《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 雙通道音量調(diào)節(jié)及電平指示模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
雙通道音量調(diào)節(jié)及電平指示模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第8期
羅純哲,李探元
(91245部隊(duì),遼寧 葫蘆島125001)
摘要: 提出了一種雙通道音量調(diào)節(jié)和峰值電平指示模塊方案。模塊基于STC12C5A60S2單片機(jī)和數(shù)字電位器,利用單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源和I/O口,通過軟件對(duì)雙通道音量進(jìn)行調(diào)節(jié),對(duì)音頻信號(hào)峰值電平進(jìn)行采集、計(jì)算和顯示,實(shí)現(xiàn)了雙通道音量程控調(diào)節(jié)和峰值電平動(dòng)態(tài)顯示功能。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證表明,模塊具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作使用方便等特點(diǎn),具有較高的性價(jià)比和實(shí)用價(jià)值。
Abstract:
Key words :

摘  要: 提出了一種雙通道音量調(diào)節(jié)和峰值電平指示模塊方案。模塊基于STC12C5A60S2單片機(jī)和數(shù)字電位器,利用單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源和I/O口,通過軟件對(duì)雙通道音量進(jìn)行調(diào)節(jié),對(duì)音頻信號(hào)峰值電平進(jìn)行采集、計(jì)算和顯示,實(shí)現(xiàn)了雙通道音量程控調(diào)節(jié)和峰值電平動(dòng)態(tài)顯示功能。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證表明,模塊具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作使用方便等特點(diǎn),具有較高的性價(jià)比和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 峰值檢波;音量調(diào)節(jié);電平指示

    在有線語音指揮調(diào)度系統(tǒng)模擬揚(yáng)聲單機(jī)中需要對(duì)收發(fā)通道音量進(jìn)行調(diào)節(jié)和電平指示,傳統(tǒng)方法采用機(jī)械電位器和電平指示專用集成電路實(shí)現(xiàn),存在硬件組成復(fù)雜、占用安裝空間大、抗干擾能力和可靠性差等不足。本方案以宏晶公司生產(chǎn)的新型1T高速單片機(jī)STC12C5A60S2為核心,利用片內(nèi)豐富的A/D資源和I/O口,通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了雙通道音量程控調(diào)節(jié)和峰值電平的動(dòng)態(tài)顯示,具有硬件電路簡(jiǎn)單、顯示效果調(diào)整靈活和調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。
1 總體設(shè)計(jì)方案
1.1 總體設(shè)計(jì)框圖

    總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,以單片機(jī)STC12C5A60S2為控制核心,接受音量調(diào)節(jié)按鍵指令,顯示音量設(shè)置值,通過軟件模擬I2C總線控制音量調(diào)節(jié)數(shù)字電位計(jì),實(shí)現(xiàn)雙通道音量調(diào)節(jié);通過A/D轉(zhuǎn)換口對(duì)峰值檢波器輸出的峰值電平值進(jìn)行采樣、計(jì)算、處理,并通過P0、P1口直接驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光條進(jìn)行峰值電平動(dòng)態(tài)顯示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)
    模塊硬件組成主要包括電源、峰值檢波器、微控制器、數(shù)字電位器、按鍵及顯示單元等。
1.2.1 電源
    外部輸入的9~12 V直流電源,通過高性能、低功耗AS1117線性穩(wěn)壓電源模塊轉(zhuǎn)換為+5 V直流電源,并增加輸入輸出高頻濾波電路,使輸出紋波電壓進(jìn)一步減小,電壓輸出幅度穩(wěn)定,滿足模塊供電要求。

 


1.2.2 峰值檢波器
    為了能夠?qū)崟r(shí)采集到音頻信號(hào)的峰值電平,需要對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行峰值檢波。圖2為峰值檢波單元電路原理圖。電路采用一片NE5532低噪聲雙運(yùn)放輔以二極管、電阻、電容等元件構(gòu)成正峰值檢波器,圖中R1、R2為運(yùn)放IC1A的偏置電阻,使運(yùn)放正輸入端偏置于2.5 V,保證運(yùn)放在單電源下正常工作,C4為峰值保持電容,R3為放電電阻, 改變R3可以調(diào)節(jié)峰值保持時(shí)間,運(yùn)放IC1B為輸出緩沖器,緩沖器輸出電壓減去2.5 V偏置電壓即可得到輸入音頻信號(hào)的峰值電壓。

1.2.3 微控制器
    微控制器采用宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1 T)的單片機(jī)STC12C5A60S2,它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī),但速度快8~12倍[1]。最高工作頻率可達(dá)35 MHz,具有44個(gè)I/O口,每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)20 mA,內(nèi)部還集成有MAX810專用復(fù)位電路,512 B的E2PROM,
1 280 B的RAM,60 KB程序存儲(chǔ)器,2路PWM,8路10位高速A/D(250 kS/s),主要針對(duì)電機(jī)控制等強(qiáng)干擾應(yīng)用。另外還具有ISP(在系統(tǒng)可編程)/IPA(在應(yīng)用可編程)功能,無需專用編程器和仿真器,可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序,方便軟件下載和調(diào)試。
    本方案中,為了簡(jiǎn)化硬件,STC12C5A60S2單片機(jī)采用內(nèi)部R/C振蕩器,2路音頻峰值電壓通過P1.0、P1.1口輸入進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和采樣; 用P1.2、P1.3軟件模擬I2C總線,通過I2C總線控制數(shù)字電位器X9241調(diào)節(jié)通道音量;音量調(diào)節(jié)加減按鍵通過P1.4~P1.7輸入;設(shè)置音量和峰值電平通過P0、P2口直接驅(qū)動(dòng)2個(gè)8位LED柱形發(fā)光條進(jìn)行顯示。
1.2.4 數(shù)字電位器
    音量調(diào)節(jié)單元采用Intersil公司生產(chǎn)的X9221A數(shù)字電位器,X9221A采用CMOS工藝,內(nèi)部設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的三端10 k?贅數(shù)字電位器,而且?guī)в蟹且资源鎯?chǔ)器E2PROM,能在設(shè)備掉電時(shí)自動(dòng)存儲(chǔ)滑動(dòng)端設(shè)定值,擦寫次數(shù)10萬次,保存期可達(dá)100年[2]。X9221A內(nèi)部每個(gè)數(shù)字電位器的滑動(dòng)端抽頭數(shù)為64,總電阻值為10 kΩ,每次調(diào)節(jié)的電阻值為10 kΩ/64,范圍為0~10 kΩ,電阻呈線性變化。與傳統(tǒng)機(jī)械電位器相比,數(shù)字電位器具有程控調(diào)節(jié)的功能,滑動(dòng)端非接觸,因此壽命長(zhǎng),不受震動(dòng)影響,而且體積小,易于裝配和節(jié)省空間。
    本方案中,單片機(jī)通過P1.0、P1.1口軟件模擬I2C總線與X9221A進(jìn)行通信,控制和調(diào)節(jié)數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)雙通道音量64級(jí)程控調(diào)節(jié)功能。
1.2.5 按鍵及顯示單元
      每個(gè)通道分別設(shè)有音量加減按鍵,共計(jì)4個(gè)。顯示單元采用2個(gè)10位LED柱形發(fā)光條,最低位用于電源狀態(tài)指示,最高位用作音量設(shè)置狀態(tài)指示,中間8位用于音量設(shè)置值及峰值電平動(dòng)態(tài)顯示。
1.3 軟件設(shè)計(jì)
    STC12C5A60S2單片機(jī)軟件在Keil集成開發(fā)環(huán)境下,采用匯編語言對(duì)其編程,目標(biāo)代碼利用STC提供的ISP下載工具STC-ISP.EXE通過串口下載到單片機(jī),下載和調(diào)試非常方便。
1.3.1 主程序模塊
    主程序模塊通過查詢方式完成雙通道音量設(shè)置和峰值電平的計(jì)算和顯示,流程圖如圖3所示。

1.3.2 T0中斷服務(wù)程序模塊
    主要完成音頻峰值采樣定時(shí)、音量設(shè)置狀態(tài)延時(shí)、峰值電平顯示周期定時(shí)、雙通道峰值電壓的A/D轉(zhuǎn)換、最大值比較和提取工作,程序流程圖如圖4所示。在音量設(shè)置狀態(tài)下,實(shí)現(xiàn)設(shè)置狀態(tài)延時(shí)保持,設(shè)定延時(shí)時(shí)間到后,自動(dòng)轉(zhuǎn)入電平顯示狀態(tài)。在電平顯示狀態(tài)下,每次中斷都對(duì)雙通道峰值電壓進(jìn)行A/D采樣,比較前后兩次采樣值提取最大值,得到顯示周期內(nèi)音頻峰值最大值并保存,用于音頻峰值電平的計(jì)算和顯示。通過修改中斷次數(shù)比較初值,可以方便地調(diào)節(jié)音量設(shè)置狀態(tài)保持時(shí)間,也可以方便地調(diào)節(jié)峰值電平顯示周期,以找到符合人的心理學(xué)中視覺聽覺聯(lián)合感受[3]的顯示周期。

1.3.3 峰值電平計(jì)算及顯示模塊
    主要完成峰值電壓—峰值電壓電平轉(zhuǎn)換及顯示數(shù)據(jù)計(jì)算、動(dòng)態(tài)更新和顯示。
    電路中某測(cè)試電壓與標(biāo)準(zhǔn)比較電壓0.775 V之比取常用對(duì)數(shù)的20倍稱為電壓電平[4],單位為dBu,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
    Lu=20lg(U/0.775)
其中,Lu為電壓電平,單位為dBu;U為峰值電壓,單位為V。
    峰值電壓-峰值電壓電平轉(zhuǎn)換及LED顯示對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    為了調(diào)試方便,通過電腦媒體播放器連續(xù)播放語音和音樂,電腦輸出音頻信號(hào)輸入到模塊音頻輸入端,模塊音頻輸出端接電腦有源音箱的輸入,通過模塊音量調(diào)節(jié)按鍵調(diào)節(jié)雙通道輸出音量,根據(jù)音箱發(fā)出聲音大小判斷音量調(diào)節(jié)是否正確。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,模塊雙通道音量調(diào)節(jié)功能正確可靠。通過改變電平顯示周期觀察電平動(dòng)態(tài)顯示效果,調(diào)試發(fā)現(xiàn):顯示周期越短,顯示的電平變化幅度大而且快速,視覺感受相對(duì)于聽覺感受滯后小,但因顯示變化速度太快,視覺上有閃爍感;隨著顯示周期的延長(zhǎng),顯示的電平變化幅度變小,視覺感受相對(duì)于聽覺感受滯后變大,視覺聽覺同步感變差,但視覺感受變好,沒有明顯的閃爍感。通過調(diào)試驗(yàn)證,電平顯示周期在20 ms~80 ms范圍內(nèi)選取,可得到較好的顯示效果。
    本文根據(jù)某有線指揮調(diào)度系統(tǒng)模擬揚(yáng)聲單機(jī)研制需要,設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的雙通道音量調(diào)節(jié)和電平指示模塊方案,并制作實(shí)物進(jìn)行了調(diào)試和驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,方案設(shè)計(jì)合理可行,研制的模塊實(shí)物體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),具有較高的性價(jià)比和使用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] STC12C5A60S2中文手冊(cè)完全版[OL].[2011-01-15].http://www.stcmcu.com.
[2] Intersil.X9221 a double digital controlled potentionmeters data sheet[S].2007.
[3] 唐偉.解讀VU電平表[J].音響技術(shù),2008(7):62-64.
[4] 丁光亮,楚紀(jì)正,王琦.數(shù)字信號(hào)音頻電平的算法研究[J].通信技術(shù),2010,43(7):150-153.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。