基于Microchip的音频信号分析仪的设计

2015-07-14 10:25:36   来源:dzsc   

关键字: Microchip  音频信号分析仪

  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(FFT,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 硬件设计

  “智能家居”(SmartHome)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。

  本设计选用Microchip公司的DSPIC30F6014A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、LCD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:

 

  (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 Ω电阻的接地,故系统输入阻抗近似为50 Ω。

  (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)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Microchip公司的MPLAB 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)LCD显示模块:用于直观显示频谱波形。

  (6)ICD2调试接口:选用Microchip公司的ICD2在线调试器,为此预留了ICD2调试接口。

  (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 MHz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。

  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FFT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。

  (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。

  2.1 A/D采样

  理论分析:因12位的A/D模块,故量化单位为1/212,因频率分辨率△f=100 Hz、FFT的子样本点数N=512,故采样频率fs=51 200 Hz(fs≤N△f)、采样周期Ts=1/51 200 s(采样周期一采样时间+转换时间)。因振荡频率为7.37 MHz,故指令周期TCY=(1/7.37)×4=O.5μs。

  实际控制:转换时间为14个TAD(为正确A/D转换,TAD=333.33 ns)。所以,配置A/D自动采样时间为6个TAD,A/D转换时钟为16TCY,则A/D转换总时间为0.092 ms,采样频率为10.87 kHz。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0714/article_12324.html
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