử truyền thông: Thiết kế và thi công hệ thống Hi-end audio kĩ thuật số

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG AUDIO KĨ THUẬT SỐ GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy SVTH: Đỗ Hồng Phúc MSSV:13141239 Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 Tp. Hồ Chí Minh – 12/2019
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG AUDIO KĨ THUẬT SỐ GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy SVTH: Đỗ Hồng Phúc MSSV: 13141239 Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 Tp. Hồ Chí Minh – 12/2019
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM , ngày 3 tháng 12 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Đỗ Hồng Phúc MSSV: 13141239 Họ tên sinh viên 2: Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 Lớp : 13141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG HI-END AUDIO KĨ THUẬT SỐ II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Sử dụng Raspberry Pi 3 Model B 1.2v để làm bộ music server chạy hệ điều hành Volumio. - Tín hiệu số chất lượng cao được sử dụng trong hệ thống là các file nhạc chuẩn Lossless, Hi-res audio, DSD được Rip từ CD, DVD, SACD và một số là mua trực tuyến. - Module DAC pifi 2 để làm bộ giải mã âm thanh kĩ thuật số chất lượng cao và xuất tín hiệu đã qua xử lý. - Bộ Aduino làm bộ điều khiển module PT2315 làm bộ chỉnh âm sắc cho tín hiệu lấy từ DAC. - Bộ khuếch đại công suất dùng chipamp KIA6210 lấy tín hiệu đã qua xử lý và xuất tín hiệu ra loa. - Loa Victor toàn dải T150D dùng để phát âm thanh cho hệ thống. 2. Nội dung thực hiện: - Nghiên cứu về raspberry, arduino. - Tìm hiểu hệ điều hành Volumio - Nghiên cứu các kiến thức liên quan đến Audio, các chuẩn nhạc( nhạc số & tương tự),thiết kế mạch khuếch đại công suất, thiết kế của thùng loa, các cách chống nhiễu cho hệ thống âm thanh, kiến thức bao quát về cách bố trí hệ thống audio, xử lý phòng nghe (tán âm, tiêu âm, basstrap,vv). - Tìm hiểu về các module DAC pifi, LCD 16x2, pt2315, cảm biến chạm. - Tiến hành thiết kế các thành phần ban đầu của hệ thống. - Tiến hành thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng module trong hệ thống. - Tiến hành thiết kế PCB cho từng module. - Lập trình kết nối điều khiển. - Chạy thử nghiệm hệ thống. ii
- Cân chỉnh và hoàn thiện hệ thống. - Viết báo cáo. - Báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Trường Duy CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii
TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Đỗ Hồng Phúc MSSV: 13141239 Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG HI-END AUDIO KĨ THUẬT SỐ Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Gặp giáo viên hướng dẫn, nhận đề tài đồ án tốt (19/8 – 25/8) nghiệp. Tuần 2 Tìm tài liệu phục vụ cho nghiên cứu và thực (26/8 – 1/9) hiện đề tài, viết đề cương đồ án tốt nghiệp. Tuần 3 Thiết kế sơ đồ khối, tìm tài liệu, nghiên cứu đề (2/9 – 8/9) tài. Tuần 4 Cài đặt các công cụ hỗ trợ lập trình điều khiển (9/9 – 15/9) để thực hiện đề tài. Tuần 5 Cài đặt phần mềm, cấu hình volumio trên (16/9 – 22/9) raspi3, tìm nguồn nhạc số demo, làm mạch demo module PT2315. Tuần 6,7,8,9 Lập trình điều khiển Module PT2315, điều (23/9 – 20/10) chỉnh tăng giảm được volume, bass, treble bằng Arduino Uno. Tuần 10 Tiến hành vẽ mạch KIA6210, mạch nguồn 12v (21/10 – 27/10) cho KIA6210, mạch nút nhấn 3 phím cảm ứng, mạch hoàn thiện module Arduino + PT2315 + connector (audio processor) hoàn chỉnh. Tuần 11 Tiến hành thi công các module nguồn, module (28/10 – 3/11) audio processor, module nút nhấn, đặt mạch in 2 lớp cho module KIA6210. Tuần 12 Tiến hành kết nối các module vào hệ thống, test (4/11 – 10/11) chạy thử tất cả trên hệ thống. Tuần 13,14 Có lỗi phát sinh trong hệ thống nên phải tiến (11/11 – 24/11) hành tìm lỗi và khắc phục lỗi kèm tinh chỉnh hệ thống. Tuần 15 Lấy kết quả thực nghiệm viết đề cương cho báo (25/11 – 1/12) cáo. Tuần 16,17 Viết báo cáo tốt nghiệp. (2/12 – 15/12) Tuần 18 Chỉnh sửa, kiểm tra lần cuối và nộp quyển báo (16/12 – 20/12) cáo. iii
Tuần 19 Báo cáo đồ án tốt nghiệp. (21/12 – 26/12) GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv
LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm đồ án tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và công trình nghiên cứu, không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có sao chép nhóm đồ án hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 12 năm 2019 Người thực hiện đề tài Đỗ Hồng Phúc Hoàng Gia Huy iv
LỜI CẢM ƠN “Uống nước nhớ nguồn, ăn quả nhớ kẻ trồng cây” là truyền thống mang giá trị nhân văn vô cùng quý báu mà từ xưa đến nay ông cha ta đã răng dạy và gìn giữ cho đến tận ngày hôm nay. Chính vì lẽ đó mà nhóm nghiên cứu luôn luôn vô cùng tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả mọi người đã giúp đỡ nhóm tận tình trong thời gian qua để hoàn thành tốt đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và thi công hệ thống Hi-end audio kĩ thuật số”. Và điều vô cùng đặc biệt hơn mà không thể không nhắc đến đó là sự hướng dẫn vô cùng tận tình của Thầy ThS.Nguyễn Trường Duy và các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh đã giúp đỡ hết sức nhiệt tình nhóm trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài được giao. Quả đúng với câu “Không Thầy đố mày làm nên”. Vì thế, trong lời đầu tiên của cuốn báo cáo đồ án tốt nghiệp này, Nhóm muốn dành lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Thầy ThS.Nguyễn Trường Duy và các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chính Minh. Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng thể hiện sự biết ơn đối với các bạn cùng lớp đã góp ý kiến xây dựng đề tài được hoàn thiện hơn. Không thể quên được, nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn đến những đấng sinh thành dưỡng dục đã luôn hỗ trợ, động viên và cũng là niềm động lực lớn lao để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng nhóm sẽ khó tránh khỏi những lúc làm các Thầy Cô, các bạn phiền lòng. Kính mong quý Thầy Cô, cùng các bạn lượng thứ bỏ qua. Với vốn kiến thức hạn hẹp cùng kinh nghiệm sống ít ỏi của mình thì chắc chắn trong bài báo cáo sẽ có những sai lầm thiếu sót. Nhóm nghiên cứu rất làm thứ lỗi và mong nhận được những chỉ dạy, đóng góp vô cùng quý báu của quý Thầy cô cùng các bạn để nhóm có thể hoàn thiện tốt đề tài hơn nữa. Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Đỗ Hồng Phúc Hoàng Gia Huy v
MỤC LỤC Trang bìa ........................................................................................................................ i Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................................. ii Lịch trình ..................................................................................................................... iii Cam đoan .................................................................................................................... iv Lời cảm ơn .................................................................................................................... v Mục lục ........................................................................................................................ vi Liệt kê hình vẽ ............................................................................................................. ix Liệt kê bảng vẽ …………………………………………………………………… xi Tóm tắt ....................................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1 1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu ............................................................................................................. 2 1.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2 1.3.1. Kết nối thiết bị ........................................................................................... 2 1.3.2. Tiến hành xử lý ban đầu ............................................................................ 2 1.3.3. Tiến hành thiết kế ...................................................................................... 2 1.3.4. Thi công kết nối các thiết bị ...................................................................... 3 1.3.5. Hoàn thiện sản phẩm ................................................................................. 3 1.3.6. Viết báo cáo ............................................................................................... 3 1.4. Giới hạn .............................................................................................................. 3 1.5. Bố cục ................................................................................................................ 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 5 2.1 Giới thiệu về hệ thống Hi-end Audio kĩ thuật số ............................................... 5 2.1.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 5 2.1.2. Các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực Audio ............................................. 9 2.1.3. Các chuẩn âm thanh trong Audio ...................................................... 16 2.1.4. Các kiến thức về xử lý âm học trong phòng nghe .............................. 27 2.2 Hệ điều hành Volumio và khái niệm về Music Server .................................... 30 2.2.1 Hệ điều hành Volumio ............................................................................. 30 2.2.2 Ngôn ngữ Python ..................................................................................... 32
2.2.3. Music Server ........................................................................................... 34 2.2.4. Lý thuyết về thùng loa ............................................................................ 37 2.2.5. Âm thanh Hi-End .................................................................................... 44 2.3 Giới thiệu phần cứng ........................................................................................ 45 2.3.1. Raspberry Pi 3 Model B V1.2 ................................................................. 45 2.3.2. Module DAC Pifi V2.0 ........................................................................... 48 2.3.3. LCD 16x2................................................................................................ 49 2.3.4. Module I2C ............................................................................................. 51 2.3.5. Arduino Uno ........................................................................................... 53 2.3.6. IC Audio Processor PT2315 ................................................................... 55 2.3.7. Module cảm biến chạm TTP223 ............................................................. 58 2.3.8. IC khuếch đại âm tần KIA6210 .............................................................. 59 2.3.9. Loa toàn dải 12cm................................................................................... 61 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. ................................................ 62 3.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 62 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống ........................................................................... 63 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................... 63 3.2.2 Tính toán và thiết kế hệ thống .................................................................. 65 3.2.2.a Khối nguồn phát và giải mã .......................................................... 66 3.2.2.b Khối tiền khuếch đại ..................................................................... 68 3.2.2.c Khối khuếch đại công suất ............................................................ 79 3.2.2.d Khối nguồn .................................................................................... 83 3.2.2.e CNC vỏ hoàn thiện ....................................................................... 85 3.6 Thiết kế thùng loa toàn dải 12cm ........................................................ 86 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................... 89 4.1 Giới thiệu. .......................................................................................................... 89 4.2 Thi công hệ thống .............................................................................................. 89 4.2.1. Tiến hành vẽ PCB và thi công mạch nguồn 13VDC ............................... 89 4.2.2. Tiến hành vẽ PCB mạch tiền khuếch đại ................................................. 91 4.2.3. Tiến hành vẽ PCB mạch khuếch đại ........................................................ 92 4.2.4. Tiến hành kết nối các module trong hệ thống ......................................... 94 4.3 Đóng khung thành phẩm..................................................................................... 97 4.4 Lập trình hệ thống............................................................................................... 98 ii
4.4.1 Lưu đồ chương trình mạch tiền khuếch đại ............................................. 98 4.4.2 Phần mềm lập trình ................................................................................ 110 4.5 Tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác ............................................................... 114 4.5.1. Tài lieueh hướng dẫn sử dụng ............................................................... 114 4.5.2 Quy trình thao tác ................................................................................... 114 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................... 120 5.1 Kết quả sản phẩm ............................................................................................ 120 5.1.1. Demo bằng nhạc số chất lượng cao ....................................................... 120 5.1.2 Điều chỉnh phù hợp cho mỗi thể loại nhạc ............................................. 121 5.2 Nhận xét đánh giá chung .................................................................................. 121 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. ......................... 122 6.1 Kết luận . ........................................................................................................... 122 6.2 Hướng phát triển ............................................................................................... 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 124 PHU LỤC ........................................................................................................ 126 iii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Một hệ thống chơi nhạc số hiện đại .............................................................. 8 Hình 2.2: Đồ thị dao động của âm "A" ......................................................................... 11 Hình 2.3: Các thiết bị cần cho quá trình thu âm .......................................................... 13 Hình 2.4: Tín hiệu âm thanh Mono ............................................................................... 15 Hình 2.5: Âm thanh Stereo............................................................................................ 15 Hình 2.6: Hệ thống loa 5.1 ........................................................................................... 16 Hình 2.7: Tiến trình lượng tử hoá ................................................................................. 22 Hình 2.8: PCM .............................................................................................................. 23 Hình 2.9: biểu đồ dạng sóng PCM ............................................................................... 24 Hình 2.10: So sánh DSD với PCM ............................................................................... 27 Hình 2.11: Cấu trúc hệ điều hành Volumio .................................................................. 32 Hình 2.12: Một thiết bị Music server hãng Nativ ......................................................... 35 Hình 2.13: Một danh sách nhạc trên Music server ....................................................... 36 Hình 2.14: Hệ thống có sử dụng Music server.............................................................. 37 Hình 2.15: Thùng loa toàn dải ...................................................................................... 38 Hình 2.16: Kích thước đóng thùng sẽ được tính toán theo công thức 2.4 .................... 39 Hình 2.17: Loa Treble ................................................................................................... 40 Hình 2.18: Loa Mid ....................................................................................................... 41 Hình 2.19: Loa Bass ...................................................................................................... 42 Hình 2.20: Loa toàn dải ................................................................................................. 43 Hình 2.21: Mặt trước của board Raspberry Pi3 Model B ............................................. 45 Hình 2.22: Sơ đồ thành phần chính của Raspberry Pi3 Model B ................................. 47 Hình 2.23: Sơ đồ chân GPIO Raspberry Pi3................................................................. 48 Hình 2.24: Module DAC Pifi ........................................................................................ 49 Hình 2.25: LCD 16x2 .................................................................................................... 50 Hình 2.26: Module I2C ................................................................................................. 51 Hình 2.27: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn (Standard mode) và chế độ nhanh (Fast mode).................................................................................................................... 52 Hình 2.28: Hoạt động của SDA, SCL khi truyền nhận dữ liệu ..................................... 52 Hình 2.29: Module Arduino Uno .................................................................................. 54 Hình 2.30: Phần mềm biên dịch Arduino IDE .............................................................. 55 Hình 2.31: Chip PT2315 ............................................................................................... 56 viii
Hình 2.32: Sơ đồ chân IC PT2315 ................................................................................ 57 Hình 2.33: Cảm biến chạm TTP223 ............................................................................. 58 Hình 2.34: IC khuếch đại KIA6210 .............................................................................. 59 Hình 2.35: Sơ đồ cấu tạo và kết nối của IC KIA6210 .................................................. 60 Hình 2.36: Loa toàn dải và loa treble ............................................................................ 61 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 63 Hình 3.2: Sơ đồ kết nối hệ thống .................................................................................. 65 Hình 3.3: Vị trí chân kết nối giữa Raspberry Pi3 và DAC Pifi..................................... 67 Hình 3.4: Sau khi đã kết nối DAC Pifi với Raspberry Pi3 ........................................... 68 Hình 3.5: Sơ đồ khối module tiền khuếch đại ............................................................... 68 Hình 3.6: Sơ đồ kết nối bộ tiền khuếch đại ................................................................... 69 Hình 3.7: Hình mặt trước của Arduino Uno R3............................................................ 71 Hình 3.8: Hình mặt sau của Arduino Uno R3 ............................................................... 71 Hình 3.9: Hình chỉ ra 2 chân giao tiếp I2C theo thư viện Wire.h ................................. 72 Hình 3.10: Hình mặt trước (trái) và mặt sau (phải) của module TTP223 ..................... 72 Hình 3.11: Kết nối của khối nút nhấn với khối xử lý trung tâm ................................... 73 Hình 3.12: Mạch PT2315 .............................................................................................. 74 Hình 3.13: 2 chân giao tiếp I2C của mạch PT2315 với vi điều khiển .......................... 74 Hình 3.14: Module I2C ................................................................................................. 77 Hình 3.15: Cách kết nối module I2C với lcd và board Arduino Uno R3 ..................... 79 Hình 3.16: Cấu trúc bên trong của chip KIA6210 ........................................................ 81 Hình 3.17: Đồ thị của độ khuếch đại ............................................................................ 82 Hình 3.18: Đồ thị công suất ngõ ra của chip KIA6210................................................. 82 Hình 3.19: Nguồn cho Raspberry Pi3 ........................................................................... 83 Hình 3.20: Adapter 5VDC 2A ...................................................................................... 84 Hình 3.21: Biến áp xuyến 10VAC 5A .......................................................................... 85 Hình 3.22: Loa toàn dải 12cm ....................................................................................... 86 Hình 3.23: Đáp tuyến tần số của loa toàn dải 12cm .................................................... 86 Hình 3.24: Thiết kế thùng loa ma trận (Horn) .............................................................. 87 Hình 3.25: Loa Treble 5cm ........................................................................................... 88 Hình 3.26: Đáp tuyến tần số loa Treble 5cm ................................................................ 88 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 13VDC .......................................................... 89 Hình 4.2: Sơ đồ đi dây PCB mạch nguồn 13VDC ........................................................ 90 Hình 4.3: Mặt trước và mặt sau của module nguồn 13VDC ........................................ 90 ix
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch tiền khuếch đại ......................................................... 91 Hình 4.5: Sơ đồ đi dây PCB mạch tiền khuếch đại ....................................................... 92 Hình 4.6: Mặt trên và dưới của module tiền khuếch đại ............................................... 92 Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch KIA6210................................................................... 93 Hình 4.8: Sơ đồ đi dây PCB mạch KIA6210 ................................................................ 93 Hình 4.9: Mạch in trước và sau khi thi công mạch KIA6210 ....................................... 94 Hình 4.10: Kết nối biến áp xuyến với mạch nguồn 13VDC ......................................... 94 Hình 4.11: Kết nối module nút nhấn, LCD với mạch tiền khuếch đại ......................... 95 Hình 4.12: Cố định module LCD, nút nhấn cảm ứng lên mặt trước khung.................. 95 Hình 4.13: Khoan, cố định các module lên giá đỡ và kết nối hệ thống ........................ 96 Hình 4.14: Cố định ổ cắm EMI, Jack bắp chuối cắm loa ở mặt sau khung .................. 96 Hình 4.15: Kết nối loa bằng jack bắp chuối , kết nối ổ cứng chứa nhạc bằng cổng USB phía sau thiết bị ............................................................................................................. 97 Hình 4.16: Hoàn thiện thành phẩm ............................................................................... 97 Hình 4.17: Lưu đồ chương trình chính ......................................................................... 98 Hình 4.18: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn mode ..................................... 99 Hình 4.19: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn up ......................................... 100 Hình 4.20: Lưu đồ chương trình con kiểm tra nút nhấn down ..................................... 102 Hình 4.21: Lưu đồ chương trình con tăng biến volume hoặc treble hoặc bass 1 đơn vị hoặc gán loudlessFunction=0x40 .................................................................................. 104 Hình 4.22: Lưu đồ chương trình con tăng biến volume hoặc treble hoặc bass 3 đơn vị hoặc gán loudlessFunction=0x40 .................................................................................. 104 Hình 4.23: Lưu đồ chương trình con giảm biến volume hoặc treble hoặc bass 1 đơn vị hoặc loudlessFunction=0x44 ......................................................................................... 106 Hình 4.24: Lưu đồ chương trình con giảm biến volume hoặc treble hoặc bass 3 đơn vị hoặc gán loudlessFunction=0x44 .................................................................................. 106 Hình 4.25: Lưu đồ chương trình con giới hạn giá trị biến volume, treble, bass ........... 108 Hình 4.26: Lưu đồ chương trình con truyền dữ liệu tới chip PT2315 .......................... 109 Hình 4.27: Giao diện phần mềm Arduino IDE ............................................................. 110 Hình 4.28: Mô tả các lệnh của Arduino IDE ................................................................ 111 Hình 4.29: Vùng thông báo của Arduino IDE .............................................................. 112 Hình 4.30: Chọn đúng loại board Arduino Uno để nạp code ....................................... 112 Hình 4.31: Chọn cổng kết nối với board Arduino Uno R3 ........................................... 113 Hình 4.32: Gõ lệnh mở cổng giao tiếp giữa máy tính với board Arduino Uno ............ 113 Hình 4.33: Nhập mật khẩu để mở cổng kết nối bằng quyền admin. ............................. 113 Hình 4.34: Mở cổng kết nối thành công ....................................................................... 115 x
Hình 4.35: Bật công tắc ở mặt phía trước ..................................................................... 115 Hình 4.36: Giao diện Volumio ...................................................................................... 116 Hình 4.37: Giao diện thư viện nhạc .............................................................................. 117 Hình 4.38: Chế độ điều khiển Volume ......................................................................... 117 Hình 4.39: Chế độ điều khiển Treble ............................................................................ 118 Hình 4.40: Chế độ điều khiển Bass ............................................................................... 118 Hình 4.41: Chế độ điều khiển Loudness ....................................................................... 119 xi
LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Các kiểu mã thường dùng ............................................................................... 33 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của Rasberry Pi3 Model B ................................................ 45 Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật của Arduino ....................................................................... 54 Bảng 2.4: Bảng chức năng mỗi chân trong PT2315 ....................................................... 57 Bảng 2.5: Giá trị cực đại của IC KIA6210...................................................................... 60 Bảng 3.1: Cách chọn trạng thái cho ngõ ra nút nhấn cảm ứng ...................................... 73 Bảng 3.2: Hình mô tả bảng sự thật để điều chỉnh VOLUME ........................................ 76 Bảng 3.3: Hình mô tả bảng sự thật để điều chỉnh TREBLE, BASS .............................. 76 Bảng 3.4: Hình mô tả bảng sự thật để điều chỉnh LOUDNESS .................................... 77 Bảng 3.5: Bảng giá trị địa chỉ tùy chọn của Module I2C………………………………78 Bảng 3.6: Thông số về điện áp của chip KIA6210 ........................................................ 80
TÓM TẮT Đề tài này tạo ra một hệ thống Hi-end audio được sử dụng để chơi những bản nhạc số chất lượng cao trong thời đại công nghệ số hóa và tốc độ đọc ghi những bản nhạc ngày càng hiện đại. Loại dữ liệu nhạc chất lượng cao yêu cầu phải có một phần cứng đáp ứng được dải tần số và phát huy hết khả năng của nó. Đề tài hướng đến xu hướng chơi nhạc số dần thay thế những CD, SACD,cassette, băng cối, đĩa than vì tính tiện dụng, dễ lưu trữ, không bị hư hỏng theo thời gian và đặc biệt là chất lượng có thể cao hơn nhiều so với CD và tiệm cận Analog. Nhóm nghiên cứu sử dụng raspberry làm máy tính để chạy hệ điều hành cho music server và tích hợp một bộ DAC Pcm để giải mã nhạc số. Phần preamp nhóm nghiên cứu và chế tạo bộ điều chỉnh âm sắc theo ý thích của chủ nhân thiết bị được điều khiển bởi Aduino, nút nhấn cảm ứng sẽ làm nhiệm vụ thay cho các volume cơ truyền thống và sẽ tránh hư hỏng do cơ cấu xoay cơ học. Thiết bị có trang bị một màn hình LCD để hiển thị các thông số khi điều chỉnh cho người sử dụng. Quan trọng nhất là bộ khuếch đại, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chipamp KIA6210 để làm nhiệm vụ khuếch đại và đưa tín hiệu sóng âm ra loa( một trong những con chip hay trong phân khúc công xuất nhỏ). Điểm nổi bật của hệ thống là sự tiện lợi: tất cả đều được tích hợp trong 1 thiết bị duy nhất nhỏ gọn hơn rất nhiều so với một dàn âm thanh truyền thống, dễ dàng kết nối loa với thiết bị. không cồng kềnh, linh kiện của thiết bị cũng là linh kiện chất lượng cao và chất âm khi sử dụng thiết bị rất chi tiết chân thực, dễ dàng điều khiển thiết bị bằng bất cứ chiếc điện thoại smartphone nào cũng mạng Wifi. Giá thành của thiết bị cũng rất rẻ so với các sản phẩm do một hãng sản xuất. xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay việc sử dụng các thiết bị gọi là thông minh ngày càng phổ biến trong cuộc sống ngày tạo nên sự hiện đại của thời đại 4.0. Các sản phẩm trở nên thông minh (Công nghệ số) như nhà thông minh, xe thông minh, khóa thông minh, ... cho ra đời một xã hội hiện đại hóa đa dụng và tiện lợi. Đặc biệt tất cả đều được đồng bộ hóa với nhau và có thể điều khiển tất cả chỉ cần 1 chiếc smartphone, 1 chiếc máy tính bảng, 1 chiếc laptop trong một mạng nội bộ. Tất cả các ví dụ kể trên tạo nên một xu hướng mới gọi tắt là IOT (Internet Of Things). Trong lĩnh vực điện thanh nói riêng và đa số người nghe nhạc chất lượng cao (Audiophile) có rất nhiều trường phái, thường họ sở hữu cho mình 1 bộ dàn âm thanh có các thiết bị để phục vụ nhu cầu nghe nhạc của họ, và những thiết bị không thể thiếu là thiết bị phát tín hiệu, thiết bị xử lý tín hiệu, thiết bị khuếch đại âm thanh. Đa số người nghe nhạc ngày nay đều sử dụng CD vì độ phổ biến và chất lượng của nó. Giá thành của một chiếc CD hiện giờ khá cao và việc lưu trữ, tìm kiếm ra nội dung CD cần tìm rất mất thời gian. Nắm bắt được nhu cầu đó trong thị trường Audio, các sản phẩm cũng dần số hóa theo khi các hãng Audio lớn như DENON, ONKIO, BOSE, JBL, KENWOOD,… cũng cho ra đời các sản phẩm chuyên nghe nhạc số chất lượng cao tích hợp (music server) thông qua các thiết bị lưu trữ bên ngoài như ổ cứng, usb, hoặc nghe nhạc trực tuyến (Stream) như Youtube, Spotify với các ứng dụng trên điện thoại do hãng cung cấp để điều khiển thiết bị rất tiện lợi và đơn giản. Tuy nhiên giá thành cho bộ sản phẩm đó rất cao, ngoài ra người dùng còn phải mua ứng dụng do hãng cung cấp trên Appstore(IOS) hoặc CH play(Android) để sử dụng được sản phẩm đó. Từ chính các nhu cầu số hóa hiện nay trong lĩnh vực Audio, nhóm đã đưa ra đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống Hi-end Audio kĩ thuật số”. để tiến hành nghiên cứu và thực hiện. Để đảm bảo việc thi công mạch theo như ý tưởng, chuẩn xác và không xảy ra sự cố bắt buộc ta phải tính toán và thiết kế. Nên nhóm đề ra mục tiêu chính là thi công BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN được hệ thống nghe nhạc số chất lượng cao có bộ tiền khuếch đại (Preamlifier) để người dùng có thể điều chỉnh tần số hợp với sở thích. Tính toán, thiết kế từng khối của hệ thống như: khối nguồn, khối phát tín hiệu, khối tiền khuếch đại số, khối khuếch đại, khối nút nhấn cảm ứng, khối hiển thị . 1.2 MỤC TIÊU Thiết kế hệ thống Hi-end Audio xử lý nhạc số chất lượng cao bằng Raspberry pi3 và DAC pifi, điều chỉnh được bass, treble, volume, loudness thông qua chip xử lý âm thanh PT2315 được điều khiển bởi Arduino và khuếch đại tín hiệu nhờ chipamp KIA6210. Thiết kế đóng thùng ma trận cho loa 12 cm. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.3.1 Kết nối thiết bị - Tìm hiểu thông tin linh kiện sản phẩm, thông số kỹ thuật. - Kết nối module pifi DAC, ổ cứng vào Raspberry pi3. - Kết nối các module xử lý âm thanh, nút nhấn, lcd vào Arduino. - Kết nối các dây tín hiệu vào khối khuếch đại. - Kết nối từ thiết bị ra loa 1.3.2 Tiến hành xử lý ban đầu - Thực hiện nghiên cứu, thiết kế sơ đồ nguyên lý, PCBA cho hệ thống. - Tìm hiểu mua các loại linh kiện chất lượng cao phù hợp với hệ thống. - Tiến hành demo cắm test board các module trong mạch tiền khuếch đại. - Lập trình điều khiển chip xử lý âm thanh PT2315 bằng Arduino. 1.3.3 Tiến hành thiết kế - Thiết kế, vẽ PCB và đặt mạch in 2 lớp cho pcb KIA6210. - Thiết kế mạch khuếch đại, mạch nguồn tuyến tính. - Thiết kế PCB cho mạch tiền khuếch đại. - Thiết kế vỏ, cắt cnc vỏ bằng mica đen. - Thiết kế thùng ma trận cho loa nỉ 12cm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.3.4 Thi công, kết nối các thiết bị - Thi công các mạch in đã thiết kế. - Tiến hành kết nối toàn bộ hệ thống, test chạy thử trên tất cả các board mạch module, test mạch bằng tai nghe. - Khử nhiễu nguồn vào bằng module EMI. - Khử nhiễu cách ly cho chip PT2315. - Đóng thùng loa ma trận theo thiết kế cho loa 12cm. - Kết nối loa vào hệ thống, nghe thử, cân chỉnh lần cuối. 1.3.5 Hoàn thiện sản phẩm - Tiến hành sắp xếp, đi dây cho toàn hệ thống, kiểm tra. - Lấy kết quả so sánh với tính toán lý thuyết, demo dạng sóng. - Nhận xét nêu ưu nhược điểm của hệ thống. - Nêu hướng phát triển. 1.3.6 Viết báo cáo - Thu thập kết quả viết đề cương báo cáo. - Viết báo cáo. - Chỉnh sửa, kiểm tra lần cuối trước khi nôp quyển báo cáo. - Tiến hành báo cáo. 1.4 GIỚI HẠN - Công suất nhỏ, phù hợp phòng khoảng từ 15-20 m2. - Chỉ thích hợp với loa nhỏ và độ nhạy cao. - Không có các thiết bị chuyên dụng về lọc nhiễu như biến áp cách ly - Không có phòng nghe chuẩn, đầy đủ tán âm, tiêu âm. 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng quan Đặt vấn đề liên quan đến đề tài, tìm hiểu những lý do và sự cần thiết để thực hiện đề tài, mục tiêu hoàn thành, giới hạn cũng như những bước đi từ cơ bản đến cụ thể mà nhóm sẽ thực hiện trong quá trình nghiên cứu đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3