基于ARM單片機(jī)LPC2148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(jī)為代表的數(shù)字技術(shù)發(fā)展日新月異。單片機(jī)由于具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用于各種儀表的控制，計算機(jī)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(jī)來進(jìn)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(jìn)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(jìn)行離散化處理，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算，求出信號各個離散頻率點(diǎn)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(jìn)行大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，而且一個浮點(diǎn)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(diǎn)運(yùn)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(yùn)算。綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)存的大小以及運(yùn)算速度，本系統(tǒng)選用Philips公司的32位單片機(jī)LPC2148。該芯片具有32 KB的RAM，而時鐘頻率高達(dá)60 MHz，所以，對于浮點(diǎn)運(yùn)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(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(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(dāng)音頻信號經(jīng)過一個由運(yùn)放和電阻組成的匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采樣時，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(nèi)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(dāng)信號強(qiáng)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(dāng)采集到信號后，若發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度太小，如在20～250 mV之間，這時就應(yīng)該將其認(rèn)定為弱信號，故應(yīng)對其經(jīng)過增益放大器放大之后再進(jìn)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(jìn)行FFT變換和處理，以分析其頻譜特性和各個頻率點(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(shè)計

當(dāng)信號輸入后，首先要根據(jù)信號強(qiáng)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R1和R2兩個電阻和一個高精度儀表運(yùn)放AD620實現(xiàn)跟隨功能，并在進(jìn)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(jìn)行AD轉(zhuǎn)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，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)。