基于Microchip的音頻信號分析儀的設計

　　1 硬件設計

　　“智能家居”(SmartHome)也稱智能住宅。家居網(wǎng)絡智能控制系統(tǒng)就是利用先進的計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和嵌入式技術(shù)，將家中的各種設備通過家庭網(wǎng)絡連接成系統(tǒng)。整個智能家居系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。在該系統(tǒng)中，對于某些家用電器設備的監(jiān)測與控制需要進行音頻信號的分析。

　　本設計選用Microchip公司的DSPIC30F6014A單片機為核心處理器，該芯片是MCU技術(shù)與DSP技術(shù)的結(jié)合，既包含了16位MCU的控制功能，又融合了DSP的高速運算技術(shù)，實際上就是數(shù)字微處理器、可方便地實現(xiàn)音頻信號分析的各種功能。音頻系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括電源模塊、預制電路、A／D轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、LCD顯示模塊等幾個部分。各模塊以及接口的具體設計和實現(xiàn)功能如下：

　　(1)電源模塊：采用直流三端穩(wěn)壓電源設計，220 V交流電經(jīng)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的±5 V、±12 V電源電壓。

　　(2)預制電路：為保證輸入頻寬在音頻范圍，前端直流偏置電路采用OP07放大器，第一級的加法器將輸入信號與2．5 V電壓值相加，第二級的反相器將信號轉(zhuǎn)移到A／D轉(zhuǎn)換能處理的0～5 V范圍。因輸入端50 Ω電阻的接地，故系統(tǒng)輸入阻抗近似為50 Ω。

　　(3)A／D轉(zhuǎn)換模塊：因為音頻信號的輸入只有一路，所以在12位可配置的A／D模塊的16個模擬輸入引腳中只用到AN6，初始化時，將該引腳配置為模擬輸入引腳，同時，因為處理后的音頻信號電壓為0～5 V，將A／D模塊的參考電壓設置為0 V，5 V。轉(zhuǎn)換輸出速率高達200 KSPS。

　　(4)DSP模塊：該數(shù)字微處理器是改良的哈佛結(jié)構(gòu)設計，可實時分析，具有很高的分辨率。通過Microchip公司的MPLAB C30 C編譯器調(diào)用DSP模塊，該編譯器中提供49個DSP處理函數(shù)，可以完成全部的數(shù)字信號處理。

　　(5)LCD顯示模塊：用于直觀顯示頻譜波形。

　　(6)ICD2調(diào)試接口：選用Microchip公司的ICD2在線調(diào)試器，為此預留了ICD2調(diào)試接口。

　　(7)RC振蕩器：此單片機可工作在外部時鐘輸入、外部RC輸入、內(nèi)部快速RC振蕩器、內(nèi)部低功耗(RC)振蕩器四種模式，以及在低功耗時使用的后分頻器。本設計采用內(nèi)部快速RC振蕩器，它能提供7．37 MHz的時鐘，由于要實現(xiàn)對音頻信號實時處理，所以沒有用到后分頻器。

　　2 軟件設計

　　音頻系統(tǒng)主循環(huán)如圖3所示。

　　(1)經(jīng)過采樣、A／D轉(zhuǎn)換完成后，清除A／D使能標志，得到離散化的數(shù)字信號。

　　(2)調(diào)用周期判定函數(shù)，實現(xiàn)對信號周期性的分析。

　　(3)調(diào)用FFT變換函數(shù)，對離散信號的快速傅里葉變換，實現(xiàn)時域到頻域的變換。

　　(4)顯示輸入信號的頻譜。

　　(5)計算信號的功率譜及計算最大功率。

　　(6)顯示信號的功率譜及最大功率。

　　2．1 A／D采樣

　　理論分析：因12位的A／D模塊，故量化單位為1／212，因頻率分辨率△f=100 Hz、FFT的子樣本點數(shù)N=512，故采樣頻率fs=51 200 Hz(fs≤N△f)、采樣周期Ts=1／51 200 s(采樣周期一采樣時間+轉(zhuǎn)換時間)。因振蕩頻率為7．37 MHz，故指令周期TCY=(1／7．37)×4=O．5μs。

　　實際控制：轉(zhuǎn)換時間為14個TAD(為正確A／D轉(zhuǎn)換，TAD=333．33 ns)。所以，配置A／D自動采樣時間為6個TAD，A／D轉(zhuǎn)換時鐘為16TCY，則A／D轉(zhuǎn)換總時間為0．092 ms，采樣頻率為10．87 kHz。