基于单片机的音频信号分析仪的设计[1]

Design of Audio Frequency Analyzer Based on Single Chip Computer
WA N G P ing , JIA N G H uali, WA N G Y i, ZH EN G K o ng hua
( Scho ol o f P hy sics and Optoelect ronics T echno log y, F ujian No rm al University, Fuzho u, 350007, C hina)
122
%现代电子技术& 2009 年第 19 期总第 306 期 ( 1) 电源模块 : 采用直流三端稳压电源设计 , 220 V 交流电经降压、 整流、 滤波和稳压后 , 转换成系统需要的 ∀ 5 V、 ∀ 12 V 电源电压。 ( 2) 预制电路 : 为保证输入频宽在音频范围 , 前端 直流偏置电路采用 OP07 放大器 , 第一级的加法器将输 入信号与 2. 5 V 电压值相加, 第二级的反相器将信号转 移到 A/ D 转换能处理的 0~ 5 V 范围。因输入端 50 电阻的接地, 故系统输入阻抗近似为 50
。
图2
音频系统框图
2 软件设计 音频系统主循环如图 3 所示。 ( 1) 经过采样、 A/ D 转换完成后 , 清除 A/ D 使能标 志, 得到离散化的数字信号。 ( 2) 调 用 周 期判 定 函 数, 实 现对 信 号 周 期 性的 分析。 ( 3) 调用 FF T 变换函数 , 对离散信号的快速傅里 叶变换, 实现时域到频域的变换。 ( 4) 显示输入信号的频谱。 2. 2
[ 7]
图 3 主程序流程图
2. 1
12
A/ D 采样
理论分析 : 因 12 位 的 A/ D 模 块, 故量 化 单位 为 1/ 2 , 因频率分辨率 f = 100 H z 、 F FT 的子样本点数 N = 512, 故采样频率 f s = 51 200 H z( f s # N f ) 、 采样 周期 T s = 1/ 51 200 s ( 采样 周期 = 采样 时间 + 转换 时 间) 。因振 荡 频率 为 7. 37 MH z, 故 指 令周 期 T CY = ( 1/ 7. 37) ∃ 4= 0. 5 s。 实际控制: 转换时间为 14 个 T AD ( 为正确 A/ D 转 换, T A D = 333. 33 ns) 。所以 , 配置 A/ D 自动采样时间 为 6 个 T AD , A/ D 转换时钟为 16T CY , 则 A/ D 转换总时 间为 0. 092 m s, 采样频率为 10. 87 kH z。 A/ D 模块工作在系统时钟源、 自动转换模式, 每完 成一次转换进入一次中断。在程序中应该定义一个采样 点数的结构体, 用于存放 A/ D 采集到的数据, 每个结构 体内包括一个实部和一个虚部。在中断服务子程序中, 由 A/ D 模块采集到的数字量存储到结构体的实部, 共进 行采样点数次转换, 中断服务子程序的流程如图 4 所示。
[ 10]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
量周期可以在时域也可以在频域, 但是由于频域测量周 期性时要求某些频率点具有由规律的零点或接近零点 出现 , 所以对于较为复杂的、 频率分量较多且功率分布 较均匀且低的信号就无法正确地分析其周期性。因此 , 对于信号的周期性判定, 应该在对信号进行 FF T 变换 之前, 直接调用周期判断函数 程图如图 5 所示。
由于直接傅里叶变换的计算量与子样本点数 N 的 平方成正比, 在 N 较大时 , 计算量太大 , 不适合在资源 有限的嵌入式 系统中实 现。所以 最常用基 2 F FT 算 法, 其主要思想是将 N 点直接傅里叶变换分解成多个 较短的直接傅里叶变换 , 再利用旋转因子的周期性、 对 称性 , 在很大程度上节省了系统资源。 MP LAB C30 C 编译器内部提供了几乎全部的数 字信 号 处理 软 件 工具 , 通 过 DSPIC30F 系 列 微 处理 器[ 9] , 只需调用 M icrochip 公司提供的库函数, 即可方 便的实现数字信号处理。对于基 2 FF T 变换来说 , 其 软件流程图如图 6 所示。
Abstract: T he audio frequency analyzer s so ftwa re and hardwar e str ucture, the character istics and the principle of wo rk are intr oduced. T his design uses DSPIC30F6014A mo no lit hic integ rat ed circuit as the contr oller, it bases on the A / D transfor mat ion and FF T tr ansfo rmatio n to analyze the audio frequency signal, w hich can examine 20 Hz~ 10 kH z and 100 mV ~ 5 V audio frequency input sig na l, f requency dist ing uish can reach to 20H z, the var ious fr equency co mpo nent's sum of pow er is not smaller than the to tal perfo rmance 95% , the sing le fr equency pow er er ror is smaller than 10% , ther efor e it has g ood aspect in the embedded sy st em s application. Keywords: audio frequency sig nal; DSP ; F FT ; DSPIC30F6014A
自动化技术
王
平等: 基于单片机的音频信号分析仪的设计
基于单片机的音频信号分析仪的设计
王
摘
平, 江华丽, 王
毅, 郑孔华
福建 福州 350007)
( 福建师范大学 物理与光电信息科技学 院
要 : 着重介绍音频信号分析仪的软硬件结 构 、 特征及其工作原理 , 设计采 用 DSP IC30F 6014A 单片机为 主控制器 , 基
图 5 周期 性判定子函数流程图
的数据。 基于 DSP 单片机技术的音频信号分析具有性能稳定、 电路简单、 速度快、 成本低、 体积小的特点, 适用于需要音频 信号分析的嵌入式系统中, 可以在更多领域进一步推广和 应用, 如环境监测、 语音识别、 智能系统的控制等。
参 考 文 献
2. 3
FF T 变换
于 A / D 转 换和快速傅里叶变换方法对采集的音频信号进行频谱分析 , 能检测 20 Hz~ 10 kH z, 100 mV ~ 5 V 的音频 输入信 号 , 频率分辨率达到 20 H z, 检测出的各频率分量的功率之 和不小于总 功率值的 95% , 单 个频率 功率误 差小于 10% , 因 此在 嵌入式系统方面具有较好的应用价值 。 关键词 : 音频信号 ; DSP; FF T ; DSP IC30F 6014A 中图分类号 : T H89 文献标识码 : A 文章编号 : 1004- 373X( 2009) 19- 122- 03
[ 3]
测试 ∋ 测量 ∋ 自动化 ( 5) 计算信号的功率谱及计算最大功率。 ( 6) 显示信号的功率谱及最大功率。
。
( 3) A/ D 转 换 模 块: 因 为音 频 信 号的 输 入 只有 一路 , 所以在 12 位可配置的 A/ D 模块的 16 个模拟输 入引脚中只用到 AN6, 初始化时, 将该引脚配置为模拟 输入引脚 , 同 时, 因为处 理后的 音频 信号 电压 为 0~ 5 V, 将 A/ D 模块的参考电压设置为 0 V, 5 V 。转换输 出速率高达 200 KSPS [ 4] 。 ( 4) DSP 模块 : 该数字微处理器是改良的哈佛结构 设计 , 可实时分析, 具有很高的分辨率。通过 M icrochip 公司的 M PL AB C30 C 编译器调用 DSP 模块 , 该编译 器中提供 49 个 DSP 处理函数, 可以完成全部的数字信 号处理[ 5] 。 ( 5) L CD 显示模块: 用于直观显示频谱波形。 ( 6) ICD2 调试接口: 选用 M icrochip 公司的 ICD2 在线调试器, 为此预留了 ICD2 调试接口 [ 6] 。 ( 7) RC 振荡器 : 此单片机可工作在外部时钟输入、 外部 RC 输入、 内部快速 RC 振荡器、 内部低功耗 ( RC) 振荡器四种模式 , 以及在低功耗时使用的后分频器。本 设计采用内部快速 RC 振荡器, 它能提供 7. 37 MH z 的 时钟 , 由于要实现对音频信号实时处理, 所以没有用到 后分频器
收稿日期 : 2009- 04- 21 基金项目 : 福建省科技厅 基于嵌入式的网络便 携式终端的研 究! ( 2007F5039)
。
图 1 智能家居系统框图
本设计选用 Microchip 公司的 DSP IC30F 6014A 单 片机为核心处理器 , 该芯片是 MCU 技术与 DSP 技术 的结合, 既包含了 16 位 MCU 的控 制功能 , 又融合 了 DSP 的高速运算技术, 实际上就是数字微处理器、 可方 便地实现音频信号分析的各种功能。音频系统框图如 图 2 所示 , 包括电 源模块、 预 制电路、 A/ D 转 换模块、 DSP 模块、 L CD 显示模块等几个部分。各模块以及接 口的具体设计和实现功能如下:
图 4 A / D 中断服务子程序流程图
周期判定 音频信号的频率分量不但多 , 而且不具周期性。测 123
自动化技术
王
平等: 基于单片机的音频信号分析仪的设计 2. 4 特征值提取 对频域分析起决定作用的量包括采样频率、 采样点 数。通过 F F T 变换 , 得到离散化的幅度谱 X ( k) , 先 将离散化的幅度值平方 , 再除于子样本点数 N, 就可得 到该频率点对应的功率值( 功率 = X ( k) * X ( k) / N ) 。 3 结 语 ; 输入信号
0 引
言
统中 , 对于某些家用电器设备的监测与控制需要进行音 频信号的分析
[ 2]
目前, 大多数音频信号处理仪不但体积大而且价格 贵, 在一些特殊方面难以普及使用, 而嵌入式系统分析仪 具有小巧可靠的特点, 所以开发基于特殊功能单片机的 音频分析仪器是语音识别的基础, 具有很好的现实意义。 信号分析原理是将信号从时间域转换成频率域, 使 原始信号中不明显特性变得明显, 便于分析处理。对于 音频信号来说, 其主要特征参数为幅度谱、 功率谱。该 音频信号分析仪的工作过程为: 对音频信号限幅放大、 模数转换、 快速傅里叶变换( F FT , 时域到频域的转换) 、 特征值提取; 从到音频信号的幅度谱, 进而得到音频信 号的功率谱[ 1] 。 1 硬件设计 智能家居! ( Smart H ome) 也称智能住宅。家居网 络智能控制系统就是利用先进的计算机技术、 通讯技术 和嵌入式技术, 将家中的各种设备通过家庭网络连接成 系统。整个智能家居系统的构成如图 1 所示。在该系
[ 8]
。周期性判定子程序流
系统的主要性能指标为 : 输入阻抗 50
电压范围 ( 峰- 峰值) 100 mV ~ 5 V; 输入信号包含的频 率成分范围为 200 H z~ 10 kH z; 频率分辨力为 100 Hz ( 可正确测量被测信号中 , 频差不小于 100 H z 的频率分 量的功率值) ; 输入信号的总功率和各频率分量的功率, 检测出 的各频 率分量 的功率 之和不 小于 总功率 值的 95% ; 各频率分量功率测量的相对误 差的绝对值小于 10% , 总功率测量的相对误差的绝对值小于 5% ; 以 5 s 周期刷新分析数据, 信号各频率分量应按功率大小依次 存储并可回放显示, 同时实时显示信号总功率和至少前 两个频率分量的频率值和功率值, 并设暂停键保持显示