基于ARM的音頻頻譜顯示器的設(shè)計

段麗娜

（華中科技大學(xué) 武昌分校，湖北 武漢 430064）

本文設(shè)計了基于SONiX公司的ARM Cortex-M0 SN32F700的音頻頻譜顯示器，采用性價比較高的Cortex-M0 SN32F700實(shí)現(xiàn)對音頻頻譜的分析處理，取代了傳統(tǒng)使用純硬件濾波器或?qū)Ｓ脭?shù)字處理芯片DSP來實(shí)現(xiàn)的方法，具有較高的實(shí)用價值。本文采用ARM作為控制核心[1-3]，充分發(fā)揮了其功耗超低、精度較高等優(yōu)勢，其他各部分電路設(shè)計也充分考慮了簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)等因素，為實(shí)際應(yīng)用提供了一定的參考價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)控制芯片選擇

本系統(tǒng)以SONiX公司的ARM Cortex-M0 SN32F700芯片為控制核心，SN32F700的主時鐘的速率為50 MHz，采用三級流水線結(jié)構(gòu)且片上資源豐富，能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和算法，甚至能簡化一些復(fù)雜的硬件電路。相比于普通的單片機(jī)，采用ARM作主控芯片的方案具有靈活性、可擴(kuò)展性、通用性的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以根據(jù)市場的需求組合，價格上也有一定的優(yōu)勢，本系統(tǒng)最終選擇ARM的芯片方案來構(gòu)建音視頻處理平臺。

1.2 音頻頻譜顯示方案

方案一 利用硬件濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器，并用DDS芯片配合FIFO對信號進(jìn)行采集，通過DDS集成芯片產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定度和精度相當(dāng)高的信號作為FIFO的時鐘，然后由FIFO對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行采集和存儲，最后送入MCU進(jìn)行處理。

方案二 直接由32位MCU的定時中斷進(jìn)行信號的采集，然后對信號進(jìn)行分析。因?yàn)?2位MCU是50 MHz的單指令周期處理器，所以其定時精確度為20.0 ns，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以實(shí)現(xiàn)本文期望的采樣率，而且控制方成本較低，因此選擇由MCU直接采樣。

方案一實(shí)現(xiàn)簡單，但硬件成本高，方案二軟件和硬件實(shí)現(xiàn)都較簡單。而這里針對ARM資源多、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，提出一種切實(shí)可行的快速傅里葉變換算法實(shí)現(xiàn)頻譜顯示。因此選取方案二作為音頻頻譜顯示計方案。

1.3 系統(tǒng)控制方案選擇

在整個音頻處理系統(tǒng)中，采用順序、循環(huán)掃描和定時輸出顯示的方式來對整個系統(tǒng)控制[4]。軟件系統(tǒng)中的各個子程序逐步實(shí)現(xiàn)，最后再將所需要的子程序合并，這樣就具有編寫代碼容易、易于移植、維護(hù)及開發(fā)周期短等特點(diǎn)。最重要的是實(shí)現(xiàn)了程序中數(shù)據(jù)的快速處理輸出，使得將來的擴(kuò)展更加方便。因此選用的主控芯片是SN32F700。

本設(shè)計將整個硬件設(shè)計分為MCU、音頻采集電路、音頻預(yù)處理電路、音頻顯示電路及電源系統(tǒng)5大部分。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 硬件電路的設(shè)計

2.1 SN32F700微控制器

本設(shè)計采用了SONiX公司的Cortex-M0 SN32F700作為系統(tǒng)主控芯片。SN32F700是SONiX公司的首款A(yù)RM Cortex-M0芯片，其內(nèi)部集成了豐富的硬件資源，高達(dá) 50 MHz的系統(tǒng)時鐘速度和 12 bit、250 kHz采樣速率的ADC，使SN32F700成為本設(shè)計的首選。SN32F700存儲器配置為：中斷源ARM Cortex-M0內(nèi)置矢量中斷控制器（NVIC）；大量的 I/O口；兩個 16 bit和兩個 32 bit的通用定時器；總共有4個捕獲輸入和 13個PWMS；10個12 bit的ADC轉(zhuǎn)換通道及用于通信的I2C和串行通信等接口；32 KB的片上閃存存儲器；8 KB的靜態(tài)存儲器（SARM）和 4 KB的引導(dǎo)ROM。

2.2 音頻采集電路

在日常生活中有很多地方用到了對聲音信號的采集，如咪頭、麥克風(fēng)、對講機(jī)和傳聲器等。在本設(shè)計中所用到的采集器件是咪頭。咪頭是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器，是和喇叭正好相反的器件。

為使采集的信號不只局限于設(shè)備的音頻輸出信號，本文采用了咪頭作為音頻采集器件，并設(shè)計出其采集電路，如圖 2所示，其頻率范圍為 20 Hz～16 000 Hz。

圖2 音頻采集電路

在上述硬件電路設(shè)計中，主要著眼于音頻信號預(yù)處理電路的設(shè)計。在實(shí)際應(yīng)用中，音頻信號主要來源是咪頭、麥克風(fēng)輸入信號或者是播放器輸出信號，圖3所示是一段電腦播放音樂時聲卡輸出的音頻波形。

圖3 電腦聲卡播放的聲音信號

從圖3可以看到，電腦上的聲音信號的電壓有正、負(fù)兩種狀態(tài)，當(dāng)直接從電腦上取聲音信號時，需要對其進(jìn)行處理，使采集的電壓全為正。下面介紹如何對信號進(jìn)行處理，可以直接從電腦上取出聲音信號，也可以通過采集電路采集外界的聲音信號。

2.3 音頻預(yù)處理放大電路

由于在實(shí)際的音頻運(yùn)用中，音頻信號會出現(xiàn)電壓為負(fù)值的現(xiàn)象，而單片機(jī)只能識別0和1，對負(fù)電平不能處理，因此要對音頻信號進(jìn)行處理，使得音頻信號最后的輸入達(dá)到單片機(jī)的電壓變換范圍，即在AVREFH和AVREFL之間，以便于MCU進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。

由于是對聲音信號處理，因此選擇了對于音頻信號具有很低失真率的LM358運(yùn)算放大器。根據(jù)以上分析，設(shè)計出的音頻預(yù)處理電路如圖4所示。

圖4 音頻預(yù)處理電路

圖4中電阻R5、R6更具運(yùn)算放大器中虛短與虛斷的特性，即反相端2和同相端3兩個輸入口的電壓和電流相等，R5、R6組成的是一個運(yùn)算放大電路，（1+R5/R6）是其放大倍數(shù)。將輸入的負(fù)電壓信號變成正的電壓信號，其原理是串聯(lián)電阻分壓和RC組成的低通濾波器根據(jù)輸入電壓的高低對輸入信號進(jìn)行充放電，使輸入信號的電壓得到升高。

2.4 音頻顯示電路

本設(shè)計所選用的顯示屏LCM是JDL12864G-04。JDL12864G-04模塊是點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它主要由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器以及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成，可以完成圖形和 8×4個漢字（16×16點(diǎn)陣）。

LCM向用戶提供一個標(biāo)準(zhǔn)的LCD顯示驅(qū)動接口（有4位、8位和VGA等不同類型），用戶按照接口要求進(jìn)行操作來控制LCD正確顯示。相比玻璃LCM是一種更高集成度的LCD產(chǎn)品，對小尺寸LCD顯示，LCM可以比較方便地與各種微控制器 （比如單片機(jī)）連接。由于SN32F700的時鐘頻率是50 MHz，則每秒鐘對 LCM的可刷新次數(shù)為 50 M/（128×64×8）=762 次，完全滿足頻譜刷新的頻率。LCM12864顯示電路如圖5所示。

圖5 LCM12864顯示電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件平臺的調(diào)試與系統(tǒng)程序的調(diào)試。在每一個工程中，調(diào)試都是一個非常重要且十分復(fù)雜的環(huán)節(jié)。

3.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件程序設(shè)計中包含了初始化部分、音頻采集部分、FFT運(yùn)算部分、幅值計算部分及頻譜顯示部分。每個部分可以清晰地了解程序的流程，使得程序的結(jié)構(gòu)更加簡單，對于以后相應(yīng)的開發(fā)可以很好地進(jìn)行移植[5-6]。

3.2 系統(tǒng)的測試

系統(tǒng)的測試電路是將1 kHz的正弦波作為聲音信號輸入到電路中，圖6是聲音信號經(jīng)過聲音采集電路后的顯示。其中，信號1是輸出，信號2是輸入。可以明顯看出，信號1與信號2的波形是相反的，相位相差180°。

1 kHz的正弦波輸入經(jīng)過音頻采集電路和音頻預(yù)處理電路后的顯示如圖7所示。其中，信號線1為輸入，信號2為輸出，輸入與輸出方向相同，相位無差別。

本文介紹了基于ARM的音頻頻譜顯示器的設(shè)計方法，完成了音頻頻譜顯示器的設(shè)計和制作，并對其進(jìn)行了性能測試。測試結(jié)果表明，整個系統(tǒng)能夠順利采集音頻信號并進(jìn)行處理，最終在LCD上顯示所采集的頻譜圖，達(dá)到一個較好的性能，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

圖6 聲音采集1 kHz正弦波的顯示

[1]周林，殷俠.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[2]周立功，王祖麟，陳明計，等.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[3]田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[4]李明明，李宏，王晨波.基于FPGA與單片機(jī)的音頻頻譜分析系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013（1）：101-102.

[5]王春菊.數(shù)字式頻譜分析儀原理分析[J].標(biāo)準(zhǔn)、檢測與儀器，2001（12）：95-96.

[6]吳明暉.基于 ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004.