蔡成濤,付承濤,劉 祥

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,哈爾濱 150001;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第703研究所,哈爾濱 150078)

嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

蔡成濤1*,付承濤1,劉 祥2

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,哈爾濱 150001;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第703研究所,哈爾濱 150078)

介紹了一種基于ATmega128單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674的嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)ATmega128單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674特點(diǎn)和工作原理的分析,設(shè)計(jì)了嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案,深入討論了聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)前端采集、模擬放大、A/D轉(zhuǎn)換以及與ATmega128單片機(jī)接口技術(shù)的設(shè)計(jì)。通過(guò)串口接口將單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行顯示,并可以在線修改系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)值。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,所設(shè)計(jì)的嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

嵌入式;聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng);ATmega128;AD1674

采集和分析處理聲音信號(hào)是工程應(yīng)用中經(jīng)常需要解決的問(wèn)題。如何采集聲音信號(hào)并利用其監(jiān)控某一區(qū)域的聲強(qiáng)變化在科學(xué)研究中是一項(xiàng)非常有意義的工作。采集聲音信號(hào)來(lái)監(jiān)控聲強(qiáng)是運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理的方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的實(shí)時(shí)聲音信號(hào)進(jìn)行分析,為現(xiàn)場(chǎng)狀況的預(yù)測(cè)提供精確的數(shù)據(jù)分析依據(jù),可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用ATmega128單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674設(shè)計(jì)一套嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)硬件采集電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,集成度不高的缺陷,同時(shí)設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)操作界面與硬件采集系統(tǒng)互相通信功能,控制命令可以實(shí)時(shí)修改監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控指標(biāo),使每次修改監(jiān)控指標(biāo)都不需要重新下載程序,簡(jiǎn)化了操作。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既可以應(yīng)用在對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行聲強(qiáng)監(jiān)控,也可以作為高檔聲控設(shè)備使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用于對(duì)周圍環(huán)境聲音信號(hào)的聲強(qiáng)進(jìn)行監(jiān)控。考慮到人類能夠聽到的聲音信號(hào)一般是在20 μHz～20 kHz范圍內(nèi)的模擬信號(hào)[1],不便于直接觀察和分析,故系統(tǒng)需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成我們可以進(jìn)行分析和計(jì)算的數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)分貝值范圍在0～110 dB的聲強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警動(dòng)作;對(duì)聲音信號(hào)采樣頻率大于50 kHz,信號(hào)傳輸波特率為9 600。設(shè)計(jì)首先采用聲音傳感器和信號(hào)調(diào)理器對(duì)周圍環(huán)境的聲音信號(hào)進(jìn)行拾取和信號(hào)調(diào)理。經(jīng)過(guò)調(diào)理的聲音信號(hào)電壓通常為毫伏級(jí),需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬放大、隔直和阻抗匹配處理后送入A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其次,ATmega128單片機(jī)不斷讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。每讀取100個(gè)數(shù)據(jù),將其計(jì)算出聲強(qiáng)值并判斷是否超過(guò)預(yù)設(shè)限定值,如果超限則通過(guò)RS-422串口通信發(fā)送超限標(biāo)志位。同時(shí),系統(tǒng)設(shè)置的監(jiān)控操作軟件可以實(shí)時(shí)查詢當(dāng)前聲強(qiáng)值,并可以對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 前端采集

系統(tǒng)對(duì)聲音信號(hào)的前端采集主要通過(guò)聲音傳感器和信號(hào)調(diào)理器來(lái)完成。

本系統(tǒng)的傳聲器采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MPA231型傳聲器。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。傳聲器MPA231的特點(diǎn)為集合了1/2英寸預(yù)極化駐極體測(cè)量傳聲器與前置放大器,可以進(jìn)行多路與長(zhǎng)距離測(cè)量,極大地拓展了測(cè)量范圍;頻率響應(yīng)范圍20 Hz～20 kHz;工作溫度范圍-40 ℃～100 ℃,寬范圍的工作溫度可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下對(duì)周圍聲音信號(hào)進(jìn)行采集。

經(jīng)過(guò)傳聲器采集的信號(hào)不能直接進(jìn)入放大電路處理,還需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。這里采用該公司生產(chǎn)的MC102型信號(hào)調(diào)理器。信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后送入模擬放大電路模塊。

2.2 模擬放大

系統(tǒng)模擬放大部分電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模擬放大部分電路圖

圖2為系統(tǒng)模擬放大電路。首先,運(yùn)放器件的選擇對(duì)模擬放大電路非常關(guān)鍵,這里選用OP07運(yùn)放芯片。OP07運(yùn)放芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低、開環(huán)增益高的特點(diǎn)使其特別適用于放大傳感器的微弱信號(hào)。

其次,圖2中(a)所示為模擬放大電路。運(yùn)放U8、U9構(gòu)成差模輸入和差模輸出的交叉耦合前置放大電路。采用同相差分輸入方式,同相輸入可以大幅度提高電路的輸入阻抗,減小電路對(duì)微弱輸入信號(hào)的衰減。差分輸入可以使電路只對(duì)差模信號(hào)放大,而對(duì)共模輸入信號(hào)只起跟隨作用,使得送到后級(jí)的差模信號(hào)與共模信號(hào)的幅值之比得到提高。這樣會(huì)使以運(yùn)放U10為核心部件組成的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。

此外,進(jìn)入模擬放大部分的信號(hào)是雙極性的,這里采用運(yùn)放雙電源技術(shù),保證信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后的周期完整性。

最后,放大后的信號(hào)需要進(jìn)行隔直(圖2中(b)所示)和阻抗匹配(圖2中(c)所示)處理才能送入A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。隔直處理采用RC構(gòu)成的一階高通濾波器實(shí)現(xiàn)。阻抗匹配處理采用運(yùn)算放大器連接的電壓跟隨器,因?yàn)槠漭斎胱杩狗浅４?不會(huì)影響連接在其前面的電路,而輸出阻抗非常小,有足夠的能力驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路,使前一級(jí)的信號(hào)能最大功率的傳輸?shù)胶笠患?jí)。

圖2所示系統(tǒng)模擬放大電路的放大倍數(shù)計(jì)算方法如下:

(1)

經(jīng)式(1)計(jì)算得:

(2)

這里取R16=51 kΩ,代入式(2),可以計(jì)算出模擬放大電路的放大倍數(shù)為60倍,確保采集模擬數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)測(cè)量范圍的要求。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換與接口通信硬件電路圖

2.3 AD轉(zhuǎn)換與接口通信電路

圖3給出了A/D轉(zhuǎn)換與接口通信的硬件電路圖。ATmega128單片機(jī)外圍和接口電路如圖3中(a)部分所示。ATmega128是一款具有高性能、低功耗的AVR 8位處理器,運(yùn)算能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快[2]。外圍電路設(shè)計(jì)用MAX809復(fù)位芯片搭建一個(gè)上電復(fù)位電路,提高系統(tǒng)可靠性,單片機(jī)電路加入退耦電容濾波去除干擾。程序通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口進(jìn)行下載和在線調(diào)試。

ATmega128單片機(jī)接口電路主要功能是讀取AD1674轉(zhuǎn)換完成的聲音信號(hào)電壓值,將電壓值通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換成聲強(qiáng)值。數(shù)據(jù)通信主要通過(guò)數(shù)據(jù)線DB0～DB11完成。這里需要注意的是DB0～DB3數(shù)據(jù)線要分別與DB8～DB11并聯(lián),否則極易損壞芯片,而且得不到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

串口通信選用RS-422通信方式。RS-422使用差分信號(hào),具有更好的抗噪性和更遠(yuǎn)的傳輸距離的優(yōu)點(diǎn)。RS-422串口通信電路如圖3中(b)部分所示。

圖3中(c)部分為A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路的核心是A/D轉(zhuǎn)換芯片,這里選用AD1674。A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674是美國(guó)AD公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換單片集成電路。采樣頻率高達(dá)100 kHz,內(nèi)部集成采樣保持器,保證數(shù)據(jù)傳送的準(zhǔn)確性。根據(jù)采樣定理,AD1674的采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要采集聲音信號(hào)頻率的2倍,完全滿足系統(tǒng)對(duì)采樣頻率的要求。其工作模式可分為全控模式和獨(dú)立模式。這里采用全控工作模式[3]。通過(guò)圖3中(c)部分可以看到,AD1674有5根控制線,分別是:12/8、CS、A0、R/C、和CE。使用單次轉(zhuǎn)換模式采樣時(shí)首先需要將片選信號(hào)CS置低,選中芯片,然后分別置低R/C和A0信號(hào)線,選擇12位轉(zhuǎn)換模式,最后將CE信號(hào)置高使能芯片,開啟A/D轉(zhuǎn)換。讀取數(shù)據(jù)時(shí)由于單片機(jī)是8位數(shù)據(jù)總線接口,所以數(shù)據(jù)的讀取需要分兩次進(jìn)行。在讀取操作之前首先置低CE信號(hào),關(guān)閉芯片使能,然后將R/C信號(hào)置高、CE信號(hào)置高使能讀操作,讀取高8位數(shù)據(jù),然后保持R/C和CE信號(hào),將A0信號(hào)置高讀取低4位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取完成后將A0和CE信號(hào)置低,CS信號(hào)置高等待下一次采樣開始[4]。此外,由于AD1674芯片分別與模擬電路和數(shù)字電路相連,模擬電路與數(shù)字電路共地則會(huì)相互產(chǎn)生干擾。這里采用模擬地與數(shù)字地隔離技術(shù),實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地,確保地線不干擾,不產(chǎn)生壓差。

圖3中(d)部分是系統(tǒng)的無(wú)源觸點(diǎn)輸出部分,當(dāng)聲強(qiáng)分貝值超過(guò)某一預(yù)定的閾值時(shí),單片機(jī)控制繼電器線圈得電吸合,接通A、B兩點(diǎn),完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件

系統(tǒng)的軟件調(diào)試部分采用C語(yǔ)言編寫程序,選用AVR Studio軟件進(jìn)行程序下載。由于AVR Studio支持匯編語(yǔ)言編譯,不支持C語(yǔ)言編譯,因此需要先用ICC AVR軟件編寫C語(yǔ)言并進(jìn)行編譯,然后使用AVR Studio打開編譯生成的*.cof文件,進(jìn)行程序的仿真調(diào)試,或者直接用AVR Studio將編譯好的*.hex文件下載到目標(biāo)板里。

ATmega128單片機(jī)采用查詢方式判斷STS引腳狀態(tài)判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成。具體編程思路是:單片機(jī)上電,系統(tǒng)進(jìn)行初始化,循環(huán)程序不斷檢測(cè)STS引腳的電平,一旦A/D轉(zhuǎn)換完成,單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),并將其存儲(chǔ)在數(shù)組當(dāng)中,同時(shí)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按順序依次標(biāo)識(shí)。單片機(jī)每采集100個(gè)數(shù)據(jù)后對(duì)存儲(chǔ)在數(shù)組內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并做均方根運(yùn)算,然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成聲音分貝值并與設(shè)定限值進(jìn)行比較,超限則發(fā)送報(bào)警標(biāo)志位,同時(shí)判斷是否有查詢指令查詢當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)值。每當(dāng)一次判斷完畢,程序清除存儲(chǔ)在數(shù)組中的數(shù)據(jù)值、清零數(shù)據(jù)順序標(biāo)識(shí)并進(jìn)行下一次處理。修改、讀取系統(tǒng)參數(shù)值分別通過(guò)寫、讀單片機(jī)內(nèi)的EEPROM完成。下位機(jī)軟件處理流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件

嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件部分采用VC++語(yǔ)言編寫,用來(lái)查詢下位機(jī)通過(guò)RS-422串口傳送上來(lái)的數(shù)據(jù),同時(shí)根據(jù)不同監(jiān)控任務(wù)實(shí)時(shí)對(duì)下位機(jī)監(jiān)控參數(shù)值做出相應(yīng)的修改。聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)測(cè)試程序界面如圖5所示。

從圖5可以直接讀出所監(jiān)控區(qū)域的聲強(qiáng)分貝值,聲強(qiáng)值連續(xù)超限時(shí)標(biāo)志位的發(fā)送時(shí)間間隔,以及設(shè)定的聲強(qiáng)閾值。同時(shí)可以在線修改聲強(qiáng)閾值和超限標(biāo)志位發(fā)送時(shí)間間隔。

圖4 下位機(jī)軟件處理流程圖

圖5 聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)測(cè)試程序界面

4 試驗(yàn)及結(jié)果

本系統(tǒng)試驗(yàn)采用一個(gè)恒定值的聲強(qiáng)校準(zhǔn)器對(duì)嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。聲強(qiáng)校準(zhǔn)器采用94 dB恒定值,頻率為1 000 Hz。數(shù)據(jù)處理采用每采集到100個(gè)數(shù)據(jù),將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)均方根處理后計(jì)算出實(shí)際電壓值,按照式(3)和式(4)轉(zhuǎn)換成聲強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)(傳感器部分將采集到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成46.8 mV/Pa的電壓值)。

P=x/46.8

(3)

式中:x表示采集到的電壓值(單位:mV),P表示壓強(qiáng)(單位:Pa)

dB=20lg(P/P0)

(4)

式中:P0為常數(shù)(值為20×10-6Pa)

通過(guò)示波器可以看到通過(guò)前端采集采集到的聲強(qiáng)校準(zhǔn)器本身產(chǎn)生的波形和將其接入系統(tǒng)后經(jīng)過(guò)模擬放大后的波形分別如圖6和圖7所示。

圖6 前端采集到的聲強(qiáng)校準(zhǔn)器的波形

圖7 經(jīng)過(guò)模擬放大后的波形

根據(jù)圖7所示采集到的電壓值是2.99 V,由于前面搭建的運(yùn)放經(jīng)實(shí)際測(cè)得的放大倍數(shù)是58倍,可以計(jì)算出采集到的實(shí)際電壓值為2.99 V/58=51.55 mV。根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算得分貝數(shù)為94.81 dB,誤差符合要求。系統(tǒng)可以在諸多分貝檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)中得到應(yīng)用。系統(tǒng)應(yīng)用圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)應(yīng)用圖

為了檢驗(yàn)A/D轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性,這里將1 ms內(nèi)通過(guò)A/D采集到的數(shù)據(jù)保存下來(lái),通過(guò)MATLAB軟件將數(shù)據(jù)繪制成曲線。繪制的曲線圖如圖9所示。

圖9 通過(guò)MATLAB繪制的曲線圖

通過(guò)MATLAB繪制的曲線圖我們可以看到經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)繪制的曲線與通過(guò)示波器監(jiān)測(cè)到的波形相符合,所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于ATmega128單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674的嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)?；贏TMEGA128單片機(jī)在低功耗和處理速度方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及AD1674芯片采樣頻率高、轉(zhuǎn)換精度高等特點(diǎn),完成了嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),并對(duì)系統(tǒng)外圍電路和接口電路進(jìn)行了詳細(xì)闡述,給出了上、下位機(jī)軟件部分的編程思路。設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)與上位機(jī)操作界面互相通信功能使使用者通過(guò)操作界面就可以實(shí)時(shí)查詢監(jiān)控區(qū)域聲強(qiáng)值以及對(duì)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行修改。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)的嵌入式聲強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

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DesignofEmbeddedSoundIntensityMonitoringSystem*

CAIChengtao1*,FUChengtao1,LIUXiang2

(1.College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.No.703 Research Institute,China Shipbuilding Industry Corporation,Harbin 150078,China)

A kind of embedded sound intensity monitoring system is introduced based on ATmega128 single-chip microcomputer and A/D conversion chip AD1674. The overall scheme of embedded sound intensity monitoring system is designd based on ATmega128 single-chip microcomputer and A/D conversion chip AD1674 characteristics and working principle analysis,the sound intensity monitoring system front-end acquisition,analog amplifier,A/D conversion and the design with ATmega128 single-chip microcomputer interface technology are deeply discussed. Processed data will be transmitted via a serial port interface to host computer for display,and can be modified online system monitoring parameter values. Finally through the test,the design of the embedded monitoring system to collect sound intensity shows its simple operation,stable and reliable.

embedded;sound intensity monitoring system;ATmega128;AD1674

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.032

2016-09-02修改日期2016-10-20

TP13

A

1005-9490(2017)05-1219-05

蔡成濤(1980-)男,漢族,河南開封人,哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,副教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橹悄芟到y(tǒng),caichengtao@163.com。