基于DSPIC30F6014A单片机的音频信号分析仪的设计

2019-12-02来源: elecfans关键字:DSP  IC30F6014  单片机  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。

 

  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。

      2.2 周期判定

 

  音频信号的频率分量不但多,而且不具周期性。测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FFT变换之前,直接调用周期判断函数。周期性判定子程序流程图如图5所示。

 

  2.3 FFT变换

 

  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 FFT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。

 

  MPLAB 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,只需调用Microchip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 FFT变换来说,其软件流程图如图6所示。

  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FFT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

 

  系统的主要性能指标为:输入阻抗50 Ω;输入信号电压范围(峰-峰值)100 mV~5 V;输入信号包含的频率成分范围为200 Hz~10 kHz;频率分辨力为100Hz(可正确测量被测信号中,频差不小于100 Hz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。

关键字:DSP  IC30F6014  单片机  音频信号分析仪 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/ic481643.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:安泰维修预防频谱分析仪损坏的方法介绍
下一篇:一文弄懂什么是协议分析仪

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

STM32 DSP库函数详解
[1] * pSrc[1] + ... + pSrc[blockSize-1] * pSrc[blockSize-1]) / blockSize));float32_t *pSrc;float32_t pResult;uint32_t blocksize;arm_rms_f32(pSrc,blocksize,&pResult);7.方差同上类似arm_var_f32(pSrc,blocksize,&pResult);四.SupportFunctions支持函数主要包括数据拷贝,赋值和类型转化。类型转化一般不需要在DSP中进行,故此处略去。1.数据拷贝pDst[n] = pSrc[n];    
发表于 2019-11-28
基于双DSP的电力系统谐波分析仪的设计
  本文介绍了一种基于双TMS320F 28335的电力系统谐波分析仪的设计方案,该分析仪可同时实现多通道信号(电压和电流)的同步采样,并对其进行谐波分析。借助强大的双TMS320F28335平台,实现了对信号的实时分析与显示,具有实时性好,运算速度快,精度高,灵活性好,系统扩展能力强等优点。  系统介绍  1 系统方案  由于本系统实时性要求较高且工作过程中有大量的数据传输和人机对话事件发生,而单个DSP资源有限,如果采用单个DSP处理数据,系统将不能及时处理采样数据并且可能会造成部分数据丢失从而影响系统整体性能。为弥补这一缺点,本设计提出了采用DSP+ DRAM+DSP的双处理器协同工作模式,一片DSP全权负责采集、捕获工作
发表于 2019-11-22
基于双DSP的电力系统谐波分析仪的设计
ARM7与ARM9的区别以及ARM,FPGA,DSP的特点和区别是什么?
哪家公司有名气,售后就好,很多大公司一般不理个人买家的问题的,我感觉多半是运气,运气好了也许能碰到一家售后好的。下面谈谈第二个话题:ARM,FPGA,DSP的特点和区别是什么?1.关于DSPDSP(digital singnal processor)是一种独特的微处理器,有自己的完整指令系统,是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数 字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等等,在其外围还可以连接若干存储器,并可以与一定数量的外 部设备互相通信,有软、硬件的全面功能,本身就是一个微型计算机。     DSP采用的是哈佛设计,即数据总线和地址总线分开
发表于 2019-11-13
智能门铃设计二三事:视频、音频及电源技术
才可以。容易产生噪音的环境现代视频门铃所需的全双工通信增加了其他复杂性,要求设计必须处理因用户将扬声器/麦克风增益调节得过高而导致的不稳定反馈。例如,接收音频的人需要在扬声器上获得相对较大的增益才能充分辨别远端正在说什么,但是麦克风的近距离很容易检测到声音并经常将其放大,从而导致不良回声(图2)。过去,半双工通信通过显着降低扬声器接收信号时麦克风的增益来减轻这种回声。图2双向音频通信在回响的语音和回声方面要认真考虑主动调整麦克风和扬声器增益的系统可能会在环境噪声水平相对较低的环境中为全双工通信纠正此问题。不幸的是,这在具有不可预测的环境噪声源(例如经过的公共汽车或其他交通)的环境中效果不佳。有几种可以解决此问题的数字信号处理(DSP
发表于 2019-11-11
智能门铃设计二三事:视频、音频及电源技术
在示波器上使用DSP滤波技术的优缺点
简介  当前所有高速实时数字示波器都采用了各种形式的数字信号处理技术(DSP)。某些工程师担心使用软件对采集来的数据波形滤波可能会与实际的信号有出入。但是,示波器捕获的原始波形未必表示的是实际输入信号,示波器捕获的“原始”波形数据中包括了失真的结果,这是由示波器的前端硬件滤波器造成的。在理想情况下,实时示波器拥有无限快的采样速率、完美的平坦频响、线性相位响应、没有底噪声及带宽高。但在实际环境中,示波器具有硬件限制,这种限制产生了误差。DSP滤波技术最终可以在一定程度上校正硬件导致的误差,改善测量精度,增强显示质量。  当前性能较高的实时示波器中常用的DSP滤波技术有以下五种:  每种滤波器特点都可以在用有限脉冲响应(FIR
发表于 2019-11-11
在示波器上使用DSP滤波技术的优缺点
avr单片机功能特性介绍
RISC 优先选取使用频率最高的简单指令,避免复杂指令:并固定指令宽度,减少指令格式和寻址方式的种类,从而缩短指令周期,提高运行速度。由于 AVR 采用了 RISC 的这种结构,使AVR系列单片机都具备了1MIPS/MHz(百万条指令每秒/兆赫兹)的高速处理能力。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因,所以采取稳妥方案:即采用较高的分频系数对时钟分频,使得指令周期长,执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施,但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。AVR单片机的推出,彻底打破这种旧设计格局,废除
发表于 2019-12-14
avr单片机功能特性介绍
小广播
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved