基于單片機(jī)的吸聲系數(shù)測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)VIP

1、第1章 緒論1.1 選題的依據(jù)和意義吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現(xiàn)象，吸聲可以降低室內(nèi)聲壓級(jí)。描述吸聲的指標(biāo)是吸聲系數(shù)a：=E/Ei =（Ei-Er）/Ei=1-r式中Ei：入射聲能；E：被材料或結(jié)構(gòu)吸收的聲能；Er：被材料或結(jié)構(gòu)反射的聲能；r：反射系數(shù)。當(dāng)入射聲能被完全反射時(shí)，=0，表示無(wú)吸聲作用；當(dāng)入射聲波完全沒有被反射時(shí)，=1，表示完全被吸收。一般材料或結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)=01，值越大，表示吸聲性能越好，它是目前表征吸聲性能最常用的參數(shù)。不同頻率上會(huì)有不同的吸聲系數(shù)，人們使用吸聲系數(shù)頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，吸聲測(cè)試報(bào)告中吸聲系數(shù)的頻率范圍

2、是1005KHz。將1005KHz的吸聲系數(shù)取平均得到的數(shù)值是平均吸聲系數(shù)，平均吸聲系數(shù)反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪系數(shù)NRC粗略地評(píng)價(jià)在語(yǔ)言頻率范圍內(nèi)的吸聲性能，這一數(shù)值是材料在250、500、1K、2K四個(gè)頻率的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值，四舍五入取整到0.05。一般認(rèn)為NRC小于0.2的材料是反射材料，NRC大于等于0.2的材料被認(rèn)為是吸聲材料。吸聲材料一直是人類吸聲降噪采用的主要方法之一，因此快速和準(zhǔn)確的測(cè)量吸聲系數(shù)是吸聲材料研究與應(yīng)用領(lǐng)域重要的研究?jī)?nèi)容之一。常常使用的高吸聲系數(shù)材料有離心玻璃棉、巖棉等，5cm厚的24kg/m3的離心玻璃棉的NRC可達(dá)到0.95。傳統(tǒng)的吸聲系

3、數(shù)測(cè)量方法主要有駐波管法和混響室法。駐波管法只能測(cè)量垂直入射吸聲系數(shù)，樣品的大小必須與駐波管的大小完全相同，不能測(cè)量沙等松散的吸聲材料，并且儀器比較笨重，不便于攜帶，混響室法必須在昂貴的混響室中測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果可能大于1，不同的混響室測(cè)量的結(jié)果有時(shí)差別很大，不適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。因此有必要研究、開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量材料吸聲系數(shù)的測(cè)量方法和儀器。雙傳聲器法是通過(guò)兩個(gè)聲壓傳聲器測(cè)量材料的法向阻抗率來(lái)計(jì)算吸聲系數(shù)的一種方法，具有直觀、簡(jiǎn)單、可在現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)量應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，但是運(yùn)算比較復(fù)雜。 本課題要求對(duì)材料吸聲系數(shù)的測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)探究。利用DSP的高速運(yùn)算能力和精確的快速傅里葉變換

4、FFT，采用兩路完全對(duì)稱的信號(hào)調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)便攜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量。設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)電路圖，包括電源模塊、白噪聲信號(hào)發(fā)生電路、聲強(qiáng)探頭電路、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)以及通信等部分，分析討論各部分電路的工作原理和設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。1.2 課題分析1.2.1 主要研究?jī)?nèi)容根據(jù)雙傳聲器法的基本原理設(shè)計(jì)便攜式吸聲系數(shù)測(cè)量?jī)x。通過(guò)兩路完全對(duì)稱的信號(hào)調(diào)理電路同時(shí)采集模擬聲壓信號(hào)，經(jīng)ADS7862轉(zhuǎn)換后送給DSP。然后DSP完成傅里葉時(shí)頻變換FFT并計(jì)算出吸聲系數(shù)，最后交給單片機(jī)顯示并與上位機(jī)通信。1.硬件部分：系統(tǒng)硬件主要由程控白噪聲信號(hào)發(fā)生電路、聲強(qiáng)探頭電路和DSP處理電路三部分組成

5、。程控白噪聲信號(hào)發(fā)生電路主要發(fā)射時(shí)間可控、帶寬可調(diào)、功率可調(diào)的白噪聲信號(hào)。聲強(qiáng)探頭電路是兩路完全對(duì)稱聲電轉(zhuǎn)換電路，將傳聲器探頭所在聲場(chǎng)的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)前置放大器帶動(dòng)長(zhǎng)線輸出，避免儀器引起聲場(chǎng)變化。DSP處理電路主要完成以下功能：控制白噪聲發(fā)射時(shí)間，實(shí)時(shí)調(diào)整放大倍數(shù)，采集數(shù)據(jù)，F(xiàn)FT及計(jì)算吸聲系數(shù)等。DSP處理模塊是兩路對(duì)稱的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，在DSP的控制下將長(zhǎng)線傳輸過(guò)來(lái)的模擬聲壓信號(hào)，經(jīng)低通濾波器、程控放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲壓信號(hào)送入DSP處理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。顯示接口通訊接口門控電路揚(yáng)聲器/D轉(zhuǎn)換器傳聲器A白噪聲信號(hào)發(fā)生電路傳聲器B待測(cè)的吸聲材料圖1.1 系統(tǒng)

6、結(jié)構(gòu)框圖 2.軟件部分：系統(tǒng)的軟件包括DSP應(yīng)用程序和單片機(jī)應(yīng)用程序兩部分。DSP首先控制發(fā)射10 ms白噪聲，然后實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)放大倍數(shù)并采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地將模擬聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲壓信號(hào)。在采集結(jié)束后，執(zhí)行512點(diǎn)位碼倒置和FFT變換子程序，再計(jì)算出吸聲系數(shù)，最后將測(cè)量結(jié)果通過(guò)HPI 接口送給單片機(jī)。1.2.2 方案論證1.硬件部分：由于吸聲材料的吸聲系數(shù)是由吸聲材料表面特性阻抗表征的，因此通過(guò)測(cè)量吸聲材料的表面特性阻抗就可以得到吸聲材料在某一頻率的吸聲系數(shù)。用兩個(gè)麥克風(fēng)作為傳感器等間距放置于吸聲材料表面很近的地方，測(cè)得2個(gè)麥克風(fēng)傳感器的聲壓，得到2個(gè)麥克風(fēng)傳感器中間點(diǎn)的聲壓，根據(jù)測(cè)得的聲壓求

7、出吸聲材料表面的特性阻抗，從而得到吸聲材料的吸聲系數(shù)。因此系統(tǒng)硬件主要由程控白噪聲信號(hào)發(fā)生電路、聲強(qiáng)探頭電路和DSP處理電路三部分組成。程控白噪聲信號(hào)發(fā)生電路：主要發(fā)射時(shí)間可控、帶寬可調(diào)、功率可調(diào)的白噪聲信號(hào)。白噪聲是指功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。所有頻率具有相同能量的隨機(jī)噪聲稱為白噪聲。從我們耳朵的頻率響應(yīng)聽起來(lái)它是非常明亮的“咝”聲（每高一個(gè)八度，頻率就升高一倍。因此高頻率區(qū)的能量也顯著增強(qiáng)）。白噪聲或白雜訊，是一種功率頻譜密度為常數(shù)的隨機(jī)信號(hào)或隨機(jī)過(guò)程。換句話說(shuō)，此信號(hào)在各個(gè)頻段上的功率是一樣的，由于白光是由各種頻率（顏色）的單色光混合而成，因而此信號(hào)的這種具有平坦功率譜的性質(zhì)

8、被稱作是“白色的”，此信號(hào)也因此被稱作白噪聲。相對(duì)的，其他不具有這一性質(zhì)的噪聲信號(hào)被稱為有色噪聲。理想的白噪聲具有無(wú)限帶寬，因而其能量是無(wú)限大，這在現(xiàn)實(shí)世界是不可能存在的。實(shí)際上，我們常常將有限帶寬的平整訊號(hào)視為白噪音，因?yàn)檫@讓我們?cè)跀?shù)學(xué)分析上更加方便。然而，白噪聲在數(shù)學(xué)處理上比較方便，因此它是系統(tǒng)分析的有力工具。一般，只要一個(gè)噪聲過(guò)程所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它所作用系統(tǒng)的帶寬，并且在該帶寬中其頻譜密度基本上可以作為常數(shù)來(lái)考慮，就可以把它作為白噪聲來(lái)處理。例如，熱噪聲和散彈噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)具有均勻的功率譜密度，通?？梢哉J(rèn)為它們是白噪聲。使用白噪聲是由于不同頻率上會(huì)有不同的吸聲系數(shù)。人們使

9、用吸聲系數(shù)頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。聲強(qiáng)探頭電路：是兩路完全對(duì)稱聲電轉(zhuǎn)換電路，將傳聲器探頭所在聲場(chǎng)的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)前置放大器帶動(dòng)長(zhǎng)線輸出，避免儀器引起聲場(chǎng)變化。用2個(gè)麥克風(fēng)作為傳感器等間距放置于吸聲材料表面很近的地方，測(cè)得2個(gè)麥克風(fēng)傳感器的聲壓，得到2個(gè)麥克風(fēng)傳感器中間點(diǎn)的聲壓。DSP處理電路：控制白噪聲發(fā)射時(shí)間，實(shí)時(shí)調(diào)整放大倍數(shù)，采集數(shù)據(jù)，F(xiàn)FT及計(jì)算吸聲系數(shù)等。DSP處理模塊是兩路對(duì)稱的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，在DSP的控制下將長(zhǎng)線傳輸過(guò)來(lái)的模擬聲壓信號(hào)，經(jīng)低通濾波器、程控放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲壓信號(hào)送入DSP處理。雙傳聲器法測(cè)量吸聲系數(shù)需要大量復(fù)雜計(jì)算，

10、如FFT、計(jì)算吸聲系數(shù)，并且白噪聲信號(hào)的采樣時(shí)間很短暫，經(jīng)過(guò)篩選，系統(tǒng)DSP選用TMS320VC5402。TMS320VC5402 具有以下主要特點(diǎn)：先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)；多處理單元；多級(jí)流水線結(jié)構(gòu); 特殊的DSP指令; 單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間為10ns等。以上這些優(yōu)點(diǎn)使TMS320VC5402 具有較好的數(shù)字信號(hào)處理能力，適用于FFT 變換以及語(yǔ)音噪聲信號(hào)處理等，功耗低、集成度高，可用電池供電，廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備中。系統(tǒng)需要在10 m s內(nèi)至少采集512個(gè)數(shù)據(jù)，并且為了減少誤差、提高測(cè)量精度，雙通道必須同時(shí)采樣、進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此選用ADS7862。它內(nèi)部集成2個(gè)A /D轉(zhuǎn)換器，共用啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信

11、號(hào)CONVST、讀寫信號(hào)、忙信號(hào)等控制信號(hào)，雙路同時(shí)采樣保持轉(zhuǎn)換，功耗僅為40 mW。因此ADS7862在保持系統(tǒng)性能的同時(shí)，使系統(tǒng)的硬件電路更加簡(jiǎn)單便攜。并且前端加入運(yùn)算放大器OPA132和4 個(gè)電阻，使ADS7862 配置為雙極性輸入，改變電阻大小就可以調(diào)整輸入的電壓范圍。2.軟件部分：系統(tǒng)的軟件包括DSP應(yīng)用程序和單片機(jī)應(yīng)用程序兩部分。DSP首先控制發(fā)射10 m s白噪聲，然后實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)放大倍數(shù)并采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地將模擬聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲壓信號(hào)。在采集結(jié)束后，執(zhí)行512點(diǎn)位碼倒置和FFT變換子程序，再根據(jù)公式計(jì)算出吸聲系數(shù)，最后將測(cè)量結(jié)果通過(guò)HPI 接口送給單片機(jī)。(1) DSP應(yīng)用程

12、序：用2個(gè)麥克風(fēng)作為傳感器等間距放置于吸聲材料表面很近的地方，測(cè)得2 個(gè)麥克風(fēng)傳感器的聲壓，得到2個(gè)麥克風(fēng)傳感器中間點(diǎn)的聲壓，然后啟動(dòng)ADS7862轉(zhuǎn)換，讀取兩個(gè)通道數(shù)據(jù)至DSP。程序判斷數(shù)據(jù)是否超出范圍，如果超出范圍則調(diào)整放大倍數(shù)重新轉(zhuǎn)換。否則判斷是否采樣結(jié)束，如果采樣未結(jié)束則繼續(xù)采樣，若結(jié)束則進(jìn)行位碼倒置進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換。然后根據(jù)公式計(jì)算出吸聲系數(shù)，輸出給單片機(jī)顯示?？焖俑凳献儞Q（FFT），是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。它對(duì)傅氏變換的理論并沒有新的發(fā)現(xiàn)，但是對(duì)于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者說(shuō)數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用離散傅立葉變換，可以說(shuō)

13、是進(jìn)了一大步。我們采用的FFT算法是包裝算法：首先2N點(diǎn)實(shí)數(shù)的連續(xù)輸入稱為“進(jìn)包”。其次N點(diǎn)的FFT被連續(xù)運(yùn)行。最后作為結(jié)果產(chǎn)生的N點(diǎn)的合成輸出是“打開”成為最初的與DFT相符合的2N點(diǎn)輸入。使用這一思想，我們可以劃分FFT的大小，它有一半花費(fèi)在包裝輸入O（N）的操作和打開輸出上。這樣的FFT算法迅速，計(jì)算速度幾乎達(dá)到了兩次DFT的連續(xù)輸入。FFT算法程序主要分3大部分：主程序、波形發(fā)生程序和FFT程序。波形發(fā)生程序首先計(jì)算步長(zhǎng)，再用sin函數(shù)計(jì)算當(dāng)前的波形值。再由FFT程序按照編碼逆序排列輸入序列，運(yùn)用蝶形算法計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出功率譜。 (2) 單片機(jī)應(yīng)用程序：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一種集成在電路芯片，是采

14、用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī)的主要任務(wù)是計(jì)算和顯示吸聲系數(shù)，與上位機(jī)通信等。單片機(jī)與DSP最小系統(tǒng)，鍵盤接口，顯示接口和通訊接口連接。通過(guò)鍵盤接口調(diào)整放大倍數(shù)。通過(guò)顯示接口顯示輸出波形和相關(guān)數(shù)據(jù)。顯示通過(guò)液晶模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。在液晶顯示器的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，漢字與圖形通常都是以圖形的方式來(lái)顯示的。液晶顯示模塊中的漢字與圖形都是像素點(diǎn)進(jìn)行有規(guī)律的組合產(chǎn)生的結(jié)果，圖形漢

15、字的清晰度以及液晶顯示器像素點(diǎn)的多少與點(diǎn)陣之間距離的大小有著很大的關(guān)聯(lián)。所以在顯示之前，必須要先建立起該系統(tǒng)需要的漢字庫(kù)與數(shù)字庫(kù)。在自造字符的時(shí)候，最好不要擴(kuò)充到外圍的四條邊界的點(diǎn)陣中去，以免顯示的內(nèi)容連在一起。這兩種顯示方式采用的地址均是按照自左向右，自上到下的順序進(jìn)行排列的。所以只要知道了顯示器的地址，就能夠在其想對(duì)應(yīng)的位置顯示出所需要的內(nèi)容。第2章 硬件設(shè)計(jì)2.1 程控白噪聲信號(hào)發(fā)生電路由于測(cè)量吸聲系數(shù)需要測(cè)量不同頻率下吸收和入射的聲強(qiáng)，所以需要白噪聲發(fā)生電路作為聲源。白噪聲作為一種理想信號(hào)，在數(shù)學(xué)處理上具有簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在系統(tǒng)辨識(shí)、線性系統(tǒng)分析和信號(hào)分析與處理中都有極重要的地位

16、。在實(shí)際工作中，要研究某一系統(tǒng)的隨機(jī)過(guò)程，只要滿足該過(guò)程的功率譜密度在比系統(tǒng)帶寬大得多的頻率范圍內(nèi)近似均勻分布這一條件，就可以把它作為白噪聲來(lái)處理，而不會(huì)帶來(lái)多大誤差。然而，市售的白噪聲發(fā)生器相當(dāng)昂貴，使它的應(yīng)用受到一定限制。在對(duì)雙極性晶體管的散粒噪聲的功率特性進(jìn)行分析之后，利用它在極寬的頻帶范圍內(nèi)具有均勻的功率譜這一特性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)非常簡(jiǎn)潔有效的帶寬可調(diào)的限帶白噪聲發(fā)生器，可以滿足實(shí)驗(yàn)室或一般應(yīng)用場(chǎng)合的要求。2.1.1 散粒噪聲的特性在雙極性晶體管和半導(dǎo)體二極管等器件中，流動(dòng)的電流不是平滑和連續(xù)的，而是各個(gè)攜帶著一個(gè)電子電荷的載流子的流動(dòng)產(chǎn)生的電流脈沖之和。其原因在于這些器件中有勢(shì)壘存在

17、，而載流子通過(guò)勢(shì)壘是隨機(jī)發(fā)生的一系列獨(dú)立事件。對(duì)于晶體管，當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正向偏置時(shí)，就有載流子越過(guò)發(fā)射結(jié)勢(shì)壘由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)。雖然單位時(shí)間內(nèi)注入基區(qū)的載流子平均數(shù)是一定的，但是某一個(gè)載流子越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入基區(qū)的事件卻是隨機(jī)的，它取決于載流子是否具有足夠的能量以及指向結(jié)面方向的速度的大小。這就使得注入基區(qū)的載流子數(shù)目在其平均數(shù)附近發(fā)生統(tǒng)計(jì)起伏，從而引起注入電流的起伏。這種由于載流子各自獨(dú)立而隨機(jī)地通過(guò)勢(shì)壘所引起的噪聲，稱為散粒噪聲。電流強(qiáng)度平均值為I 的一系列獨(dú)立的隨機(jī)電流脈沖所產(chǎn)生的散粒噪聲電流均方值可以表示如下: （21） 其功率譜密度為： （22）由式（22）可知，散粒噪聲的功率譜密度與頻率無(wú)關(guān)

18、，屬于白噪聲。然而值得強(qiáng)調(diào)的是該式只在中低頻范圍內(nèi)有效，在高頻區(qū)( 接近1GHz) ，散粒噪聲也將隨頻率的上升而增加。盡管如此，在極寬的頻帶范圍內(nèi)，其功率譜密度仍與頻率無(wú)關(guān)。而且，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，PN結(jié)反向擊穿會(huì)使散粒噪聲激增?？傊琍N 結(jié)的散粒噪聲具有以下特征:在非常寬的頻率圍，從幾赫茲到微波頻段，其功率譜密度與頻率無(wú)關(guān)，即呈白噪聲; 基極- 發(fā)射極的PN 結(jié)反向擊穿時(shí)，噪聲強(qiáng)度激增。因此可以用作高性能的固態(tài)噪聲源。這樣就可通過(guò)散粒噪聲得到近似的白噪聲。2.1.2 發(fā)生電路設(shè)計(jì)聲音在空氣中的傳播速度為340 m /s，在短時(shí)間內(nèi)可以形成多次反射。為了避免多次反射干擾，發(fā)射時(shí)間必須非常短暫，可利

19、用數(shù)字信號(hào)控制發(fā)射時(shí)間。程控白噪聲信號(hào)發(fā)生電路如圖2.1所示。圖2.1 程控白噪聲信號(hào)發(fā)生電路白噪聲信號(hào)發(fā)生器利用普通雙極性晶體管9014 發(fā)射結(jié)齊納擊穿時(shí)產(chǎn)生散粒噪聲，再經(jīng)過(guò)一系列處理得到白噪聲信號(hào)。采用這樣的配置，發(fā)射極- 基極結(jié)的反向擊穿電壓可以很容易地用一般的頻譜分析儀觀察，其頻譜帶寬約為300MHz，而功率輸出大約是- 70dBm。為了增大噪聲功率，后級(jí)電路對(duì)散粒噪聲進(jìn)行了放大。首先是將直流信號(hào)濾除，并盡量使交流信號(hào)通過(guò)，因而電容C1的容值和電阻R3 的阻值選擇得較大，C1 容值為1F，R3 阻值為200k。NE5532 是一個(gè)性能優(yōu)良的低噪聲電壓放大器，工作電壓為12V，由它組成的

20、跟隨器，工作帶寬為10MHz，這樣經(jīng)過(guò)跟隨器的輸出噪聲帶寬限制在10MHz 內(nèi)，峰-峰值范圍為5mV。信號(hào)再經(jīng)過(guò)一級(jí)電壓增益為100 的放大電路，然后輸入給一個(gè)4 階的Butterworth 開關(guān)電容低通濾波器電路，該電路的低通截止頻率在0 30kHz 范圍內(nèi)是可調(diào)的，只需調(diào)節(jié)TLC14CP時(shí)鐘輸入端的頻率fclock，其中時(shí)鐘頻率f clock=1/ 169 RC，R 為電位器R8的阻值，通過(guò)調(diào)節(jié)R8，可以方便地改變輸入時(shí)鐘頻率。截止頻率f co 和時(shí)鐘輸入的頻率fclock有關(guān)系，這樣也就改變了截止頻率率f co，從而改變了輸出信號(hào)的帶寬。而為了精確控制白噪聲發(fā)射時(shí)間，電路中加入了CD40

21、51。CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端A、B、C 和INH 輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5 20 V的數(shù)字信號(hào)可控制峰值至20 V 的模擬信號(hào)。其中，二進(jìn)制控制輸入端A、B、C 接地，選通通道0;INH 連接到DSP的XF引腳，通過(guò)控制XF引腳電平的高低就可以控制白噪聲發(fā)射的時(shí)間。為了增大輸出信號(hào)，后級(jí)采用輸出放大電路，保證了在輸出負(fù)載不小于200時(shí)，輸出信號(hào)的幅度可以在10V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。2.2 DSP和ADS7862之間的連接雙傳聲器法測(cè)量吸聲系數(shù)需要大量復(fù)雜計(jì)算，如FFT、計(jì)算吸聲系數(shù)，并且白噪聲信號(hào)的采樣時(shí)間很短暫，經(jīng)過(guò)篩選，系統(tǒng)

22、DSP選用TMS320VC5402。TMS320VC5402 具有以下主要特點(diǎn): 先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu); 多處理單元; 多級(jí)流水線結(jié)構(gòu); 特殊的DSP指令; 單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間為10 ns等。以上這些優(yōu)點(diǎn)使TMS320VC5402 具有較好的數(shù)字信號(hào)處理能力，適用于FFT 變換以及語(yǔ)音噪聲信號(hào)處理等，功耗低、集成度高，可用電池供電，廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備中。系統(tǒng)需要在10 m s內(nèi)至少采集512個(gè)數(shù)據(jù)，并且為了減少誤差、提高測(cè)量精度，雙通道必須同時(shí)采樣、進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，因此選用ADS7862。它內(nèi)部集成2個(gè)A /D轉(zhuǎn)換器，共用啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)CONVST、讀寫信號(hào)、忙信號(hào)等控制信號(hào)，雙路同時(shí)采樣保持轉(zhuǎn)

23、換，功耗僅為40 mW。 因此，ADS7862在保持系統(tǒng)性能的同時(shí)，使系統(tǒng)的硬件電路更加簡(jiǎn)單便攜。并且前端加入運(yùn)算放大器OPA132和4 個(gè)電阻，使ADS7862 配置為雙極性輸入，改變電阻大小就可以調(diào)整輸入的電壓范圍。ADS7862和DSP的連接圖如圖2.2所示。圖2.2 ADS7862和DSP的連接圖2.3 聲強(qiáng)探頭電路的實(shí)現(xiàn)吸聲系數(shù)測(cè)量?jī)x的接收部分是聲強(qiáng)探頭電路。聲強(qiáng)探頭電路是兩路完全對(duì)稱聲電轉(zhuǎn)換電路，將傳聲器探頭所在聲場(chǎng)的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)前置放大器帶動(dòng)長(zhǎng)線輸出，避免儀器引起聲場(chǎng)變化。接收裝置為傳聲器，傳聲器是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。靈敏度是話筒在單位聲壓激勵(lì)下輸

24、出電壓與輸入聲壓的比值，其單位是mV/Pa。為與電路中電平的度量一致，靈敏度也可以分貝值表示。 2.3.1 移相式正弦波發(fā)生電路為了進(jìn)行仿真，使用移相式正弦波發(fā)生電路當(dāng)作接收到的聲音信號(hào)。移相式正弦波發(fā)生電路如圖2.3所示。圖2.3 移相式正弦波發(fā)生電路移相式正弦波是由三節(jié)RC超前或滯后移相反饋網(wǎng)絡(luò)和反相放大器組成，常用于產(chǎn)生低頻正弦信號(hào)。三節(jié)RC電路含180º相移，與負(fù)饋放大器正好在該頻率上構(gòu)成正反饋，與負(fù)反饋放大器正好在該頻率上構(gòu)成正反饋，滿足振蕩的相位平衡條件，若適當(dāng)選擇穩(wěn)幅負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電阻RF，使放大器閉環(huán)增益大于1，即滿足振蕩的振幅條件，就能在輸出端得到正弦波振蕩信號(hào)。

25、2.3.2 功率放大電路由于發(fā)射端需要使用揚(yáng)聲器發(fā)射出白噪聲，但三極管產(chǎn)生的白噪聲功率較小，所以需要功率放大電路進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。而由話筒接收到的信號(hào)功率一樣很小，所以同樣需要功率放大電路進(jìn)行放大。該功率放大電路使用LM386對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)的功率放大器。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM3

26、86特別適用于電池供電的場(chǎng)合。 LM386的外形和引腳的排列如圖2.4所示。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。查L(zhǎng)M386的datasheet，電源電壓4-12V或5-18V(LM386N-4)；靜態(tài)消耗電流為4mA；電壓增益為20-200；在1、8腳開路時(shí)，帶寬為300KHz；輸入阻抗為50K；音頻功率0.5W。圖2.4 LM386的外形和引腳的排列圖由于傳聲器輸出電壓僅為幾十mV，為了進(jìn)行下一步的計(jì)算，要使用功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。LM386的1腳和8腳是增益調(diào)整引腳，

27、其內(nèi)部為一個(gè)約為1.35K的電阻，1，8腳開路的時(shí)候，增益最小約為20倍（26db），當(dāng)1，8腳交流短路，增益最大，達(dá)到200倍（46db），在1，8之間串聯(lián)電阻，可調(diào)整增益在20倍到200倍之間變化。具體的計(jì)算公式可參考如下： GAIN = 30000/(150+(1350*R)/(1350+R) （23）其中R為1，8腳之間串聯(lián)的電阻，單位為 ，(1350*R)/(1350+R)即兩電阻的并聯(lián)值。功率放大電路如圖2.5所示，電壓放大倍數(shù)約為20倍。圖2.5功率放大電路2.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC0809是CMOS器件，不僅包括一個(gè)8位的逐次逼近型ADC，而且還提供一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和

28、通道尋址邏輯。利用它可直接輸入8個(gè)單端的模擬信號(hào)分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回檢測(cè)和過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用十分廣泛。ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.6所示。IN0IN7：8路模擬輸入，通過(guò)3根地址譯碼線ADDA、ADDB、ADDC來(lái)選通一路。D7D0：A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出端，為三態(tài)可控輸出，故可直接和微處理器數(shù)據(jù)線連接。8位排列順序是D7為最高位，D0為最低位。圖2.6 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ADDA、ADDB、ADDC：模擬通道選擇地址信號(hào)，ADDA為低位，ADDC為高位。地址信號(hào)與選中通道對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。表2.1 地址信號(hào)與選中通道的關(guān)系地 址選中通道ADDCADDBADD

29、A000011110011001101010101IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7VR(+)、VR(-)：正、負(fù)參考電壓輸入端，用于提供片內(nèi)DAC電阻網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)電壓。在單極性輸入時(shí)，VR(+)=5V，VR(-)=0V；雙極性輸入時(shí)，VR(+)、VR(-)分別接正、負(fù)極性的參考電壓。ALE：地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)此信號(hào)有效時(shí)，A、B、C三位地址信號(hào)被鎖存，譯碼選通對(duì)應(yīng)模擬通道。在使用時(shí)，該信號(hào)常和START信號(hào)連在一起，以便同時(shí)鎖存通道地址和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，正脈沖有效。加于該端的脈沖的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。如正

30、在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)又接到新的啟動(dòng)脈沖，則原來(lái)的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中止，重新從頭開始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平有效。該信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中為低電平，其余時(shí)間為高電平。該信號(hào)可作為被CPU查詢的狀態(tài)信號(hào)，也可作為對(duì)CPU的中斷請(qǐng)求信號(hào)。在需要對(duì)某個(gè)模擬量不斷采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可作為啟動(dòng)信號(hào)反饋接到START端，但在剛加電時(shí)需由外電路第一次啟動(dòng)。OE：輸出允許信號(hào)，高電平有效。當(dāng)微處理器送出該信號(hào)時(shí)，ADC0809的輸出三態(tài)門被打開，使轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線被讀走。在中斷工作方式下，該信號(hào)往往是CPU發(fā)出的中斷請(qǐng)求響應(yīng)信號(hào)。本設(shè)計(jì)中ADC0809與單片機(jī)的接口電路如圖2.7所示。ADC0809的

31、ALE與START管腳接到P1.4，EOC管腳接到P3.3，OE管腳接到P1.5，轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出D0D7與單片機(jī)的P0口直接相連。圖2.7 A/D轉(zhuǎn)換電路2.5 LCD顯示模塊本系統(tǒng)的顯示部分采用LCD1602芯片，LCD顯示模塊是把LCD顯示屏、背景光源、線路板和驅(qū)動(dòng)集成電路等部件構(gòu)造成1個(gè)整體作為1個(gè)獨(dú)立部件使用，只留1個(gè)接口與外部通信。LCD引腳功能如表2.2所示：表2.2 1602引腳功能表引腳符號(hào)功能說(shuō)明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度

32、）。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9DB2低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10DB3低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光電源正

33、極16BLK背光電源負(fù)極顯示模塊通過(guò)這個(gè)接口接收顯示的命令和數(shù)據(jù)，并按指令和數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行顯示，外部電路通過(guò)這個(gè)接口讀出顯示模塊的工作狀態(tài)和顯示數(shù)據(jù)。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)和日文假名等，每1個(gè)字符都有1個(gè)固定的代碼。用戶對(duì)模塊寫入適當(dāng)?shù)目刂泼?，即可完成清屏、顯示、地址設(shè)置等操作。本設(shè)計(jì)采用并行方式控制，LCD與單片機(jī)的接口電路如圖2.8所示。圖2.8 LCD顯示電路LCD1602的E管腳接到P3.2，RS管腳接到P3.0，R/W管腳接到P3.1，通過(guò)軟件設(shè)置，當(dāng)E=0時(shí)，LC

34、D1602開始工作。當(dāng)R/W=0，RS=0時(shí)，單片機(jī)可以向LCD寫指令，當(dāng)RS=1，R/W=0時(shí)，單片機(jī)可以向LCD寫數(shù)據(jù)，單片機(jī)的P2口和LCD的DB端口相連，當(dāng)P2口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)軟件程序控制，將數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的計(jì)算，最后在LCD上顯示。2.6單片機(jī)最小系統(tǒng)本課題選用ATMEL公司的AT89C51，它以經(jīng)典的8031為內(nèi)核，有一個(gè)8位的微處理器，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還支持位操作。AT89C51具有4KB的EEPROM，將CPU和存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，并與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AT89C51型機(jī)的指令集和輸出引腳兼容，從而為很多嵌入式控制提供了靈活性高且價(jià)格低廉的方案。其主要特性如下：壽命達(dá)100

35、0次寫/擦循環(huán)；時(shí)鐘頻率范圍為0Hz24MHz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128×8位內(nèi)部RAM；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；32位可編程I/O線；4個(gè)8位并行I/O口：P0、P1、P2、P3。AT89C51具有很強(qiáng)的運(yùn)算、控制能力，完全能夠滿足本課題的各項(xiàng)指標(biāo)要求。圖2.9為AT89C51引腳分布。 圖2.9 AT89C51引腳分布P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FI

36、ASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用

37、于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)

38、。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR的8EH地址上置0。此時(shí)ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。1. 復(fù)位電路設(shè)計(jì)單片機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路。單

39、片機(jī)的復(fù)位通常分為三種：自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、看門狗復(fù)位。只要給引腳RESET加上2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號(hào)，就可使AT89C51復(fù)位。因?yàn)锳T89C51內(nèi)部沒有看門狗，所以其復(fù)位電路只能采用自動(dòng)和手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用自動(dòng)復(fù)位，電路如圖2.10所示。圖2.10 復(fù)位電路2. 晶振電路設(shè)計(jì)AT89C51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。此放大器可與作為反饋元件的片外晶振一起構(gòu)成自激振蕩器。外接晶振以及電容C1和C2接在放大器的反饋回路中，構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器

40、的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)晶振值取為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，相應(yīng)容值約為30pF，晶體振蕩電路如圖2.11所示。圖2.11 晶振電路第3章 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)包括總體程序、A/D轉(zhuǎn)換、白噪聲發(fā)生、FFT轉(zhuǎn)換、LCD顯示等模塊。本章主要介紹各個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)思想及流程設(shè)計(jì)。3.1 主程序流程圖主程序流程如圖3.1所示。DSP首先控制發(fā)射10 ms白噪聲，然后實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)放大倍數(shù)并采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地將模擬聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字聲壓信號(hào)。在采集結(jié)束后，執(zhí)行512點(diǎn)位碼倒置和FFT變換子程序，再計(jì)算出吸聲系數(shù)，最后將測(cè)量結(jié)果通過(guò)HPI 接口送給單片機(jī)。單片機(jī)將EOC置0，則

41、將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)的P2口。單片機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算后將數(shù)據(jù)傳給LCD液晶屏顯示。LCD上顯示輸入電壓和吸聲系數(shù)。圖3.1 DSP應(yīng)用程序流程圖3.2 白噪聲發(fā)生程序首先對(duì)DSP 進(jìn)行初始化，設(shè)置10 m s定時(shí)中斷，XF置高電平，停止發(fā)射白噪聲信號(hào); 然后，XF 置低電平發(fā)射白噪聲信號(hào)，DSP開始采集數(shù)據(jù); 直到發(fā)生10 m s定時(shí)中斷，XF置高電平停止發(fā)射白噪聲信號(hào)，完成數(shù)據(jù)的采集，從而達(dá)到利用數(shù)字信號(hào)來(lái)控制白噪聲信號(hào)發(fā)射的目的。這里我們用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)吸聲系數(shù)的測(cè)量。由于單片機(jī)計(jì)算速度有限，我們用頻率為10KHz的正弦波代替白噪聲。如果需要計(jì)算完整的吸聲系數(shù)需要用運(yùn)算速度較快的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器

42、）來(lái)進(jìn)行快速傅里葉變換，進(jìn)而計(jì)算各個(gè)頻率下的平均吸聲系數(shù)。白噪聲程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2 白噪聲程序流程圖3.3 AD0809轉(zhuǎn)換程序ADC0809的工作時(shí)序如圖3.3所示。圖3.3 ADC0809工作時(shí)序當(dāng)通道選擇地址有效時(shí)，ALE信號(hào)一出現(xiàn)，地址便馬上被鎖存，這時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)緊隨ALE之后(或與ALE同時(shí))出現(xiàn)。START的上升沿將逐次逼近寄存器SAR復(fù)位，在該上升沿之后的2us加8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)(不定)，EOC信號(hào)將變低電平，以指示轉(zhuǎn)換操作正在進(jìn)行中，直到轉(zhuǎn)換完成后EOC再變高電平。微處理器收到變?yōu)楦唠娖降腅OC信號(hào)后，便立即送出OE信號(hào)，打開三態(tài)門，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 模擬輸入通道

43、的選擇可以相對(duì)于轉(zhuǎn)換開始操作獨(dú)立地進(jìn)行(當(dāng)然，不能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)行)，然而通常是把通道選擇和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)合起來(lái)完成(因?yàn)锳DC0809的時(shí)間特性允許這樣做)。這樣可以用一條寫指令既選擇模擬通道又啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在與微機(jī)接口時(shí)，輸入通道的選擇可有兩種方法，一種是通過(guò)地址總線選擇，一種是通過(guò)數(shù)據(jù)總線選擇。如用EOC信號(hào)去產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，要特別注意EOC的變低相對(duì)于啟動(dòng)信號(hào)有2us+8個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，要設(shè)法使它不致產(chǎn)生虛假的中斷請(qǐng)求。為此，最好利用EOC上升沿產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，而不是靠高電平產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。本設(shè)計(jì)采用查詢的方法來(lái)確定A/D轉(zhuǎn)換是否完成，并將轉(zhuǎn)換的結(jié)果由P1口讀入單片機(jī)。單片機(jī)先給出啟動(dòng)信號(hào)STAR

44、T脈沖，然后查詢檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC，當(dāng)EOC為高電平轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)給出OE使能信號(hào)，從P1口讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。程序流程圖如圖3.4所示。圖3.4 A/D 程序流程圖3.4 FFT程序快速傅氏變換（FFT），是離散傅氏變換的快速算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。它的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省運(yùn)算量，算法迅速，能夠節(jié)約存儲(chǔ)空間，降低設(shè)備成本。FFT并不是一種新的變換，它是離散傅立葉變換（DFT）的一種快速算法。由于我們?cè)谟?jì)算DFT時(shí)一次復(fù)數(shù)乘法需用四次實(shí)數(shù)乘法和二次實(shí)數(shù)加法；一次復(fù)數(shù)加法則需二次實(shí)數(shù)加法。每運(yùn)算一個(gè)X（k）需要4N次復(fù)數(shù)乘法及2N+2（N-

45、1）=2（2N-1）次實(shí)數(shù)加法。所以整個(gè)DFT運(yùn)算總共需要4N2次實(shí)數(shù)乘法和N*2(2N-1)=2N(2N-1)次實(shí)數(shù)加法。如此一來(lái)，計(jì)算時(shí)乘法次數(shù)和加法次數(shù)都是和N2成正比的，當(dāng)N很大時(shí)，運(yùn)算量是可觀的，因而需要改進(jìn)對(duì)DFT的算法減少運(yùn)算速度。根據(jù)傅立葉變換的對(duì)稱性和周期性，我們可以將DFT運(yùn)算中有些項(xiàng)合并。我們先設(shè)序列長(zhǎng)度為N=2L，L為整數(shù)。將N=2L的序列x(n)(n=0，1，N-1)，按N的奇偶分成兩組，也就是說(shuō)我們將一個(gè)N點(diǎn)的DFT分解成兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，他們又重新組合成一個(gè)N點(diǎn)DFT。一般來(lái)說(shuō)，輸入被假定為連續(xù)的。當(dāng)輸入為純粹的實(shí)數(shù)的時(shí)候，我們就可以利用左右對(duì)稱的特性更好的計(jì)

46、算DFT。程序主要分為3大部分：主程序、波形發(fā)生子程序和FFT子程序。主程序主要功能為初始化工作變量，調(diào)用波形發(fā)生子程序產(chǎn)生3個(gè)正弦波，然后調(diào)用FFT子程序計(jì)算功率譜。波形發(fā)生子程序主要功能為發(fā)生波形，計(jì)算步長(zhǎng)并用標(biāo)準(zhǔn)C的sin函數(shù)計(jì)算當(dāng)前的波形值（128點(diǎn)）。FFT子程序主要功能為運(yùn)用快速傅立葉變換計(jì)算功率譜。首先按照編碼逆序排列輸入序列，然后用蝶形算法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出功率譜，最后返回計(jì)算結(jié)果。程序首先定義采樣點(diǎn)為128點(diǎn)，然后初始化工作變量，將需要用到的公式定義好。然后輸入波形并進(jìn)行采樣。將輸入采樣的波形值賦值給變量的實(shí)部，虛部賦0 。代入公式（31）進(jìn)行計(jì)算。 （31）最后FFT子程序?qū)?/p>

47、運(yùn)算出的結(jié)果賦值給DATA并返回。并且通過(guò)波形圖觀察輸出波形。對(duì)比快速傅立葉變換程序與CCS軟件計(jì)算的功率譜。程序流程圖如圖3.5所示。圖3.5 FFT子程序流程圖3.5 LCD1602初始化程序LCD1602的基本的操作分為以下四種： 表 3.1 LCD寄存器選擇表RSR/W-操 作00數(shù)據(jù)寄存器寫入01數(shù)據(jù)寄存器讀出10指令寄存器寫入11指令寄存器讀出當(dāng)讀狀態(tài)時(shí)單片機(jī)輸入指令：RS=0，RW=1，E=1；當(dāng)讀數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)輸入指令：RS=1，RW=1，E=1。狀態(tài)或數(shù)據(jù)由DB0-DB7數(shù)據(jù)口讀進(jìn)單片機(jī)。其讀操作時(shí)序如圖3.6所示：圖3.6 LCD1602讀時(shí)序?qū)懼噶顣r(shí)單片機(jī)輸入：RS=0，R

48、W=0，E=下降沿脈沖，單片機(jī)向DB0DB7輸入指令碼 ；寫數(shù)據(jù)時(shí)單片機(jī)輸入：RS=1，RW=0，E=下降沿脈沖，單片機(jī)向DB0DB7輸入數(shù)據(jù)。其寫操作時(shí)序如圖3.7所示：圖3.7 LCD1602寫時(shí)序1. 忙信號(hào)檢測(cè)：檢測(cè)液晶是否處于忙碌狀態(tài)，如果處于忙碌狀態(tài)，則不可對(duì)液晶進(jìn)行操作，否則可以進(jìn)行讀寫和顯示操作。忙碌標(biāo)志位為BF（即LCD1602數(shù)據(jù)引腳的最高位DB7位），BF=0表示忙碌，BF=1表示空閑。在讀取過(guò)程中要等待4個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間已留給硬件足夠反映的時(shí)間，程序流程圖如圖3.8所示。圖3.8 忙信號(hào)檢測(cè)流程圖2. 寫數(shù)據(jù)程序：向液晶發(fā)送需要顯示的數(shù)據(jù)程序。首先檢測(cè)液晶是不是處于忙碌

49、狀態(tài)，如果不忙碌，寫入寫數(shù)據(jù)指令RS=1，RW=0，E=0，在單片機(jī)P2口給出要顯示的數(shù)據(jù)。寫指令程序：對(duì)液晶進(jìn)行寫指令的操作。首先檢測(cè)液晶是不是處于忙碌狀態(tài)，如果不忙碌，寫入寫指令RS=0，RW=0，E=0，在單片機(jī)P0口給出要寫入的指令碼，液晶在初始化的時(shí)候需要輸入一系列的指令。顯示之前需要對(duì)液晶進(jìn)行初始化，設(shè)置液晶的顯示模式為顯示開，無(wú)光標(biāo)，指令碼為0x38；光標(biāo)不閃爍，指令碼為0x0c；字符不移，指令碼為0x06；將以前的顯示內(nèi)容清除，指令碼為0x01。 圖3.9 寫數(shù)據(jù)流程圖 圖3.10寫指令流程圖第4章 聯(lián)合調(diào)試聯(lián)合調(diào)試是最關(guān)鍵也是難度最大的環(huán)節(jié)，它既要求軟件使用和程序編寫的能力，

50、又要求有對(duì)硬件電路調(diào)試的能力。本章主要對(duì)硬件各個(gè)部分和總體電路進(jìn)行調(diào)試，硬件和軟件也在調(diào)試過(guò)程中不斷完善。4.1 基于DSP的FFT變換測(cè)試FFT程序是在DSP開發(fā)環(huán)境CCS中完成的，具體過(guò)程如下：1. 首先將CCS設(shè)置成軟件仿真環(huán)境。如圖4.1所示，刪除原有設(shè)置，選擇C55XX REV3.0 CPU 添加并保存。圖4.1 設(shè)置CCS為軟件仿真模式2. 建立工程FFT.pjt，寫入程序。如圖4.2所示，將FFT的程序?qū)懭?。圖4.2 建立工程并寫入程序3. 編譯并下載程序。4. 打開觀察窗口，進(jìn)行如圖4.3和圖4.4所示的設(shè)置，分別為輸出類型、名稱、輸入數(shù)據(jù)起始地址、輸入數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及修改數(shù)據(jù)類型等

51、。圖4.3 TEST WAVE波形設(shè)置圖4.4 FFT波形設(shè)置5.清除顯示：在以上打開的窗口中單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇彈出式菜單中“CLEAR DISPLAY”功能。6.設(shè)置斷點(diǎn)：在程序FFT.c中有注釋“BREAK POINT”的語(yǔ)句上設(shè)置軟件斷點(diǎn)。7.運(yùn)行并觀察結(jié)果。（1）選擇“DEBUG”菜單的“ANIMATE”項(xiàng)，或按F5鍵運(yùn)行程序。（2）觀察“TEST WAVE”窗口中的時(shí)域圖形。（3）在“TEST WAVE”窗口中點(diǎn)擊右鍵，選擇屬性，更改圖標(biāo)顯示為FFT。觀察頻域圖形。 (4)觀察“FFT”窗口中的由CCS計(jì)算出的正弦波的FFT。程序運(yùn)行后共產(chǎn)生3個(gè)波形。TEST WAVE的波形如圖4.

52、5所示，TEST WAVE是輸入的正弦波的波形，幅度為1024的正弦波。程序計(jì)算它的FFT，并將結(jié)果顯示在名為FFT的波形窗口中。FFT的波形如圖4.6所示，橫坐標(biāo)為功率，縱坐標(biāo)為頻率。CCS計(jì)算出的功率譜如圖4.7所示，橫坐標(biāo)為功率，縱坐標(biāo)為頻率。通過(guò)比較FFT的波形圖和CCS計(jì)算的功率譜即可檢驗(yàn)程序的正確性。圖4.5 TEST WAVE的波形圖如圖4.5所示，測(cè)試波形為正弦波，幅度為1024，采樣點(diǎn)取128。輸入如圖所示正弦波，通過(guò)程序運(yùn)算即可得到下圖所示的功率譜。程序運(yùn)用蝶形算法計(jì)算，首先按照編碼逆序排列輸入序列，再代入公式運(yùn)算，繼而將結(jié)果輸出在波形圖上。圖4.6 FFT的波形圖如圖4.

53、6所示，通過(guò)程序運(yùn)算出的FFT波形圖橫坐標(biāo)為功率，縱坐標(biāo)為頻率。圖中顯示功率在3左右的頻率最大，為3.3e+4，兩邊逐漸減小到0 。由此可見程序運(yùn)算出的FFT功率比較集中。圖4.7 CCS計(jì)算出的功率譜如圖4.7所示，由CCS計(jì)算出的功率譜較為精確，雖然同樣比較集中，但細(xì)節(jié)更為清楚。相比較而言，二者圖形比較接近，說(shuō)明程序運(yùn)算的頻域圖和CCS計(jì)算結(jié)果相近。但存在誤差，可能是由程序運(yùn)算不足和采樣點(diǎn)數(shù)較少造成的。可以通過(guò)增加采樣點(diǎn)數(shù)和優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)，但過(guò)多的采樣點(diǎn)數(shù)會(huì)影響程序的運(yùn)行速率，對(duì)硬件的要求也會(huì)相對(duì)提高。所以應(yīng)該從硬件和準(zhǔn)確率之間權(quán)衡。總體來(lái)說(shuō)由于采用快速傅立葉變換算法而大大提高了運(yùn)算速率。而

54、基于DSP更能體現(xiàn)DSP的實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，所以可以在許多便攜設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)運(yùn)用FFT算法所生成的波形圖與CCS軟件計(jì)算出的功率譜基本相同。這表明FFT算法程序可以近似算出輸入波形的功率譜，但還存在誤差。比如局部細(xì)節(jié)無(wú)法計(jì)算出來(lái)，頻率數(shù)值存在誤差等。這些可以用增加采樣點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著采樣點(diǎn)的增加，相應(yīng)的誤差會(huì)逐漸減小。但另一方面，增加采樣點(diǎn)意味著工作量的增加。這給硬件系統(tǒng)帶來(lái)了更高的要求，要求硬件系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)采樣更多的點(diǎn)。在速率較低的硬件上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。還有一些誤差是算法本身帶來(lái)的，比如運(yùn)算的先后次序和優(yōu)化程度等。這就需要從不斷的實(shí)驗(yàn)和摸索中盡量減少誤差。總體而言，本次課程設(shè)計(jì)用

55、FFT算法所生成的波形圖與CCS軟件計(jì)算出的功率譜基本相同，達(dá)到了預(yù)期效果。這樣我們便可以通過(guò)DSP進(jìn)行快速傅里葉變換進(jìn)而計(jì)算出各個(gè)頻率下的吸聲系數(shù)。4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路與顯示模塊調(diào)試A/D轉(zhuǎn)換電路軟件調(diào)試如圖4.8所示，圖中轉(zhuǎn)換的模擬電壓為由IN0輸入的5V模擬電壓，轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果為OUT=5.00V，顯示在液晶LCD上。圖4.8 A/D轉(zhuǎn)換電路與顯示模塊軟件調(diào)試圖A/D轉(zhuǎn)換電路與顯示模塊硬件調(diào)試如圖4.9所示，硬件使用自帶A/D轉(zhuǎn)化器的單片機(jī)。通過(guò)初始化可以將P1口做為A/D使用。這里將P1口懸空，即輸入信號(hào)為0，LCD顯示OUT=0.00V。 圖4.9 A/D轉(zhuǎn)換電路與顯示模塊硬件調(diào)試

56、圖由于A/D轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)是以0-255的數(shù)字進(jìn)行表示的。在電壓為0時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量是0，在電壓為5V時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為255。通過(guò)數(shù)字量可以計(jì)算出輸出端的電壓值。A/D轉(zhuǎn)換電路軟件和硬件的調(diào)試結(jié)果如表4.1所示，從表格數(shù)據(jù)可以看出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在電壓為整數(shù)時(shí)完全一致，由此可以說(shuō)明實(shí)物連接正確，并且轉(zhuǎn)換結(jié)果很精確，經(jīng)過(guò)調(diào)試，硬件電路A/D轉(zhuǎn)換電路運(yùn)行良好，硬件連接和轉(zhuǎn)換、顯示結(jié)果正確，達(dá)到了所需要求。表4.1 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果電壓值（V）A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果單片機(jī)運(yùn)算結(jié)果（V）0.00002.501272.53.051563.054.062074.064.4 電路總體調(diào)試吸聲系數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4.10所示。AD轉(zhuǎn)換器輸入端電壓為2.74V，輸入電壓為5.00V。根據(jù)公式=E/Ei =（Ei-Er）/Ei=1-r，