基于ARM單片機(jī)PLC的音頻分析儀設(shè)計(jì)

0 引言

隨著微電子和信息技術(shù)的快速發(fā)展，以單片機(jī)為代表的數(shù)字技術(shù)發(fā)展日新月異。單片機(jī)由于具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。事實(shí)上，通過采用單片機(jī)來進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)儀器儀表的數(shù)字化、智能化和微型化。本文通過對(duì)比選擇采用了LPC2148芯片解決方案來實(shí)現(xiàn)音頻分析儀的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)分析與選擇

1．1 信號(hào)處理原理分析

在對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行分析的過程中，本文采用了快速傅立葉變換FFT算法，即首先對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行離散化處理，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算，求出信號(hào)各個(gè)離散頻率點(diǎn)的功率數(shù)值，并得到離散化的功率譜，最后在頻域計(jì)算被測(cè)音頻信號(hào)的總功率。

1．2 系統(tǒng)的選擇

在處理器的選擇上，通?？梢赃x擇8位、16位或者是32位的MCU。但是，由于在處理信號(hào)的過程中，通常會(huì)用到快速傅立葉變換FFF算法，所以需要進(jìn)行大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，而且一個(gè)浮點(diǎn)要占用四個(gè)字節(jié)，故在處理過程要占用大量的內(nèi)存，同時(shí)浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)間也很慢，所以采用普通的8位MCU和16位MCU一般難以在一定的時(shí)間內(nèi)完成運(yùn)算。綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)存的大小以及運(yùn)算速度，本系統(tǒng)選用Philips公司的32位單片機(jī)LPC2148。該芯片具有32 KB的RAM，而時(shí)鐘頻率高達(dá)60 MHz，所以，對(duì)于浮點(diǎn)運(yùn)算，不論是在速度上，還是在內(nèi)存上都能夠很快的處理。在信號(hào)采樣方式上，由于本系統(tǒng)所選用的32位MCU芯片LPC2148是60 MHz的單指令周期處理器，定時(shí)精度為16．7 ns，可以實(shí)現(xiàn)40．96 kHz的采樣率，而且控制方便，成本便宜，所以，本設(shè)計(jì)由MCU進(jìn)行直接采樣，而不采用DDS芯片配合FIFO對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 總體設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，音頻信號(hào)的采樣過程非常關(guān)鍵。當(dāng)音頻信號(hào)經(jīng)過一個(gè)由運(yùn)放和電阻組成的匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采樣時(shí)，首先要由量程控制模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，如果信號(hào)電壓在100 mV～5 V的范圍內(nèi)選擇直通，也就是不對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減或者放大控制，則可減少誤差。但是，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度太小時(shí)，12位的A／D轉(zhuǎn)換器在2．5 V參考電壓下的最小分辨率為1 mV左右，這時(shí)如果選擇直通，其離散化處理的誤差將會(huì)非常大。因此，當(dāng)采集到信號(hào)后，若發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度太小，如在20～250 mV之間，這時(shí)就應(yīng)該將其認(rèn)定為弱信號(hào)，故應(yīng)對(duì)其經(jīng)過增益放大器放大之后再進(jìn)行A／D采樣。

經(jīng)過12位A／D轉(zhuǎn)換器ADS7819轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)可由32位LPC2148進(jìn)行FFT變換和處理，以分析其頻譜特性和各個(gè)頻率點(diǎn)的功率值，然后將這些值送到Atmega16進(jìn)行顯示控制。信號(hào)由32位LPC2148分析后，可判斷其周期性，可由Atme-gal6進(jìn)行測(cè)量，然后在LCD顯示屏上顯示，其功能框圖如圖1所示。

2．2 放大電路設(shè)計(jì)

當(dāng)信號(hào)輸入后，首先要根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行放大處理，圖2所示是其放大電路原理圖。該放大電路通過R1和R2兩個(gè)電阻和一個(gè)高精度儀表運(yùn)放AD620實(shí)現(xiàn)跟隨功能，并在進(jìn)行阻抗匹配后。通過繼電器控制來決定是將信號(hào)直接送給AD轉(zhuǎn)換還是放大后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

由于需要對(duì)音頻信號(hào)的頻率及其功率進(jìn)行檢測(cè)，并且要測(cè)量正弦信號(hào)的失真度，因此要求在對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，要盡可能少的引入信號(hào)的放大失真。正弦信號(hào)的理論計(jì)算失真度為0，對(duì)引入的信號(hào)失真非常靈敏，所以，本設(shè)計(jì)選擇了低噪聲、低失真的儀表放大器INA217，以將失真度控制在1 kHz頻率之內(nèi)。

2．3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用12位AD轉(zhuǎn)換器ADS7819來對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送往32位控制器進(jìn)行處理，其轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)主控芯片LPC2148的處理速度比較快，所以，軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言來進(jìn)行編程比較簡(jiǎn)單快捷，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

4 結(jié)果分析

筆者對(duì)本系統(tǒng)的音頻信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，并得到了如表1所列的數(shù)據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)室能夠模仿的音頻信號(hào)只有正弦信號(hào)，所以，實(shí)驗(yàn)采用信號(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生正弦信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和誤差分析，根據(jù)時(shí)域和頻域的測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其測(cè)量誤差在5％的范圍之內(nèi)，且沒有發(fā)現(xiàn)明顯失真，基本可以滿足實(shí)驗(yàn)的測(cè)量要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本可以滿足音頻分析的基本要求，且誤差較小。但是，由于音頻信號(hào)有多個(gè)頻點(diǎn)，沒有一定的規(guī)律性，因而導(dǎo)致測(cè)量過程中音頻信號(hào)波動(dòng)較大，這一點(diǎn)在應(yīng)用過程中，還要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。