基于Microchip16位單片機的音頻信號分析儀的設計
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1 硬件設計
“智能家居”(SmartHome)也稱(chēng)智能住宅。家居網(wǎng)絡(luò )智能控制系統就是利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和嵌入式技術(shù)，將家中的各種設備通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò )連接成系統。整個(gè)智能家居系統的構成如圖1所示。在該系統中，對于某些家用電器設備的監測與控制需要進(jìn)行音頻信號的分析。
本設計選用Microchip公司的DSPIC30F6014A單片機為核心處理器，該芯片是MCU技術(shù)與DSP技術(shù)的結合，既包含了16位MCU的控制功能，又融合了DSP的高速運算技術(shù)，實(shí)際上就是數字微處理器、可方便地實(shí)現音頻信號分析的各種功能。音頻系統框圖如圖2所示，包括電源模塊、預制電路、A／D轉換模塊、DSP模塊、LCD顯示模塊等幾個(gè)部分。各模塊以及接口的具體設計和實(shí)現功能如下：
(1)電源模塊：采用直流三端穩壓電源設計，220 V交流電經(jīng)降壓、整流、濾波和穩壓后，轉換成系統需要的±5 V、±12 V電源電壓。
(2)預制電路：為保證輸入頻寬在音頻范圍，前端直流偏置電路采用OP07放大器，第一級的加法器將輸入信號與2．5 V電壓值相加，第二級的反相器將信號轉移到A／D轉換能處理的0～5 V范圍。因輸入端50 Ω電阻的接地，故系統輸入阻抗近似為50 Ω。
(3)A／D轉換模塊：因為音頻信號的輸入只有一路，所以在12位可配置的A／D模塊的16個(gè)模擬輸入引腳中只用到AN6，初始化時(shí)，將該引腳配置為模擬輸入引腳，同時(shí)，因為處理后的音頻信號電壓為0～5 V，將A／D模塊的參考電壓設置為0 V，5 V。轉換輸出速率高達200 KSPS。
(4)DSP模塊：該數字微處理器是改良的哈佛結構設計，可實(shí)時(shí)分析，具有很高的分辨率。通過(guò)Microchip公司的MPLAB C30 C編譯器調用DSP模塊，該編譯器中提供49個(gè)DSP處理函數，可以完成全部的數字信號處理。
(5)LCD顯示模塊：用于直觀(guān)顯示頻譜波形。
(6)ICD2調試接口：選用Microchip公司的ICD2在線(xiàn)調試器，為此預留了ICD2調試接口。
(7)RC振蕩器：此單片機可工作在外部時(shí)鐘輸入、外部RC輸入、內部快速RC振蕩器、內部低功耗(RC)振蕩器四種模式，以及在低功耗時(shí)使用的后分頻器。本設計采用內部快速RC振蕩器，它能提供7．37 MHz的時(shí)鐘，由于要實(shí)現對音頻信號實(shí)時(shí)處理，所以沒(méi)有用到后分頻器。
2 軟件設計
音頻系統主循環(huán)如圖3所示。
(1)經(jīng)過(guò)采樣、A／D轉換完成后，清除A／D使能標志，得到離散化的數字信號。
(2)調用周期判定函數，實(shí)現對信號周期性的分析。
(3)調用FFT變換函數，對離散信號的快速傅里葉變換，實(shí)現時(shí)域到頻域的變換。
(4)顯示輸入信號的頻譜。
(5)計算信號的功率譜及計算最大功率。
(6)顯示信號的功率譜及最大功率。
2．1 A／D采樣
理論分析：因12位的A／D模塊，故量化單位為1／212，因頻率分辨率△f=100 Hz、FFT的子樣本點(diǎn)數N=512，故采樣頻率fs=51 200 Hz(fs≤N△f)、采樣周期Ts=1／51 200 s(采樣周期一采樣時(shí)間+轉換時(shí)間)。因振蕩頻率為7．37 MHz，故指令周期TCY=(1／7．37)×4=O．5μs。
實(shí)際控制：轉換時(shí)間為14個(gè)TAD(為正確A／D轉換，TAD=333．33 ns)。所以，配置A／D自動(dòng)采樣時(shí)間為6個(gè)TAD，A／D轉換時(shí)鐘為16TCY，則A／D轉換總時(shí)間為0．092 ms，采樣頻率為10．87 kHz。
A／D模塊工作在系統時(shí)鐘源、自動(dòng)轉換模式，每完成一次轉換進(jìn)入一次中斷。在程序中應該定義一個(gè)采樣點(diǎn)數的結構體，用于存放A／D采集到的數據，每個(gè)結構體內包括一個(gè)實(shí)部和一個(gè)虛部。在中斷服務(wù)子程序中，由A／D模塊采集到的數字量存儲到結構體的實(shí)部，共進(jìn)行采樣點(diǎn)數次轉換，中斷服務(wù)子程序的流程如圖4所示。
2．2 周期判定
音頻信號的頻率分量不但多，而且不具周期性。測量周期可以在時(shí)域也可以在頻域，但是由于頻域測量周期性時(shí)要求某些頻率點(diǎn)具有由規律的零點(diǎn)或接近零點(diǎn)出現，所以對于較為復雜的、頻率分量較多且功率分布較均勻且低的信號就無(wú)法正確地分析其周期性。因此，對于信號的周期性判定，應該在對信號進(jìn)行FFT變換之前，直接調用周期判斷函數。周期性判定子程序流程圖如圖5所示。
2．3 FFT變換
由于直接傅里葉變換的計算量與子樣本點(diǎn)數N的平方成正比，在N較大時(shí)，計算量太大，不適合在資源有限的嵌入式系統中實(shí)現。所以最常用基2 FFT算法，其主要思想是將N點(diǎn)直接傅里葉變換分解成多個(gè)較短的直接傅里葉變換，再利用旋轉因子的周期性、對稱(chēng)性，在很大程度上節省了系統資源。
MPLAB C30 C編譯器內部提供了幾乎全部的數字信號處理軟件工具，通過(guò)DSPIC30F系列微處理器，只需調用Microchip公司提供的庫函數，即可方便的實(shí)現數字信號處理。對于基2 FFT變換來(lái)說(shuō)，其軟件流程圖如圖6所示。
2．4 特征值提取
對頻域分析起決定作用的量包括采樣頻率、采樣點(diǎn)數。通過(guò)FFT變換，得到離散化的幅度譜X(k)，先將離散化的幅度值平方，再除于子樣本點(diǎn)數N，就可得到該頻率點(diǎn)對應的功率值(功率=X(k)*X(k)／N)。
3 結 語(yǔ)
系統的主要性能指標為：輸入阻抗50 Ω；輸入信號電壓范圍(峰-峰值)100 mV～5 V；輸入信號包含的頻率成分范圍為200 Hz～10 kHz；頻率分辨力為100Hz(可正確測量被測信號中，頻差不小于100 Hz的頻率分量的功率值)；輸入信號的總功率和各頻率分量的功率，檢測出的各頻率分量的功率之和不小于總功率值的95％；各頻率分量功率測量的相對誤差的絕對值小于10％，總功率測量的相對誤差的絕對值小于5％；以5 s周期刷新分析數據，信號各頻率分量應按功率大小依次存儲并可回放顯示，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示信號總功率和至少前兩個(gè)頻率分量的頻率值和功率值，并設暫停鍵保持顯示的數據。基于DSP單片機技術(shù)的音頻信號分析具有性能穩定、電路簡(jiǎn)單、速度快、成本低、體積小的特點(diǎn)，適用于需要音頻信號分析的嵌入式系統中，可以在更多領(lǐng)域進(jìn)一步推廣和應用，如環(huán)境監測、語(yǔ)音識別、智能系統的控制等。
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