基于C8051F060單片機(jī)語音信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院 張夢(mèng)璐 曹志民 韓 建

0 引言

C8051F060單片機(jī)采用Silicon Lab的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。指令集兼容8051，與標(biāo)準(zhǔn)8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度卻有很大的提高[1]。內(nèi)部晶振25MHz，指令吞吐量可選25MIPS，片內(nèi)集成了兩個(gè)16位ADC，采樣速率可達(dá)到1Msps，含有DMA控制器接口，可自行存儲(chǔ)從內(nèi)部A／D傳出的數(shù)據(jù)，不占用系統(tǒng)內(nèi)部資源，且不用程序控制，大大地提高了運(yùn)行的效率，因此非常適用于語音信號(hào)的分析。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括以C8051F060單片機(jī)為核心的主控制電路，射極跟隨電路，程控增益放大電路，低通濾波電路，提升電路，SED1355圖形液晶顯示控制器控制的液晶顯示電路，外擴(kuò)RAM及鍵盤輸入等。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用NE5532構(gòu)成前級(jí)射隨電路，采用AD7520構(gòu)成中級(jí)程控增益放大電路，末級(jí)低通濾波電路。前級(jí)射隨，中間程控放大，末級(jí)低通濾波電路構(gòu)成單片機(jī)的外圍電路。AD7520經(jīng)由單片機(jī)控制，利用單片機(jī)內(nèi)部A/D采樣，通過控制放大器內(nèi)部可控電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)較寬的輸入電壓范圍。利用128K-8bit高速靜態(tài)外擴(kuò)RAM 71V124，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的處理。采用鍵盤顯示芯片7279實(shí)現(xiàn)鍵盤的管理及控制。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 主要單元電路設(shè)計(jì)

2.1 程控增益放大電路

本文應(yīng)用AD7520作為程控增益放大器，通過其內(nèi)部可控電阻網(wǎng)絡(luò)，通過單片機(jī)內(nèi)部A.D采樣進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)可控增益調(diào)節(jié)，達(dá)到輸入信號(hào)電壓范圍：20mV～5V。

根據(jù)運(yùn)算放大器虛地原理，可以得到：

式中，R為外加反饋電阻。

所以增益放大倍數(shù)：

2.2 低通濾波電路

對(duì)于輸入的信號(hào)，會(huì)含有很豐富的高次頻譜分量，必須將它們?yōu)V除，才能得到頻譜純凈的低頻音頻信號(hào)[2]，因此要求低通濾波器，這里采用了NE5532設(shè)計(jì)濾波電路。

2.3 提升電路

由于AD采樣不能為負(fù)，故采用加法電路將信號(hào)電平抬高，VREF1為單片機(jī)內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)。電路如圖2所示。

圖2 提升電路

3 軟件部分

本系統(tǒng)的軟件部分利用FFT傅里葉變換[3]對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行分析和處理。軟件設(shè)計(jì)的流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

本文所用的計(jì)算公式分別為：

(a)總功率為采集所有電壓值的平方求和除以序列點(diǎn)數(shù)

式中，N為采集點(diǎn)數(shù)。

(b)經(jīng)FFT后，幅度譜

(c)幅度譜對(duì)應(yīng)頻率

(d)各頻率點(diǎn)功率

(e)總功率

(f)失真度

表1 測(cè)試結(jié)果

4 測(cè)試結(jié)果

本文確定的采樣頻率為20480Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1024，頻率分辨力為20Hz，系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果如表1所示。

Pt為時(shí)域計(jì)算功率，Pf為頻域計(jì)算功率，Vpp為信號(hào)峰值電壓，f1為基波頻率，P1為基波功率，f2，f3分別為二次和三次諧波，P2，P3分別為二次和三次諧波功率?？偣β蕼y(cè)量的相對(duì)誤差的絕對(duì)值小于1%。

從表1可以看出，本系統(tǒng)對(duì)低頻信號(hào)的各項(xiàng)指標(biāo)均能很精確的測(cè)量，頻率步進(jìn)為20Hz，對(duì)功率測(cè)量的精確度達(dá)到0.5%以上。

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的語音信號(hào)分析儀經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足實(shí)際應(yīng)用需要，具有分辨率高，測(cè)試準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，誤差比較小，完全滿足語音信號(hào)的實(shí)時(shí)分析與顯示要求，有著廣闊的應(yīng)用前景。