實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)一、項(xiàng)目概述1.1引言隨著工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、城市建筑的發(fā)展，以及人口密度的增加，家庭設(shè)施（音響、空調(diào)、電視機(jī)等）的增多，環(huán)境噪聲日益嚴(yán)重，它已成為污染人類社會(huì)環(huán)境的一大公害。因此環(huán)境噪聲的監(jiān)測已經(jīng)成為人們密切關(guān)注的問題。實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀是對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行測量分析的必備設(shè)備，是從事專業(yè)噪聲監(jiān)測、音頻信號(hào)的研究應(yīng)用的常用工具，應(yīng)用十分廣泛。傳統(tǒng)的模擬音頻頻譜分析儀有明顯的缺點(diǎn)，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，而且體積較大，攜帶不方便，不能在復(fù)雜的噪聲現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量，因此無法滿足現(xiàn)代環(huán)境噪聲測量的要求。基于快速傅里葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運(yùn)算將被測信號(hào)分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)輸入信號(hào)取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖，實(shí)現(xiàn)音頻的頻譜分析。1.2項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)本項(xiàng)目采用的AVREVK1105開發(fā)套件基于AT32UC3A0512微控制器，它內(nèi)置硬件乘法器，支持DSP指令集，64KSRAM，具有強(qiáng)大的定點(diǎn)運(yùn)算能力，因此完全可以達(dá)到數(shù)字信號(hào)處理中的數(shù)據(jù)運(yùn)算要求；而且AVREVK1105開發(fā)套件上配置有TLV320AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼芯片，支持MIC和LINEIN兩種輸入方式，而且對(duì)輸入和輸出都具有可編程調(diào)節(jié)增益，集成模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）部件，可在8K到96K的頻率范圍內(nèi)提供16bit的采樣，能夠達(dá)到較高的數(shù)據(jù)采樣精度；QVGA（320*240）全彩色LCD顯示屏能夠很好的實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的波形圖和頻譜圖的顯示以及良好的用戶界面。因此本項(xiàng)目充分利用AVREVK1105開發(fā)套件提供的軟硬件資源，采用數(shù)字信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于Wi-Fi控制的實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀。該實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀采用數(shù)字的方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）獲取采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用FIR數(shù)字濾波算法以及FFT算法得到實(shí)時(shí)噪聲信號(hào)的頻譜分布圖，同時(shí)計(jì)算出噪聲的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)噪聲的測量與分析。該噪聲頻譜儀可以獲得良好的線性度和高分辨率，而且增加Wi-Fi無線控制模塊，能完成復(fù)雜的噪聲現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室無人環(huán)境的噪聲測量任務(wù)。設(shè)備體積小，操作簡單，便于攜帶使用。二、需求分析2.1功能要求1）、實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入噪聲信號(hào)的參數(shù)測量功能：a）顯示噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)波形圖；b）顯示實(shí)時(shí)噪聲信號(hào)的倍頻程、1/3倍頻程頻譜圖；c）測量實(shí)時(shí)噪聲信號(hào)的相關(guān)參數(shù)：?基于A、C、Z加權(quán)的噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)別Lp；?最大，最小聲壓級(jí)別測量（A、C加權(quán)）、峰值聲壓級(jí)別（C加權(quán)）、等效連續(xù)聲壓級(jí)別Leq（A、C加權(quán)）；?噪聲信號(hào)累計(jì)百分n聲級(jí)Ln（A、C加權(quán)）；2）、基于Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)無人環(huán)境下的噪聲測量；3）、SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放功能；4）、校準(zhǔn)：聲校準(zhǔn)，利用聲校準(zhǔn)器校準(zhǔn)。2.2性能要求（1）測量范圍：30~120dB;（2）倍頻程帶寬：31.5~16KHz;（3）1/3倍頻程帶寬：20Hz~20KHz;（4）頻率分辨率：20Hz;三、方案設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理本系統(tǒng)主要采用AVREVK1105開發(fā)板上的音頻數(shù)據(jù)輸入接口或者麥克風(fēng)獲取噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)，并使用開發(fā)板上的TVL3230AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼器芯片實(shí)現(xiàn)16位的A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并運(yùn)用AT32UC3A0512的DSP指令集實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波、FFT算法，得到音頻信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，并實(shí)時(shí)的在開發(fā)板上的全彩色LCD屏上顯示噪聲信號(hào)的波形圖、頻譜圖以及相關(guān)參數(shù)的數(shù)值。也可以將采集的數(shù)據(jù)通過開發(fā)板上的SD卡插槽存儲(chǔ)到SD卡中，以備后續(xù)數(shù)據(jù)回放、分析使用。該系統(tǒng)還支持基于Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制操作，如測量參數(shù)設(shè)置、測量開始、停止等命令，實(shí)現(xiàn)無人環(huán)境下的噪聲參數(shù)的測量。從而完成噪聲信號(hào)的監(jiān)測、分析功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框