基于Microchip的音频信号分析仪的设计

　　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。

　　2 软件设计

　　音频系统主循环如图3所示。

　　(1)经过采样、A／D转换完成后，清除A／D使能标志，得到离散化的数字信号。

　　(2)调用周期判定函数，实现对信号周期性的分析。

　　(3)调用FFT变换函数，对离散信号的快速傅里叶变换，实现时域到频域的变换。

　　(4)显示输入信号的频谱。

　　(5)计算信号的功率谱及计算最大功率。

　　(6)显示信号的功率谱及最大功率。

　　2．1 A／D采样

　　理论分析：因12位的A／D模块，故量化单位为1／212，因频率分辨率△f=100 Hz、FFT的子样本点数N=512，故采样频率fs=51 200 Hz(fs≤N△f)、采样周期Ts=1／51 200 s(采样周期一采样时间+转换时间)。因振荡频率为7．37 MHz，故指令周期TCY=(1／7．37)×4=O．5μs。

　　实际控制：转换时间为14个TAD(为正确A／D转换，TAD=333．33 ns)。所以，配置A／D自动采样时间为6个TAD，A／D转换时钟为16TCY，则A／D转换总时间为0．092 ms，采样频率为10．87 kHz。