基于单片机的音频信号分析仪的设计

引 言

　　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。