基于LPC2148 ARM單片機的音頻分析儀設計

0 引言

隨著(zhù)微電子和信息技術(shù)的快速發(fā)展，以單片機為代表的數字技術(shù)發(fā)展日新月異。單片機由于具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應用于各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò )通訊與數據傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數據處理。事實(shí)上，通過(guò)采用單片機來(lái)進(jìn)行控制，可以實(shí)現儀器儀表的數字化、智能化和微型化。本文通過(guò)對比選擇采用了LPC2148芯片解決方案來(lái)實(shí)現音頻分析儀的設計。

1 系統分析與選擇

1．1 信號處理原理分析

在對音頻信號進(jìn)行分析的過(guò)程中，本文采用了快速傅立葉變換FFT算法，即首先對音頻信號進(jìn)行離散化處理，然后進(jìn)行FFT運算，求出信號各個(gè)離散頻率點(diǎn)的功率數值，并得到離散化的功率譜，最后在頻域計算被測音頻信號的總功率。

1．2 系統的選擇

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，由于在處理信號的過(guò)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)運算，而且一個(gè)浮點(diǎn)要占用四個(gè)字節，故在處理過(guò)程要占用大量的內存，同時(shí)浮點(diǎn)運算時(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)間內完成運算。綜合考慮系統內存的大小以及運算速度，本系統選用Philips公司的32位單片機LPC2148。該芯片具有32 KB的RAM，而時(shí)鐘頻率高達60 MHz，所以，對于浮點(diǎn)運算，不論是在速度上，還是在內存上都能夠很快的處理。在信號采樣方式上，由于本系統所選用的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40．96 kHz的采樣率，而且控制方便，成本便宜，所以，本設計由MCU進(jìn)行直接采樣，而不采用DDS芯片配合FIFO對信號進(jìn)行采集。

2 系統設計

2．1 總體設計

在系統總體設計中，音頻信號的采樣過(guò)程非常關(guān)鍵。當音頻信號經(jīng)過(guò)一個(gè)由運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信號進(jìn)行處理，如果信號電壓在100 mV～5 V的范圍內選擇直通，也就是不對信號進(jìn)行衰減或者放大控制，則可減少誤差。但是，當信號強度太小時(shí)，12位的A／D轉換器在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，當采集到信號后，若發(fā)現其強度太小，如在20～250 mV之間，這時(shí)就應該將其認定為弱信號，故應對其經(jīng)過(guò)增益放大器放大之后再進(jìn)行A／D采樣。

經(jīng)過(guò)12位A／D轉換器ADS7819轉換后的數字信號可由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。信號由32位LPC2148分析后，可判斷其周期性，可由Atme-gal6進(jìn)行測量，然后在LCD顯示屏上顯示，其功能框圖如圖1所示。

2．2 放大電路設計

當信號輸入后，首先要根據信號強弱進(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(guò)R1和R2兩個(gè)電阻和一個(gè)高精度儀表運放AD620實(shí)現跟隨功能，并在進(jìn)行阻抗匹配后。通過(guò)繼電器控制來(lái)決定是將信號直接送給AD轉換還是放大后再進(jìn)行AD轉換。

由于需要對音頻信號的頻率及其功率進(jìn)行檢測，并且要測量正弦信號的失真度，因此要求在對小信號進(jìn)行放大時(shí)，要盡可能少的引入信號的放大失真。正弦信號的理論計算失真度為0，對引入的信號失真非常靈敏，所以，本設計選擇了低噪聲、低失真的儀表放大器INA217，以將失真度控制在1 kHz頻率之內。[next]

2．3 AD轉換電路設計

本系統采用12位AD轉換器ADS7819來(lái)對信號進(jìn)行轉換，并將轉換的數據送往32位控制器進(jìn)行處理，其轉換電路原理圖如圖3所示。

3 軟件設計

由于系統主控芯片LPC2148的處理速度比較快，所以，軟件設計采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程比較簡(jiǎn)單快捷，其軟件設計流程圖如圖4所示。

4 結果分析

筆者對本系統的音頻信號進(jìn)行了測量，并得到了如表1所列的數據。由于實(shí)驗室能夠模仿的音頻信號只有正弦信號，所以，實(shí)驗采用信號發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生正弦信號，然后對其進(jìn)行測量和誤差分析，根據時(shí)域和頻域的測量結果可以發(fā)現，其測量誤差在5％的范圍之內，且沒(méi)有發(fā)現明顯失真，基本可以滿(mǎn)足實(shí)驗的測量要求。

5 結束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗檢驗，本系統架構設計合理，功能電路較好，系統性能優(yōu)良、穩定，系統設計基本可以滿(mǎn)足音頻分析的基本要求，且誤差較小。但是，由于音頻信號有多個(gè)頻點(diǎn)，沒(méi)有一定的規律性，因而導致測量過(guò)程中音頻信號波動(dòng)較大，這一點(diǎn)在應用過(guò)程中，還要對系統進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。