基于ARM單片機PLC的音頻分析儀設(shè)計

0 引言

隨著微電子和信息技術(shù)的快速發(fā)展，以單片機為代表的數(shù)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，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(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理。事實上，通過采用單片機來進行控制，可以實現(xiàn)儀器儀表的數(shù)字化、智能化和微型化。本文通過對比選擇采用了LPC2148芯片解決方案來實現(xiàn)音頻分析儀的設(shè)計。

1 系統(tǒng)分析與選擇

1．1 信號處理原理分析

在對音頻信號進行分析的過程中，本文采用了快速傅立葉變換FFT算法，即首先對音頻信號進行離散化處理，然后進行FFT運算，求出信號各個離散頻率點的功率數(shù)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(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，由于在處理信號的過程中，通常會用到快速傅立葉變換FFF算法，所以需要進行大量的浮點運算，而且一個浮點要占用四個字節(jié)，故在處理過程要占用大量的內(nèi)存，同時浮點運算時間也很慢，所以采用普通的8位MCU和16位MCU一般難以在一定的時間內(nèi)完成運算。綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)存的大小以及運算速度，本系統(tǒng)選用Philips公司的32位單片機LPC2148。該芯片具有32 KB的RAM，而時鐘頻率高達60 MHz，所以，對于浮點運算，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，定時精度為16．7 ns，可以實現(xiàn)40．96 kHz的采樣率，而且控制方便，成本便宜，所以，本設(shè)計由MCU進行直接采樣，而不采用DDS芯片配合FIFO對信號進行采集。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2．1 總體設(shè)計

在系統(tǒng)總體設(shè)計中，音頻信號的采樣過程非常關(guān)鍵。當音頻信號經(jīng)過一個由運放和電阻組成的匹配網(wǎng)絡(luò)進行采樣時，首先要由量程控制模塊對信號進行處理，如果信號電壓在100 mV～5 V的范圍內(nèi)選擇直通，也就是不對信號進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，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，這時如果選擇直通，其離散化處理的誤差將會非常大。因此，當采集到信號后，若發(fā)現(xiàn)其強度太小，如在20～250 mV之間，這時就應該將其認定為弱信號，故應對其經(jīng)過增益放大器放大之后再進行A／D采樣。

經(jīng)過12位A／D轉(zhuǎn)換器ADS7819轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號可由32位LPC2148進行FFT變換和處理，以分析其頻譜特性和各個頻率點的功率值，然后將這些值送到Atmega16進行顯示控制。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(shè)計

當信號輸入后，首先要根據(jù)信號強弱進行放大處理，圖2所示是其放大電路原理圖。該放大電路通過R1和R2兩個電阻和一個高精度儀表運放AD620實現(xiàn)跟隨功能，并在進行阻抗匹配后。通過繼電器控制來決定是將信號直接送給AD轉(zhuǎn)換還是放大后再進行AD轉(zhuǎn)換。

由于需要對音頻信號的頻率及其功率進行檢測，并且要測量正弦信號的失真度，因此要求在對小信號進行放大時，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(shè)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(nèi)。

2．3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

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

3 軟件設(shè)計

由于系統(tǒng)主控芯片LPC2148的處理速度比較快，所以，軟件設(shè)計采用C語言來進行編程比較簡單快捷，其軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。

4 結(jié)果分析

筆者對本系統(tǒng)的音頻信號進行了測量，并得到了如表1所列的數(shù)據(jù)。由于實驗室能夠模仿的音頻信號只有正弦信號，所以，實驗采用信號發(fā)生器來產(chǎn)生正弦信號，然后對其進行測量和誤差分析，根據(jù)時域和頻域的測量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其測量誤差在5％的范圍之內(nèi)，且沒有發(fā)現(xiàn)明顯失真，基本可以滿足實驗的測量要求。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實驗檢驗，本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，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，由于音頻信號有多個頻點，沒有一定的規(guī)律性，因而導致測量過程中音頻信號波動較大，這一點在應用過程中，還要對系統(tǒng)進行進一步的改進和完善。