0 引言

    電聲測試系統(tǒng)主要用于測試揚聲器、傳聲器等產品的電聲性能，是電聲產品研發(fā)和生產過程中不可缺少的設備。電聲測試系統(tǒng)一般需要借助于聲卡來實現(xiàn)音頻信號的模數(shù)和數(shù)模轉換^[1-2]。聲卡設計上更側重于音質效果，聲卡的音效處理功能在電聲測試中是用不到的，使電聲測試系統(tǒng)增加了不必要的成本；一般聲卡需借助于同步協(xié)議才能完成連續(xù)掃頻測試^[2]。開發(fā)電聲測試系統(tǒng)專用音頻接口，有利于提高電聲測試精度，簡化測試流程，并降低成本。本文設計的音頻接口上位機軟件使用C++程序設計語言設計，提供了接口函數(shù)，可供電測量系統(tǒng)軟件調用。高速USB2.0接口通信，能夠以較快的速度傳輸音頻數(shù)據(jù)^[3]。下位機以STM32F429作為主控芯片，該芯片有FMC接口，可擴展SDRAM用于存儲音頻數(shù)據(jù)^[4]；使用WM8978音頻編解碼器實現(xiàn)對音頻信號的數(shù)模和模數(shù)轉換，該芯片采用了Δ-Σ技術^[5]，能夠實現(xiàn)16位和24位采樣精度，最高支持192 kHz采樣率，滿足了電聲測試系統(tǒng)的需求^[4-7]。

1 音頻接口工作原理

    在電聲測試系統(tǒng)中，音頻接口的作用實現(xiàn)D/A和A/D轉換功能，為電聲測量儀器提供激勵信號，并將輸入的信號轉化為音頻數(shù)據(jù)，供計算機軟件分析，音頻接口錄音和播放功能流程如圖1所示。下位機能夠通過識別不同采樣率、不同采樣精度、不同聲道數(shù)的wav文件對音頻編解碼器進行配置，按上位機的要求執(zhí)行錄音或播放功能。

2 音頻接口硬件設計

    如圖2所示，音頻接口由4路2通道音頻接口組成，總共有8個輸入通道和8個輸出通道，因此能夠用于揚聲器功率試驗系統(tǒng)^[8-9]等需要多通道測試的電聲測試系統(tǒng)中，軟件通過4個2位DIP開關分配的設備ID號對4路2通道音頻接口進行區(qū)分，4路2通道音頻接口的USB接口匯總到一個USB HUB上，USB HUB通過1路USB接口與計算機相連，減少了對計算機USB接口數(shù)量的需求。

    圖3是使用1路2通道音頻接口的電聲測試系統(tǒng)，每個2通道音頻接口能夠實現(xiàn)單聲道或立體聲錄音和播放，錄音和播放功能既能單獨進行，又能同步進行。音頻接口的主控芯片為STM32F429，通過I²C串行總線對音頻編解碼器的功能進行設置；通過I²S內置音頻總線與音頻編解碼器WM8978進行音頻數(shù)據(jù)傳輸；通過ULPI接口外擴1片USB PHY芯片USB3300，實現(xiàn)高速模式的USB2.0通信；通過FMC靈活存儲控制器接口外擴1片內存大小為32 MB的SDRAM芯片W9825G6KH-6，存儲音頻數(shù)據(jù)。

3 音頻接口軟件設計

3.1 下位機軟件設計

    下位機軟件基于STM32標準庫設計，程序流程圖如圖4所示。實驗證明，硬件上電之后首先要延時一段時間才能對硬件進行初始化，否則會導致音頻編解碼器初始化失敗，這是因為WM8978芯片上電后需要一定的時間啟動，硬件啟動之后I²C才能寫入配置命令。

    硬件初始化配置如圖5所示。為了使錄音和播放能夠同步進行，主I²S為從I²S提供時鐘，使主控芯片能夠與音頻編解碼器進行同步全雙工通信，但是導致了錄音和播放的采樣率只能相同。為了不間斷地進行錄音或播放，主I²S和從I²S都配置為DMA雙緩沖模式^[6]，CPU對DMA的一個緩沖區(qū)進行讀寫時，不必停止錄音或播放，DMA可以使用另一個緩沖區(qū)。USB初始化為高速模式的USB2.0 CDC設備，USB接收音頻數(shù)據(jù)使用的是在SDRAM中申請的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。

    硬件初始化完成后，下位機會等待USB連接，期間LED燈不斷閃爍。USB連接之后LED燈常亮，當下位機接收到上位機的命令之后會根據(jù)命令值執(zhí)行相應的功能，這些功能如下：

    (1)查詢設備狀態(tài)功能，能夠向上位機返回播放狀態(tài)、錄音狀態(tài)、設備ID號、播放音量、采樣率、采樣精度等信息。其中錄音狀態(tài)包括錄音關閉、錄音開啟、同步錄音、錄音完成4種狀態(tài)，播放狀態(tài)包括播放關閉和播放開啟2種狀態(tài)。

    (2)設置采樣方式功能，設置錄音和播放的采樣精度為24位或16位，采樣率為8 kHz~192 kHz。

    (3)播放開關和錄音開關功能，從I²S使用的是主I²S的時鐘信號，這樣做可以保證錄音和播放的同步，但是造成了主I²S關閉后，從I²S不能使用的問題。解決這個問題的方法是，硬件初始化完成后，主I²S不斷發(fā)送DMA緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)到音頻編解碼器，如果要打開播放功能，只需向主I²S的DMA緩沖區(qū)寫入音頻數(shù)據(jù)即可，如果要關閉播放功能，則寫入空數(shù)據(jù)。如果通過關閉從I²S的方法關閉錄音，會導致無法確定下一次從I²S開啟后，傳輸?shù)牡谝粋€數(shù)據(jù)屬于哪個輸入通道，造成錄音數(shù)據(jù)的左右聲道不確定，因此只能通過控制CPU是否讀取從I²S緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的方式控制錄音功能的開啟或關閉，只需使用一個錄音開關標志位就能做到這一點。

    (4)同步錄音功能，同時開啟播放和錄音功能，錄音和播放采用的是相同的時鐘信號，理論上能夠實現(xiàn)錄音和播放的完全同步。

3.2 上位機軟件設計

    上位機軟件分為主線程和通信線程，主線程能夠查找接入計算機的USB設備，并將音頻接口的USB設備句柄添加到通信線程。主線程提供的接口函數(shù)能夠將用戶對設備操作的信息發(fā)送到通信線程，通信線程根據(jù)查詢到的設備運行狀態(tài)信息和從主線程接收的設備操作信息決定要向下位機發(fā)送的控制命令類型以及如何進行數(shù)據(jù)傳輸。

    上位機軟件具體工作流程如圖6所示，為了實現(xiàn)熱插拔功能，上位機軟件開啟后首先向主窗體注冊USB CDC設備，上位機軟件就可以通過接收Windows操作系統(tǒng)的WM_DEVICECHANG消息識別USB插拔事件。上位機軟件通過調用libusb庫函數(shù)實現(xiàn)USB通信^[10]，主線程首先要初始化libusb庫，然后查找USB總線和總線上的設備，根據(jù)設備描述符篩選出音頻接口，依次打開所有的音頻接口獲得其USB設備的句柄，并查詢其設備號，通過設備號可以得知當前句柄對應的音頻接口通道。主線程將設備句柄和對應的設備號傳送給通信線程，通信線程就可以對4路2通道音頻接口分別進行操作了。最后軟件進入等待操作狀態(tài)，用戶對USB設備進行插拔后軟件會重新查找設備。用戶通過設備接口函數(shù)進行操作之后，主線程會將設備的操作信息發(fā)送到通信線程中。

    通信線程建立后會不停地查詢設備狀態(tài)信息，判斷USB通信是否正常并查詢下位機的運行狀態(tài)。接收到主線程的設備操作信息之后，通信線程會將其與設備狀態(tài)信息進行對比，根據(jù)信息的不同之處，向下位機發(fā)送相應的命令或進行數(shù)據(jù)傳輸。這種設計方案保證了上位機和下位機運行狀態(tài)的同步，使整個系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。

4 性能測試

4.1 信號輸出性能測試

    計算機分別使用PreSonus AudioBox 1818 VSL專業(yè)聲卡和音頻接口輸出正弦信號，使用APx525音頻分析儀分別測量其總諧波失真，測量結果如圖7所示，音頻接口在整個音頻頻段輸出激勵信號的總諧波失真均低于專業(yè)聲卡，在1 000 Hz處的總諧波失真為-77 dB，而專業(yè)聲卡為-53.7 dB。

4.2 信號采集性能測試

    分別將聲卡和音頻接口用于電聲測量系統(tǒng)中，采集由音頻分析儀信號源輸出的正弦信號，測量電壓如圖8所示，在10 Hz～20 kHz的范圍內，音頻接口的幅頻特性與專業(yè)聲卡類似，20 kHz以上性能優(yōu)于專業(yè)聲卡。

4.3 同步錄音功能驗證

    上位機軟件讀取波形為1 kHz正弦信號，采樣率為48 000 Hz，采樣精度為16位，時長為1 s的wav文件之后，如圖9所示，在第1個和第48 000個音頻數(shù)據(jù)點處插入標記。然后將音頻接口輸入和輸出通道相連，使用同步錄音功能直接對輸出信號進行同步采集，采集到圖10所示的波形。圖9和圖10的標記值在相同的位置，說明音頻接口的同步錄音功能能夠實現(xiàn)錄音和播放完全同步。

5 結論

    本文設計的音頻接口與PreSonus AudioBox 1818 VSL專業(yè)聲卡相比，輸出通道的總諧波失真更低，輸入通道的幅頻特性更好，能夠實現(xiàn)錄音和播放的完全同步，同時又具有成本低的優(yōu)點，完全可以取代專業(yè)聲卡用于電聲測量系統(tǒng)。

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作者信息:

周靜雷，李騰飛，馮  源

(西安工程大學 電子信息學院，陜西 西安710048)