基于ARM单片机PLC的音频分析仪设计

随着微电子和信息技术的快速发展，以单片机为代表的数字技术发展日新月异。单片机由于具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，而广泛应用于各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理。事实上，通过采用单片机来进行控制，可以实现仪器仪表的数字化、智能化和微型化。本文通过对比选择采用了LPC2148芯片解决方案来实现音频分析仪的设计。
   1 系统分析与选择
   1．1 信号处理原理分析
       在对音频信号进行分析的过程中，本文采用了快速傅立叶变换FFT算法，即首先对音频信号进行离散化处理，然后进行FFT运算，求出信号各个离散频率点的功率数值，并得到离散化的功率谱，最后在频域计算被测音频信号的总功率。
   1．2 系统的选择
       在处理器的选择上，通常可以选择8位、16位或者是32位的MCU。但是，由于在处理信号的过程中，通常会用到快速傅立叶变换FFF算法，所以需要进行大量的浮点运算，而且一个浮点要占用四个字节，故在处理过程要占用大量的内存，同时浮点运算时间也很慢，所以采用普通的8位MCU和16位MCU一般难以在一定的时间内完成运算。综合考虑系统内存的大小以及运算速度，本系统选用Philips公司的32位单片机LPC2148。该芯片具有32 KB的RAM，而时钟频率高达60 MHz，所以，对于浮点运算，不论是在速度上，还是在内存上都能够很快的处理。在信号采样方式上，由于本系统所选用的32位MCU芯片LPC2148是60 MHz的单指令周期处理器，定时精度为16．7 ns，可以实现40．96 kHz的采样率，而且控制方便，成本便宜，所以，本设计由MCU进行直接采样，而不采用DDS芯片配合FIFO对信号进行采集。
   2 系统设计
   2．1 总体设计
       在系统总体设计中，音频信号的采样过程非常关键。当音频信号经过一个由运放和电阻组成的匹配网络进行采样时，首先要由量程控制模块对信号进行处理，如果信号电压在100 mV～5 V的范围内选择直通，也就是不对信号进行衰减或者放大控制，则可减少误差。但是，当信号强度太小时，12位的A／D转换器在2．5 V参考电压下的最小分辨率为1 mV左右，这时如果选择直通，其离散化处理的误差将会非常大。因此，当采集到信号后，若发现其强度太小，如在20～250 mV之间，这时就应该将其认定为弱信号，故应对其经过增益放大器放大之后再进行A／D采样。
       经过12位A／D转换器ADS7819转换后的数字信号可由32位LPC2148进行FFT变换和处理，以分析其频谱特性和各个频率点的功率值，然后将这些值送到Atmega16进行显示控制。信号由32位LPC2148分析后，可判断其周期性，可由Atme-gal6进行测量，然后在LCD显示屏上显示，其功能框图如图1所示。
   
   2．2 放大电路设计
       当信号输入后，首先要根据信号强弱进行放大处理，图2所示是其放大电路原理图。该放大电路通过R1和R2两个电阻和一个高精度仪表运放AD620实现跟随功能，并在进行阻抗匹配后。通过继电器控制来决定是将信号直接送给AD转换还是放大后再进行AD转换。
   
       由于需要对音频信号的频率及其功率进行检测，并且要测量正弦信号的失真度，因此要求在对小信号进行放大时，要尽可能少的引入信号的放大失真。正弦信号的理论计算失真度为0，对引入的信号失真非常灵敏，所以，本设计选择了低噪声、低失真的仪表放大器INA217，以将失真度控制在1 kHz频率之内。
   2．3 AD转换电路设计
       本系统采用12位AD转换器ADS7819来对信号进行转换，并将转换的数据送往32位控制器进行处理，其转换电路原理图如图3所示。
  
   
   3 软件设计
       由于系统主控芯片LPC2148的处理速度比较快，所以，软件设计采用C语言来进行编程比较简单快捷，其软件设计流程图如图4所示。
   
   4 结果分析
      笔者对本系统的音频信号进行了测量，并得到了如表1所列的数据。由于实验室能够模仿的音频信号只有正弦信号，所以，实验采用信号发生器来产生正弦信号，然后对其进行测量和误差分析，根据时域和频域的测量结果可以发现，其测量误差在5％的范围之内，且没有发现明显失真，基本可以满足实验的测量要求。
   
   5 结束语
       经过实验检验，本系统架构设计合理，功能电路较好，系统性能优良、稳定，系统设计基本可以满足音频分析的基本要求，且误差较小。但是，由于音频信号有多个频点，没有一定的规律性，因而导致测量过程中音频信号波动较大，这一点在应用过程中，还要对系统进行进一步的改进和完善。