基于PIC單片機(jī)的音頻信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)

　　引 言

　　目前，大多數(shù)音頻信號(hào)處理儀不但體積大而且價(jià)格貴，在一些特殊方面難以普及使用，而嵌入式系統(tǒng)分析儀具有小巧可靠的特點(diǎn)，所以開(kāi)發(fā)基于特殊功能單片機(jī)的音頻分析儀器是語(yǔ)音識(shí)別的基礎(chǔ)，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。信號(hào)分析原理是將信號(hào)從時(shí)間域轉(zhuǎn)換成頻率域，使原始信號(hào)中不明顯特性變得明顯，便于分析處理。對(duì)于音頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，其主要特征參數(shù)為幅度譜、功率譜。該音頻信號(hào)分析儀的工作過(guò)程為：對(duì)音頻信號(hào)限幅放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換(FFT，時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換)、特征值提??；從到音頻信號(hào)的幅度譜，進(jìn)而得到音頻信號(hào)的功率譜。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　“智能家居”(SmartHome)也稱(chēng)智能住宅。家居網(wǎng)絡(luò)智能控制系統(tǒng)就是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和嵌入式技術(shù)，將家中的各種設(shè)備通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接成系統(tǒng)。整個(gè)智能家居系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。在該系統(tǒng)中，對(duì)于某些家用電器設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制需要進(jìn)行音頻信號(hào)的分析。

　　本設(shè)計(jì)選用Microchip公司的DSPIC30F6014A單片機(jī)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(yùn)算技術(shù)，實(shí)際上就是數(shù)字微處理器、可方便地實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)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(yù)制電路、A／D轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、LCD顯示模塊等幾個(gè)部分。各模塊以及接口的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)功能如下：

　　(1)電源模塊：采用直流三端穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，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(yù)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(jí)的加法器將輸入信號(hào)與2．5 V電壓值相加，第二級(jí)的反相器將信號(hào)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?yàn)橐纛l信號(hào)的輸入只有一路，所以在12位可配置的A／D模塊的16個(gè)模擬輸入引腳中只用到AN6，初始化時(shí)，將該引腳配置為模擬輸入引腳，同時(shí)，因?yàn)樘幚砗蟮囊纛l信號(hào)電壓為0～5 V，將A／D模塊的參考電壓設(shè)置為0 V，5 V。轉(zhuǎn)換輸出速率高達(dá)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(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)分析，具有很高的分辨率。通過(guò)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(gè)DSP處理函數(shù)，可以完成全部的數(shù)字信號(hào)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(xiàn)調(diào)試器，為此預(yù)留了ICD2調(diào)試接口。

　　(7)RC振蕩器：此單片機(jī)可工作在外部時(shí)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(shí)使用的后分頻器。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部快速RC振蕩器，它能提供7．37 MHz的時(shí)鐘，由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)實(shí)時(shí)處理，所以沒(méi)有用到后分頻器。