山东建筑大学-音频信号分析系统论文.doc

全国大学生电子设计竞赛论文山东赛区编 号：A甲2313题 目：音频信号分析仪学生姓名：张 明 李龙传 太荣兵学校专业：山东建筑大学机械工程及自动化指导教师：张 涵沈孝芹张 超音频信号分析仪摘要：根据竞赛题目要求和现有条件的条件，本作品完成了以通用计算机的为核心的音频信号分析仪。本仪器系统组成为：被测对象、传感器、信号调理、数据采集、虚拟仪器软件和计算机软件系统平台。被测信号首先经传感器转化为电信号，然后由信号调理器进行去噪、滤波及前级放大等预处理，然后通过集成芯片进行音频信号的采集和模数转换并将数据通过单片机以串行通信的方式上传到PC机，经具有强大科学计算能力的软件LABVU分析处理，将分析结果下传到单片机并通过液晶和打印机进行输出，成功实现了对音频信号的频谱分析、功率分析和正弦信号失真度的测量。关键词：信号采集；频谱分析；功率分析；虚拟仪器；正弦信号失真度1.系统方案选择与论证1.1总体设计方案本作品是以计算机为中心的音频信号分析仪，根据题目设计要求，采集的信号在几十赫兹到十千赫兹范围内，我们尽量利用现有技术与设备，采用转换速度几十微秒的AD转换芯片和通用计算机构成，原理如图1所示。本音频信号分析仪以LPC938单片机为核心，声音模拟信号通过LM358进行信号放大，利用LPC938自带的A/D转换功能实现模拟数字信号的转换，由单片机通过串行口通信的方式将数字音频信号传给PC机,通过PC机显示音频信号并分析结果。利用LabVIEW强大的科学计算能力，对采集到的信号进行了自相关和互相关分析，并对确知信号和随机信号进行了频谱分析和功率谱分析，实现了音频信号分析仪的设计。并将分析结果下传51单片机，由液晶显示、打印机打印。信号输入（话筒）滤波电路放大电路采集电路串行通讯电路机分析处理图1音频信号分析仪原理方框图STC89C51液晶显示打印机时钟芯片1.2 方案的论证与比较1.2.1控制芯片的选择 方案一：采用常用的STC89C51控制。89C51为8位微控制器，内部有4KB程序存储器ROM,128B数据存储器RAM,工作频率040MHZ，4K的EEPROM存储器。具有结构完善、I/O口多，烧写简便、售价低、指令格式简单，功耗低，定时、计数、中断等功能。 方案二：采用STC12C2052AD芯片，该单片机是一款单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强干扰的新一代增强型8051CPU，速度快812倍。4路PWM，8路高速10位A/D转换。内部有12KB程序存储器ROM,512B数据存储器RAM工作频率可达48MHZ。方案三：应用LPC938。P89LPC938 是一款单片封装的微控制器，适合于要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2-4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。8KB可擦除FLASH程序存储器，具有1KB扇区和64字节页。256字节RAM数据存储器和一个512字节附加片内RAM,以及512字节片内用户数据EEPROM存储区。并包含8输入多路10位A/D转换器，转换精度高，运算速度快。综上所述，该仪器输入信号包含的频率成分范围：200HZ10KHZ。采用STC89C51单片机外扩展2543ad转换芯片，数据采集速率慢；STC12C2052AD芯片A/D采样频率低，不符合要求，因此采用方案三。1.2.2滤波模块设计方案一：无源滤波器用无源器件如电感、电容、电阻组成的滤波器电路，其电路结构简单，调试容易。 方案二：话路滤波。是由一个截至频率为WH的二阶低通滤波器和一个截至频率为WL二阶高通滤波器组合而成，其通带范围为WLWWH可根据低通滤波器和高通滤波器的计算方法算出频率范围200HZ100KHZ，其通带增益为8DB。方案三：集成有源滤波器。FLT-U2集成RC滤波器是一种由厚膜混合技术制作的有源RC状态变量双二次型集成滤波器，内含四级运算放大器及RC元件，其中前三级构成滤波电路，后级为独立的一级，该级可做增益级、加法器缓冲器或一个附加单极点的滤波器，利用该集成有源滤波器电路加少量电阻，即可分别得到各种有源滤波器。综合比较，方案二为专门的话音滤波电路，灵敏度较高，传输带衰减速率大，适用于低频场合中使用，故采用方案二。 1.2.3放大模块设计 方案一：采用通用型运算放大器UA741。UA741是美国仙童公司较为早期的产品，由于其性能完善，差模电压范围和共模电压范围宽，增益高，不须加外补偿，功耗较低，负载能力强有输出保护，价格低廉，产品量大面广，因此具有较广泛的应用，但其参数是按工业的普通用途设定的，各方面的性能都较差或中等，其性能指标适合一般性使用。方案二：采用双运算放大器LM358。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。方案三：采用仪表放大器AD620。仪表放大器AD620的增益范围1-1000，有一只电阻即可设定，电源供应范围正负2.3伏-正负18伏。低耗电量，可用电池驱动，适用于可携式器材中；精确度高，适用于压力感测方面的应用，如电压感测，一般压力感测器之电桥电路讯号放大，尤其是高精度的医疗方面，但是价格较贵。综合所述，采用LM358单电源供电，零点漂移小，工作稳定，满足系统的工作要求，故选择方案二。 12.4AD转换模块方案一：采用ADC0809。该芯片可以实现多路模拟量分时解。8个模拟输入通道，有通道地址锁存。分辨率为8位，精度为8位。零偏差和满量程误差均小于1/2LSB，不需要校准。单一+5v电源供电工作温度范围为-40+85。功耗为15mw。但其转换时间长达100US并且还是采用并行方式传输数据，占用大量I/O口。方案二：采用12位开关电容逐次逼近A/D转换器TLC2543。该芯片具有12位解析能力，具有单、双极性输出，可以实现单极性与双极性转换，并且可以实现MSB导前与LSB导前转换。11个模拟输入通道，分辨率较高。3路内置自测试方式；采样率为66kbps；线性误差1LSBmax；有转换结束输出EOC；可编程输出数据长度。采用串行方式发送数据，可以节省很多I/O口线，节省51系列单片机I/O资源；但10US的转换时间太长，转化效率较低。 方案三：P89LPC938自带10位8路输入的逐次逼近式A/D转换器，8个结果寄存器，6种工作模式，3种转换启动模式，在9MHZ的A/D时钟下，4US的转换时间。综上所述：前两种方案A/D转换频率低，达不到系统要求，故选择方案三，应用P89LPC938芯片作为A/D转换控制芯片。 1.2.5数据缓存模块方案一：采用EEPROM芯片27C64，它可以提供64K的容量，不仅可用于外扩程序存储器也可用于外扩数据存储器，而且使用起来比较简单，通常不需要设置单独的擦除操作，在对芯片进行编程的同时即可完成自动擦除工作。但是考虑到它的连接电路要占用大量的输入输出口，而且我们并不需要64K这么多的存储空间，故不采用。方案二：采用EEPROM芯片24C04,与27C64相比，它的连接电路要简单的多，使用起来也很简单。它可以提供4K的存储空间，具有写保护功能，工作电压为1.8到6.0V，功耗低，可以长期保存数据达100。但考虑到它只有4K的存储空间，而STC89C51自身就带有4K的存储空间，故不采用。方案三：不用EEPROM芯片，直接使用单片机内部4K的EEPROM。这样既不会占用单片机的输入输出口，减少了外部电路的复杂性，而且充分利用了单片机的内部资源，使单片机得到了更加充分的利用。故采用了本方案。1.2.6显示模块用液晶显示测量结果，结果显示清晰，内容丰富，人机界面友好。为了形象直观的显示我们所需要汉字、数值和符号等，我们最终选择了OCMJ4X8C液晶显示，完全能够满足我们的显示要求。1.2.7系统各模块的最终方案经过团队的仔细分析与论证，我们决定系统各模块的最终方案如下：（1）控制电路设计：P89LPC938（2）滤波模块设计：话路滤波（3）放大模块设计：LM358（4）AD转换模块：P89LPC938（5）数据缓存模块：使用单片机内部4K的EEPROM（6）显示模块：OCMJ4X8C2、系统的硬件设计与实现2.1 系统硬件的基本组成部分 本系统可分为电压信号产生部分、信号转换测量部分和控制部分。具体的单元电路包括：滤波电路，信号放大电路，A/D转换电路，LabV IEW的信号分析与处理，液晶显示并打印分析结果。2.2 主要单元电路的设计2.2.1话路滤波电路一般有源滤波器的设计，是根据所要求的幅频特性，寻找可实现的有理函数进行逼近设计。滤波电路如图2所示，当取R1=R2=8.2K,C1=6800P,C2=680P,r1,r2分别为47k和27k时，得到其频率范围200HZ100KHZ，其通带增益为8DB。图2 话路滤波电路2.2.2 放大模块设计图3所示为LM358放大器的放大电路图。通过调节最左端滑动变阻器可实现调零。通过调节R2实现第一级放大，通过调节R3实现第二级放大，总放大倍数为 G=(R2/R1+1)*(R3/R4+1) 使用时从5拐角输入信号即可从1拐角输出放大后的信号。图3 LM358放大电路2.2.3 打印机模块荣达创新RD-D 系列微型打印机是一种操作简单的微型打印机。它采用针式撞击点阵打印，可以设置多种字型和打印速率。它可以打印全部448 个字符及图块，包括96 个ASCII 字符，352 个希腊文、德文、俄文、法文等字母，日文片假名，部分中文字，数字符号等。采用模块化驱动控制电路，有效保护打印头的绝对安全；专门的复位控制电路、电源监测电路以及近乎完美的软硬件看门狗控制电路，确保打印机不死机、不乱打。其电路图如下：2.2.4 时钟芯片模块DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片。它能够提供秒、分、小时、日、月、年包括星期的信息,并且能够自动调整月份和闰年。芯片采用了简单的I2C 三线通信方式,便于节省芯片和与之接口的微处理器引脚。它广泛应用于电话传真便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域下。其电路图如下：图4 时钟芯片接口电路2.2.5 显示模块音频分析仪的显示模块提供液晶显示和PC机显示两种功能。由于对音频设备进行音频测量分析时，需要用到大量的曲线、图表，在Windows操作系统下的PC机具有强大的图形显示功能，各种显示控件的设计具有很大的灵活性， 因此用PC机显示时域波形信号频谱瀑布图等各种图形或曲线，用液晶显示信号电压频率及谐波失真等数字化的参数。OCMJ4X8C液晶显示模块与单片机有两种连接方法，一种并行通讯，一种是串行通讯。单片机与液晶并行通讯，程序设计简单，显示子程序及工作时序容易理解，故采用并行通讯。电路图如图6所示3、系统软件设计3.1 芯片938程序流程3.2 80C51主程序流程图初始化芯片端口选择AD转换通道0设置于通讯的波特率AD转换数据处理与上位机通讯上传数据循环AD转换定义特殊寄存器地址设置通讯波特率按键调整时间键盘扫描选择显示模式模式1正常显示模式显示时间模式2接受最终分析结果并显示模式3打印机打印最终结果时钟芯片工作读取时钟芯片内的数值调用液晶显示子程序调用显示子程序与上位机通讯下传数据单片机读取数据调用显示子程序与上位机通讯下传数据单片机读取数据调打印子程序打印分析结果程序初始化图5 芯片938程序流程 图6 80C51主程序流程图4.LabVIEW的信号分析与处理选择LabVIEW作为该系统的软件开发平台，主要基于与小考虑：1、它具有强大的软件开发功能，满足本系统的软件开发平台；2、有丰富的函数库，使软件的开发速度快，实现容易；3、LabVIEW是一个完全开放式的开发平台，可支持文本语言编译的程序模块，便于集中个软件优势，使系统功能更加完善；4、图形化编程方式，简单直观，易于掌握，在较短的时间里，自行编程，增加系统功能。对于采集到计算机上的信号，进行数字滤波，取出20赫兹至10K赫兹的信号，首先进行快速FFT变换求出音频信号的幅频谱，在根据幅频谱运算出其自功率谱。利用自功率谱求解各频率分量的功率。并测量两正弦信号的失真度。图7、图8是处理后的部分功率谱。图7图8参考文献1 广州周立功单片机发展有限公司。P89LPC938 FLASH单片机使用指