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單片機和數(shù)字電位器，利用單片機豐富的片內(nèi)資源和I/O口，通過軟件對雙通道音量進行調(diào)節(jié)，對音頻信號峰值電平進行采集、計算和顯示，實現(xiàn)了雙通道音量程控調(diào)節(jié)和峰值電平動態(tài)顯示功能。經(jīng)實際驗證表明，模塊具有體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、操作使用方便等特點，具有較高的性價比和實用價值。
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)模擬揚聲單機中需要對收發(fā)通道音量進行調(diào)節(jié)和電平指示，傳統(tǒng)方法采用機械電位器和電平指示專用集成電路實現(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)合實現(xiàn)了雙通道音量程控調(diào)節(jié)和峰值電平的動態(tài)顯示，具有硬件電路簡單、顯示效果調(diào)整靈活和調(diào)試方便等優(yōu)點。
1 總體設(shè)計方案
1.1 總體設(shè)計框圖
總體設(shè)計框圖如圖1所示，以單片機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，實現(xiàn)雙通道音量調(diào)節(jié)；通過A/D轉(zhuǎn)換口對峰值檢波器輸出的峰值電平值進行采樣、計算、處理，并通過P0、P1口直接驅(qū)動LED發(fā)光條進行峰值電平動態(tài)顯示。
1.2 硬件設(shè)計
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采集到音頻信號的峰值電平，需要對輸入的音頻信號進行峰值檢波。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為運放IC1A的偏置電阻，使運放正輸入端偏置于2.5 V，保證運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)峰值保持時間，運放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)的單時鐘/機器周期(1 T)的單片機STC12C5A60S2，它是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，但速度快8～12倍[1]。最高工作頻率可達35 MHz，具有44個I/O口，每個I/O口驅(qū)動能力均可達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程序存儲器，2路PWM，8路10位高速A/D（250 kS/s），主要針對電機控制等強干擾應(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，為了簡化硬件，STC12C5A60S2單片機采用內(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2個8位LED柱形發(fā)光條進行顯示。
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個獨立的三端10 k?贅數(shù)字電位器，而且?guī)в蟹且资源鎯ζ鱁2PROM，能在設(shè)備掉電時自動存儲滑動端設(shè)定值，擦寫次數(shù)10萬次，保存期可達100年[2]。X9221A內(nèi)部每個數(shù)字電位器的滑動端抽頭數(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，滑動端非接觸，因此壽命長，不受震動影響，而且體積小，易于裝配和節(jié)省空間。
本方案中，單片機通過P1.0、P1.1口軟件模擬I2C總線與X9221A進行通信，控制和調(diào)節(jié)數(shù)字電位器實現(xiàn)雙通道音量64級程控調(diào)節(jié)功能。
1.2.5 按鍵及顯示單元
每個通道分別設(shè)有音量加減按鍵，共計4個。顯示單元采用2個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)置值及峰值電平動態(tài)顯示。
1.3 軟件設(shè)計
STC12C5A60S2單片機軟件在Keil集成開發(fā)環(huán)境下，采用匯編語言對其編程，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，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、音量設(shè)置狀態(tài)延時、峰值電平顯示周期定時、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，實現(xiàn)設(shè)置狀態(tài)延時保持，設(shè)定延時時間到后，自動轉(zhuǎn)入電平顯示狀態(tài)。在電平顯示狀態(tài)下，每次中斷都對雙通道峰值電壓進行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)計算、動態(tài)更新和顯示。
電路中某測試電壓與標(biāo)準(zhǔn)比較電壓0.775 V之比取常用對數(shù)的20倍稱為電壓電平[4]，單位為dBu，其數(shù)學(xué)表達式如下：
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顯示對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
2 實驗結(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。通過實驗驗證，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，顯示的電平變化幅度變小，視覺感受相對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)模擬揚聲單機研制需要，設(shè)計了一種基于STC12C5A60S2單片機的雙通道音量調(diào)節(jié)和電平指示模塊方案，并制作實物進行了調(diào)試和驗證。驗證結(jié)果表明，方案設(shè)計合理可行，研制的模塊實物體積小、成本低、操作簡單、易于實現(xiàn)，具有較高的性價比和使用價值。
參考文獻
[1] STC12C5A60S2中文手冊完全版[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)字信號音頻電平的算法研究[J].通信技術(shù)，2010，43(7)：150-153.