【《声级计系统硬件电路设计分析案例》3600字】

声级计系统硬件电路设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u32236声级计系统硬件电路设计分析案例 133551.1主控模块 1185811.1.1STM32F103芯片主要特性 1120981.1.3STM32最小系统设计 2295341.2A/C计权模块设计 3133961.2.1A/C计权网络简述 3103701.2.2A/C计权网络电路 3189371.3OLED显示模块简介 5168911.1.1OLED显示屏简介 53681.1.2显示屏部分与STM32的接口 6221651.4传声器模块设计 6160771.5前置放大电路的设计 7103981.6电源稳压模块设计 81.1主控模块和大脑之于身体的重要性一样，主控芯片在整个系统中起着统筹的作用，它是指挥和控制中心，需要检测按键、数据采集处理、维护系统运行等各种参数要求，同时要驱动液晶显示、外置内存芯片等外接设备，所以挑选合适的主控芯片是主控系统的首要任务。在这里我们选用了STM32芯片系列中的STM32F103C8T6作为本系统的主控芯片。STM32F103C8T6有48个引脚，工作频率为72MHz，内置64K字节Flash存储器和20K字节的SRAM存储器，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。1.1.1STM32F103芯片主要特性内核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-1.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。上电复位（POR）、掉电复位（PDR）和可编程的电压探测器（PVD）。内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-1.6V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。2通道12位D/A转换器。最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB2.0全速接口。SDIO接口。ECOPACK封装：STM32F103xx系列微控制器采用ECOPACK封装形式。除此之外，STM32F103芯片还有其他的系统作用：嵌入式Flash存储器和RAM存储器、可变静态存储器（FSMC）、嵌套矢量中断控制器（NVIC）、外部中断/事件控制器（EXTI）、Boot模式、电压调节、低功耗调节模式等。深入了解会发现，STM32F103系列的芯片，对于基本电子产品设计、新手学习嵌入式非常合适，可以说是“高贵雍华”，而不失“质朴无华”。1.1.3STM32最小系统设计图3-2STM32最小系统电路图图3-2为STM32最小系统电路图，STM32最小系统由STM32芯片、电源电路、时钟电路、复位电路、调试接口电路组成。时钟电路选用了8MHZ的晶振提供时钟，作用为给STM32芯片提供一个时间基准，执行一条基本指令需要的时间为一个机器周期。复位电路，启动该部分电路后，可以使系统进入刚上电的状态。STM32有三种复位方式：上电复位、手动复位、程序控制复位。本设计采用手动复位的方式，也是低电平复位的原理，按键按下时，RESET和地导通，从而产生一个低电平，实现系统复位。调试接口电路，是为了更方便地将代码烧录进芯片进行软件调试。常用的调试下载方式有JTAG和SWD，现在采用SWD调试接口，需求管脚少，直接将SWCLK、SWDIO、GND、1.3V引脚引出即可。1.2A/C计权模块设计1.2.1A/C计权网络简述什么是计权？为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性，在声级计内设有一种能够模拟人耳的听觉特性，把电信号修正为与听感近似值的网络，这种网络叫做计权网络[2]。在噪声测量中，计权网络一般有A、B、C三种，分别对应三种滤波电路。A计权声级是模拟人耳对40方纯音的响度，当信号通过时，其对高频段有较大的衰减；B计权声级是模拟人耳对70方纯音的响度，它对信号的高频段有一定衰减；C计权声级是模拟人耳对100方纯音的响度，在整个频率范围内有近乎平直的响应。三者的主要差别是对噪声高频成分的衰减程度，A衰减最多，B次之，C最少。根据所使用的计权网络不同，分别称为A声级、B声级和C声级，单位记作dB(A)、dB(B)和dB(C)。GB3785.1-2010/IEC61672-1：2002只规定了A、C和Z（不计权）频率计权相对应响应及允许误差。B和D计权已不再使用。因此本设计主要采用A和C计权，能得到更广泛的应用。1.2.2A/C计权网络电路A，C计权分别对应两种滤波曲线，滤波的原因是因为人的耳朵对不同频率的敏感度不同，人耳对高低频都不太敏感，所以这些滤波器就是为了模仿人的耳朵听到的声音强度，把高低两端作些衰减。A/C计权网络电路其实就是滤波电路。这里使用了LMC6482芯片，同时为A/C计权网络提供运放。图3-4A/C计权网络电路图LMC6482是一种双路CMOS运算放大器，能够提供可扩展到两种电源轨的共模范围。该器件不仅具备轨至轨性能，而且还可借助高CMRR提供出色的精度，从而在轨到轨输入放大器中独树一帜。该器件能保证低电压系统中的最大动态信号范围，是需要大输入信号范围的系统的理想选择。LMC6482特性：1．除非另有说明，否则为典型值2．保证轨到轨输入共模电压范围3．轨到轨输出摆幅稳定4．良好的3V、5V和15V性能5．出色的CMRR和PSRR：82dB6．超低输入电流：20fA7．高电压增益（RL=500kΩ）：130dB8．为2kΩ和600Ω负载指定9．电源正常输出10．采用VSSOP封装，体积小1.3OLED显示模块简介由于本设计中要求显示界面显示一些参数，如分贝数、A/C模式，因此这里选用了0.96寸OLED显示屏作为界面显示，可以把一些相关的参数进行显示。1.1.1OLED显示屏简介OLED，即有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode）。OLED属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光[3]。LCD都需要背光，而OLED不需要，因为它是自发光的。这样同样的显示OLED效果要来得好一些，这也是我选择的原因，让声级计使用者看得更舒服。以目前的技术，OLED的尺寸还难以实现大尺寸量产，主要都是手机尺寸大小量产，但是分辨率却能做到很高，比较受高端电子产品青睐。之前使用比较多的屏都是LCD的、需要背光、功耗较高，而OLED的自发光、功耗低、更加适合小系统，鉴于两者发光模式的不同、在相同的环境中OLED的显示效果更好。由于之前使用过，在此我们选择的是中景园电子的0.96寸OLED显示屏，模块供电可以是1.3V也可以是5V、不需要修改模块电路，使用方便。OLED显示屏模块实物图如图3-5所示。图3-5OLED显示屏模块实物图该款显示屏参数如表3-1表3-1显示屏参数接口类型IIC接口管脚定义GND、VCC、SCL、SDAGND电源地VCC电源负极（供电1.3-5V）SCLIIC时钟线SDAIIC数据线1.1.2显示屏部分与STM32的接口如图3-6所示，由于这款OLED接入只需要四个管脚，GND正常接入电源地，VCC接入+5V（本屏所用的驱动IC为SSD1306，其具有内部升压功能，所以在设计的时候不需要再专门设计升压电路，使用起来方便）；用STM32的PB口作为数据传输口，用PB6作为IIC_SCL（时钟线），用PB7作为IIC_SDA（数据线）。图3-6OLED与STM32的接口1.4传声器模块设计传声器，又名话筒，麦克风，咪头。本设计的传声器模块使用的是驻极体话筒6050，如图3-7中的MIC。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛应用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。传声器的作用就是将声信号转化为电信号。驻极体话筒6050就承担了这个任务，将外界的声音信号转化为可处理的电信号，经过简单的滤波后，将电信号送入电路进行后续处理。如图3-7传声器模块电路图图3-7传声器模块电路图1.5前置放大电路的设计LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。LM386在电路中的作用，相当于音量调节器，通过将电路中微弱的电信号调节放大，使其信号的功率达到设计要求。本系统此部分电路需要放大声音信号在电路中的电信号。这里选用LM386来组成前置信号放大电路，为了更方便对信号的放大、后期的调试，这里采取的是200倍的接法，在1和8管脚之间接一个10uF的电容和10K的可变电阻，倍数可调。如图3-8前置放大电路图图3-8前置放大电路图LM386的特性有以下几点：1．静态功耗低，约为4mA。2．工作电压范围宽，可以在4-12V或5-18V之间工作。3．电路设计简单，外围元件少。4．电压增益范围大，可在20-200倍之间调节。5．