摘 要： 基于STM32F429單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計了一款可遠(yuǎn)距離精確控制頻率和幅度值的音頻信號發(fā)生器。該發(fā)生器通過PC控制面板，按照要求輸入所需頻率、幅度值，借助以太網(wǎng)把控制命令遠(yuǎn)距離地傳輸給該發(fā)生器，經(jīng)發(fā)生器的處理，把音頻模擬信號傳輸給被測設(shè)備。與傳統(tǒng)音頻信號發(fā)生器相比，該發(fā)生器可同時輸出兩路相同的音頻信號，不用粗調(diào)、細(xì)調(diào)，直接在PC控制面板上輸入所需幅度頻率即可，而且能遠(yuǎn)距離控制。
關(guān)鍵詞： STM32F429；數(shù)字信號合成；PC端控制面板
0 引言
為了對客觀世界的聲音信息進(jìn)行拾取、記錄、放大和傳輸，研制了聲音信號處理設(shè)備。聲音信號處理設(shè)備處理的對象是人耳聲頻域（20 Hz～20 kHz）內(nèi)的音頻信號，音頻信號發(fā)生器是測量聲音信號及處理設(shè)備性能指標(biāo)必不可少的儀器。早期音頻信號發(fā)生器由基本的LC振蕩電路及外圍電路組成，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但設(shè)備笨重、頻率精度不高。目前常用的音頻信號發(fā)生器普遍由單片機(jī)及外圍電路組成，頻率穩(wěn)定，但都通過粗調(diào)、細(xì)調(diào)改變幅度、頻率，操作麻煩，不能馬上改變變量到所需值的大小。
針對傳統(tǒng)音頻信號發(fā)生器的缺點，本文采用一款性價比高、功耗低的ARM Cortex-M4控制芯片[1]，制作了一臺智能音頻信號發(fā)生器。該發(fā)生器的頻率、幅度連續(xù)可調(diào)，按步進(jìn)1 Hz、1 mV線性變化，兼具頻率、幅度穩(wěn)定的優(yōu)點；通過PC端控制面板，直接輸入幅度、頻率值，就能快速地得到所需要的音頻信號，精度高[2]；一改信號發(fā)生器必須近距離調(diào)試的缺點，可通過以太網(wǎng)直接遠(yuǎn)距離操控。
1 總體設(shè)計
該音頻信號發(fā)生器采用模塊化設(shè)計，通過調(diào)用各個功能模塊，實現(xiàn)主控計算機(jī)可遠(yuǎn)距離快速控制音頻信號發(fā)生器輸出信號的幅度、頻率值。該系統(tǒng)以ARM Cortex-M4為核心，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
2 硬件設(shè)計
該音頻信號發(fā)生器通過主控計算機(jī)的控制面板輸入控制幅度、頻率值的指令，通過以太網(wǎng)快速遠(yuǎn)距離傳輸?shù)叫盘柊l(fā)生器，控制數(shù)字合成音頻信號的幅度、頻率值，最終通過音頻輸出端口輸出所需音頻信號。
2.1 控制芯片
控制系統(tǒng)的核心STM32F429是以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的新型微控制器芯片，它的停止模式電流降至100 μA（典型值），降低了停止模式的電流消耗，可延長便攜應(yīng)用電池的壽命，頻率高達(dá)180 MHz，擁有市場領(lǐng)先的性能和圖形處理功能。該芯片包含3個12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，多達(dá)24個通道，轉(zhuǎn)換速率為2.4 MSPS，在掃描模式下，自動轉(zhuǎn)換在選定的一組模擬輸入中進(jìn)行；還包括2個12 bit D/A轉(zhuǎn)換器，可獨立或同時轉(zhuǎn)換。同時集成了大部分存儲器控制器，可外接一個高速SDRAM作為內(nèi)存擴(kuò)充，有很高的性價比。
2.2 遠(yuǎn)距離控制電路
以太網(wǎng)遠(yuǎn)距離控制是整個控制系統(tǒng)中的一個重要部分。該發(fā)生器通過以太網(wǎng)與PC連接，操控PC控制面板，按照要求輸入所需的幅度、頻率值，通過以太網(wǎng)把控制命令遠(yuǎn)距離地傳輸給音頻信號發(fā)生器，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的[3]。
該以太網(wǎng)接口芯片DP83848CVV是一個全功能自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接速度10/100 Mb/s的單端口物理器件，允許設(shè)備使用所需操作電源的絕對最小值，提供低功耗性能。該芯片包括一個25 MHz的時鐘輸出，使應(yīng)用程序含有最少的外部器件，進(jìn)而降低成本；同時支持10BASE-T和100BASE-TX的以太網(wǎng)協(xié)議，以確保與其他基于以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)解決方案的兼容性和互操作性。
2.3 SDRAM
同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM與系統(tǒng)總線同步，無等待周期，而且是雙存儲體結(jié)構(gòu)，讀取效率得到成倍提高。SDRAM體積小、速度快、容量大、價格低，是比較理想的內(nèi)存擴(kuò)展器件[4-5]。
該系統(tǒng)采用的SDRAM為MT48LC32M16A2P-7E，它的內(nèi)存高達(dá)256 MB，在時鐘頻率66 MHz、100 MHz、133 MHz之間兼容，所有信號寄存在系統(tǒng)時鐘的上升沿，自動預(yù)載，時鐘使能CKE中的停用時鐘提供預(yù)充電掉電和自刷新操作，在斷電和自刷新模式下，包括CLK的輸入緩沖區(qū)被禁用，提供低待機(jī)功耗。對每一行自動刷新的循環(huán)周期為64 ms，刷新命令一次對一行有效，發(fā)送間隔為7.812 5 μs，從而提供無縫、高速、隨機(jī)訪問操作。A0～A11作為SDRAM的行地址線，同時A0～A7又復(fù)用為列地址線，BA0和BA1作為bank選擇線，應(yīng)用讀、寫或預(yù)充電命令。其控制接口如圖2所示。
信號采樣頻率為48 kHz，每個樣點采用16 bit量化，如果最小頻率分辨率為1 Hz，所需查表的大小為48 k×16 bit，共需48 k×16 bit的RAM空間。顯然SDRAM的存儲空間足夠使用，也便于以后該發(fā)生器對方波、三角波等波形的擴(kuò)展。
3 軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，除主程序外，各功能子程序分別執(zhí)行PC端輸入控制命令、以太網(wǎng)傳輸、SDRAM內(nèi)存擴(kuò)展、正弦查詢表映射、數(shù)模轉(zhuǎn)換等相應(yīng)功能，系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。
3.1 PC端控制
信號發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等規(guī)則波形信號，本信號發(fā)生器僅以正弦波為例。
音頻信號發(fā)生器的PC控制端采用Java技術(shù)，因為它可跨平臺操作，具有卓越的通用性、高效性，所以設(shè)計的PC控制端具有界面友好、操作簡單、成本低、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。所設(shè)計的PC控制界面如圖4所示，部分程序如下：
JPanel jp0，jp1；
JPanel jp2，jp3；
JLabel j0，j1，j2；
JTextField txt1，txt2；
JButton Bopen，Bclose；
public TianComm（）{
jp0=new JPanel（）；
jp1=new JPanel（）；
jp2=new JPanel（）；
jp3=new JPanel（）；
j1=new JLabel（"頻率（Hz）："）；
//輸入頻率值，單位為Hz
j2=new JLabel（"幅度（mV）："）；
//輸入幅度值，單位為mV
txt1=new JTextField（10）；
txt2=new JTextField（10）；
Bopen=new JButton（"打開"）；//打開控制面板
Bclose=new JButton（"關(guān)閉"）；//關(guān)閉控制面板
…}
對控制界面進(jìn)行操作時應(yīng)注意以下事項：
?。?）“打開”和“關(guān)閉”按鈕分別代表打開和關(guān)閉控制端；
?。?）頻率以Hz為單位，分辨率為1 Hz，假如頻率為2 000 Hz，就在頻率欄填寫2 000；幅度以mV為單位，分辨率為1 mV，假如需要1 V，則在幅度行輸入1 000，然后按回車鍵即可。
3.2 數(shù)字合成音頻信號
直接采用數(shù)字技術(shù)合成正弦音頻信號，不僅在轉(zhuǎn)換速度上要優(yōu)于一般電路，在合成精度上也要優(yōu)于一般振蕩電路，而且具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通?？砂词M(jìn)制數(shù)字選擇，最高能達(dá)11位數(shù)字的極高分辨力[6-7]。
信號發(fā)生部分由主機(jī)產(chǎn)生數(shù)字音頻流，通過STM32F429自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能獲得所需的模擬信號。在數(shù)字音頻處理中，聲音和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換有多種方式，本設(shè)計采用脈沖編碼調(diào)制（PCM），不進(jìn)行壓縮數(shù)據(jù)便可完成此功能，數(shù)據(jù)以常見的波形（WAVE）格式保存。關(guān)于頻率設(shè)置的部分程序如下：
int FreSwitch（uint16_t fre）
{
switch（fre）{
case 20：
FreIndex=0；
VS1003_SineTest（2，SIN_SAMPLE_RATE_25600，1）；
//20 Hz break；
case 21：
FreIndex=1；
VS1003_SineTest（2，SIN_SAMPLE_RATE_16000，2）；
//21 Hz
break；
case 22 ：
FreIndex=2；
VS1003_SineTest（2，SIN_SAMPLE_RATE_40320，1）；
// 22 Hz
break；
…}
4 實物調(diào)試
整個研究過程通過了模擬試驗及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，最終實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。
該信號發(fā)生器的截止頻率設(shè)定為20 kHz，大于20 kHz的信號都是干擾信號，通過較大幅度的衰減進(jìn)行濾除，從而保證較小的信號諧波失真。
接通電源后，通過計算機(jī)控制信號發(fā)生器的信號頻率、幅值等參數(shù)，通過以太網(wǎng)把控制命令字傳輸給發(fā)生器，發(fā)生器對控制字進(jìn)行周期性掃描，頻率、幅度控制字需要轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制，傳送到單片機(jī)STM32F429，接到命令后通過正弦查詢表映射成數(shù)字量信號，通過單片機(jī)本身的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能即可得到所需的音頻信號。由于輸出后的正弦信號會出現(xiàn)失真現(xiàn)象，需通過濾波器進(jìn)行濾波，從而得到正確的正弦信號。
通過示波器對設(shè)計的音頻信號發(fā)生器發(fā)出的音頻信號進(jìn)行采集，結(jié)果如表1所示。
設(shè)置頻率為10 kHz、幅值為1 Vpp，用一臺示波器來對比傳統(tǒng)音頻信號發(fā)生器與本文所設(shè)計的音頻信號發(fā)生器的波形曲線，如圖5所示。
通過測試，本設(shè)計實現(xiàn)的音頻信號發(fā)生器的基本功能達(dá)到了預(yù)期效果，其頻率響應(yīng)為±0.4 dB，失真度控制在0.5%，而傳統(tǒng)音頻信號發(fā)生器的失真度在20 Hz～100 Hz時≤0.8%，在100 Hz～20 kHz時≤0.5%。
5 結(jié)論
本文設(shè)計的音頻信號發(fā)生器具有操作簡單、信號穩(wěn)定、精度高、體積小、便于攜帶等特點，可應(yīng)用于電聲器件的聽音測試、揚(yáng)聲器的老化試驗等各種音頻電子測量和控制場合。通過PC控制端直接輸入所需音頻信號的幅度、頻率值，借助以太網(wǎng)遠(yuǎn)距離控制，而不必每次親臨現(xiàn)場，也不必每次通過粗調(diào)、細(xì)調(diào)即可達(dá)到要求。通過集線器可同時輸出多路相同音頻信號，對多臺相同儀器進(jìn)行測量。利用數(shù)字合成技術(shù)合成音頻信號，簡化電路，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度；也可合成方波、三角波等規(guī)則波形，只需在PC控制面板上添加信號類型選擇項即可實現(xiàn)硬件的單一化、軟件的多元化，節(jié)約成本。
參考文獻(xiàn)
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