完整解決方案大奉送：實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀的系統實(shí)現，包括軟硬件設計方案

一、項目概述

1.1 引言

隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、城市建筑的發(fā)展，以及人口密度的增加，家庭設施（音響、空調、電視機等）的增多，環(huán)境噪聲日益嚴重，它已成為污染人類(lèi)社會(huì )環(huán)境的一大公害。因此環(huán)境噪聲的監測已經(jīng)成為人們密切關(guān)注的問(wèn)題。實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀是對噪聲信號進(jìn)行測量分析的必備設備，是從事專(zhuān)業(yè)噪聲監測、音頻信號的研究應用的常用工具，應用十分廣泛。

傳統的模擬音頻頻譜分析儀有明顯的缺點(diǎn)，硬件實(shí)現復雜，只能測量頻率的幅度,缺少相位信息,而且體積較大，攜帶不方便，不能在復雜的噪聲現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量，因此無(wú)法滿(mǎn)足現代環(huán)境噪聲測量的要求?；诳焖俑道锶~變換(FFT)的現代頻譜分析儀，通過(guò)傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量,達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果。這種新型的頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖，實(shí)現音頻的頻譜分析。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機 　

本項目采用的AVR EVK1105開(kāi)發(fā)套件基于AT32UC3A0512微控制器，它內置硬件乘法器，支持DSP指令集，64K SRAM，具有強大的定點(diǎn)運算能力，因此完全可以達到數字信號處理中的數據運算要求；而且AVR EVK1105開(kāi)發(fā)套件上配置有TLV320AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼芯片，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，而且對輸入和輸出都具有可編程調節增益，集成模數轉換（ADC）部件，可在8K到96K的頻率范圍內提供16bit的采樣，能夠達到較高的數據采樣精度；QVGA(320*240)全彩色LCD顯示屏能夠很好的實(shí)現噪聲信號的波形圖和頻譜圖的顯示以及良好的用戶(hù)界面。

因此本項目充分利用AVR EVK1105開(kāi)發(fā)套件提供的軟硬件資源，采用數字信號處理的方法實(shí)現一個(gè)基于Wi-Fi控制的實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀。該實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀采用數字的方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)獲取采樣數據,運用FIR數字濾波算法以及FFT算法得到實(shí)時(shí)噪聲信號的頻譜分布圖，同時(shí)計算出噪聲的相關(guān)參數，實(shí)現了實(shí)時(shí)噪聲的測量與分析。該噪聲頻譜儀可以獲得良好的線(xiàn)性度和高分辨率，而且增加Wi-Fi無(wú)線(xiàn)控制模塊，能完成復雜的噪聲現場(chǎng)和實(shí)驗室無(wú)人環(huán)境的噪聲測量任務(wù)。設備體積小，操作簡(jiǎn)單，便于攜帶使用。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）、實(shí)現對輸入噪聲信號的參數測量功能：

a) 顯示噪聲信號的實(shí)時(shí)波形圖；

b) 顯示實(shí)時(shí)噪聲信號的倍頻程、1/3倍頻程頻譜圖；

c) 測量實(shí)時(shí)噪聲信號的相關(guān)參數：

?基于A(yíng)、C、Z加權的噪聲信號的聲壓級別Lp；

?最大，最小聲壓級別測量（A、C加權）、峰值聲壓級別（C加權）、等效連續聲壓級別 Leq (A、C加權)；

?噪聲信號累計百分n聲級Ln（A、C加權）；

2）、基于Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接，實(shí)現遠程設備控制，實(shí)現無(wú)人環(huán)境下的噪聲測量；

3）、SD卡實(shí)現數據存儲、回放功能；

4）、校準：聲校準,利用聲校準器校準。

2.2 性能要求

(1) 測量范圍： 30~120dB;

（2）倍頻程帶寬： 31.5~16KHz;

(3) 1/3倍頻程帶寬： 20Hz~20KHz;

(4) 頻率分辨率： 20Hz;

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

本系統主要采用AVREVK1105開(kāi)發(fā)板上的音頻數據輸入接口或者麥克風(fēng)獲取噪聲信號數據，并使用開(kāi)發(fā)板上的TVL3230AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼器芯片實(shí)現16位的A/D轉換，實(shí)現模擬信號到數字信號的轉換，并運用AT32UC3A0512的DSP指令集實(shí)現FIR數字濾波、FFT算法，得到音頻信號的頻譜數據，計算出實(shí)現音頻信號的相關(guān)參數，并實(shí)時(shí)的在開(kāi)發(fā)板上的全彩色LCD屏上顯示噪聲信號的波形圖、頻譜圖以及相關(guān)參數的數值。也可以將采集的數據通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的SD卡插槽存儲到SD卡中，以備后續數據回放、分析使用。

該系統還支持基于Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口進(jìn)行設備的遠程控制操作，如測量參數設置、測量開(kāi)始、停止等命令，實(shí)現無(wú)人環(huán)境下的噪聲參數的測量。從而完成噪聲信號的監測、分析功能。

系統硬件結構框圖如圖1所示：

圖1 系統硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1、硬件平臺：

系統使用AVREVK1105開(kāi)發(fā)板， AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的評估套件。

EVK1105開(kāi)發(fā)板硬件資源使用：

(1)、AVR AT32UC3A0512處理器：高性能、地低功耗AVR32 UC 32-Bit微控制器，主頻高達66MHz,內置硬件乘法器，支持DSP指令集，強大的定點(diǎn)運算能力,能 高效的實(shí)現數字信號的處理；

(2)、TVL3230AIC23B芯片：低功耗立體聲音頻編解碼器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式， 而且對輸入和輸出都具有可編程調節增益，集成模數轉換（ADC）和數模轉換（DAC）部件，可 在8K到96K的頻率范圍內提供16bit的采樣。

(3)、QVGA(320*240)全彩色LCD顯示屏：很好的實(shí)現噪聲信號的波形圖和頻譜圖的顯示以及良 好的用戶(hù)界面；

(4)、傳感器：麥克風(fēng)，用于噪聲現場(chǎng)的聲音信號采集；

(5)、SD讀卡器：外接SD卡，實(shí)現采集數據的存儲和回放；

(6)、JTAG接口：USB設備接口及嵌入式主機控制器：用于固件程序的調試；

(7)、擴展網(wǎng)絡(luò )通信功能，實(shí)現基于Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)設備控制。

調試工具：AVR Dragon 系統調試器，支持SPI,JTAG接口調試，用于系統的軟件代碼調試。

2、軟件平臺：

(1)、 Windows XP操作系統。

(2)、 AVRStudio5.0 : 開(kāi)發(fā)和調試嵌入式AVR應用的的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于創(chuàng )建、編譯和調試基于A(yíng)VR微控制器的軟件代碼，并支持直接將代碼下載到板上的Flash中。

3.3系統軟件架構

1、系統軟件構架圖：

圖2 系統軟件構架

2、系統軟件模塊：

(1)、數據采集模塊：通過(guò)控制TLV320AIC23B音頻編解碼芯片從麥克風(fēng)或者直接LINE_IN 的方式采集音頻數據。

(2)、數據訪(fǎng)問(wèn)模塊：通過(guò)文件系統讀取SD卡上存儲的數據；

(3)、界面顯示模塊：彩色LCD屏顯示開(kāi)機界面，或者顯示測量數據。

(4)、數字信號處理模塊：運用AT32UC3A0512微控制器完成FIR數字濾波，FFT頻譜計算以 及噪聲相關(guān)參數計算，輸出運算結果；

(5)、keyboard:觸控鍵盤(pán)輸入；

(6)、WiFi:接收無(wú)線(xiàn)控制信號，用于設備的無(wú)線(xiàn)控制操作；

(7)、噪聲頻譜儀主程序：整個(gè)系統的框架程序，完成各個(gè)任務(wù)的調度。

(8)、LwIP：完成WiFi網(wǎng)絡(luò )通訊功能，進(jìn)行設備的無(wú)線(xiàn)控制。

(9)、文件系統：用于SD卡的數據存儲、讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)管理。

(10)、設備驅動(dòng)：板上各個(gè)硬件設備的驅動(dòng)程序，提供相應設備的訪(fǎng)問(wèn)接口。

3.4 系統軟件流程

1、軟件流程圖：

圖3 程序運行流程圖

2、軟件流程：

(1)、系統各個(gè)模塊的初始化；進(jìn)入步驟（2）；

(2)、根據顯示緩存內容，進(jìn)行屏幕顯示，進(jìn)入步驟（3）；

(3)、進(jìn)行鍵盤(pán)輸入掃描并查詢(xún)WiFi消息接收狀態(tài)，如果收到輸入消息則進(jìn)行消息解析，并設置相應的操作命令字和系統狀態(tài)，進(jìn)入步驟（4）。

(4)、根據操作命令字和系統狀態(tài)判斷是否開(kāi)始測量，如果開(kāi)始測量，則進(jìn)入步驟（5），否則返回步驟（2）；

(5)、使用板上的音頻編解碼芯片對連續噪聲信號經(jīng)行一定頻率的采樣，轉換成離散的噪聲信號數據；然后進(jìn)入步驟（6）；

(6)、對離散噪聲信號數據進(jìn)行FIR數字濾波，濾除高頻信號分量；然后進(jìn)入步驟（7）；

(7)、對濾波后的信號數據進(jìn)行FFT運算，得到音頻信號的各個(gè)頻率分量數據；然后進(jìn)入步驟（8）；

(8)、根據計算出的頻率域的數據，計算噪聲信號的相關(guān)參數，如聲壓級別，聲壓級峰值，等效連續聲壓值等；然后進(jìn)入步驟（9）；

(9)、若之前設置需要存儲數據，則將相關(guān)數據通過(guò)板上的SD卡插槽存儲到SD卡中，以備后續回放、分析使用；然后返回步驟（2）。

3.5 系統預計實(shí)現結果

該系統既能通過(guò)音頻數據輸入接口直接輸入噪聲信號數據，也能在噪聲現場(chǎng)使用麥克風(fēng)進(jìn)行聲音信號的采集；系統對采集的數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到音頻信號的波形圖、頻譜圖以及相關(guān)參數，并在設備的彩色顯示屏上實(shí)時(shí)顯示或者將采集的數據及測量結果存儲在SD卡中，以用于數據存儲、回放功能。系統既可以直接在設備上進(jìn)行手動(dòng)按鍵操作，也可以用Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口進(jìn)行遠程設備控制，以實(shí)現無(wú)人環(huán)境的噪聲測量。