戚桂東 李品斌 龐文茂 陳天江

（1.廣西廣播電視技術(shù)中心玉林分中心；2.廣西廣播電視技術(shù)中心貴港分中心）

一、引言

目前在貴港轉(zhuǎn)播臺值班房，值班員通常使用收音機監(jiān)聽臺站發(fā)射的廣播節(jié)目?，F(xiàn)臺站同時發(fā)射5套調(diào)頻廣播節(jié)目，由于多套節(jié)目的聲音混淆在一起，因此不容易分辨每套節(jié)目是否正常。為保證安播，機房值班人員提出能否將廣播節(jié)目音頻在電視墻顯示監(jiān)看的想法。鑒于目前市場上類似的設(shè)備較少，較難采購功能符合需求的設(shè)備，因此本文使用STM32單片機作用主控，設(shè)計了一套廣播音頻可視化顯示方案。將多路模擬廣播節(jié)目音頻電壓信號通過VGA接口，接顯示器在電視墻上進行可視化監(jiān)看。實現(xiàn)了當值班員在監(jiān)視電視節(jié)目時，也可以同時監(jiān)視多路廣播節(jié)目是否正常，較有效提高了臺站廣播節(jié)目的安全播出效果。

二、整體方案設(shè)計

本方案的整體設(shè)計框圖如圖1所示。前端使用廣播調(diào)諧器或收音頭接收臺站發(fā)射的5套廣播節(jié)目，解調(diào)輸出的左、右聲道，共10路模擬音頻電壓信號，輸入信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路主要作用是把信號調(diào)整到0V-3.3V之間（即單片機的A/D采樣電壓范圍內(nèi)）。然后分別輸入到STM32單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC通道1至通道10。單片機的ADC工作于掃描模式，對10個ADC通道進行輪詢掃描轉(zhuǎn)換。為提高效率，使用單片機的DMA控制器，將ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果傳到RAM中，以便軟件調(diào)用。

Micro SD卡主要作用是存儲背景圖片和字庫數(shù)據(jù)，單片機完成ADC數(shù)據(jù)處理后，單片機通過內(nèi)部靜態(tài)存儲控制器（FSMC），控制16位并行數(shù)據(jù)總線把要顯示的圖像像素RGB數(shù)據(jù)，寫入到VGA顯卡的顯存里。VGA顯卡自動完成讀取顯存內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，并經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬RGB信號，加入VGA控制時序信號，輸出到VGA接口，實現(xiàn)顯示器實時顯示5套廣播音頻信號的功能。

圖1 整體方案示意圖

三、硬件設(shè)計

（一）單片機與ADC引腳分配

根據(jù)系統(tǒng)要求，STM32F系列是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM微控制器，芯片具有16個ADC輸入引腳，同時具有靜態(tài)存儲控制器（FSMC），可以快速對外部的SRAM，NAND FLASH，NOR FLASH和PSRAM等存儲器進行快速讀寫。因此選擇ST公司的STM32F103單片機作為主控MCU。根據(jù)單片機數(shù)據(jù)手冊上的引腳功能表，找出ADC1的IN0-IN9引腳，設(shè)置為對音頻信號采樣的輸入引腳。

（二）VGA顯卡與單片機接口設(shè)計

VGA顯卡采用ALIENTEK STM32 VGA顯示驅(qū)動模塊，如圖2所示。該模塊基于FPGA和SDRAM實現(xiàn)，可以設(shè)置多種顯示分辨率和刷新率，集成32MB顯存，VGA信號輸出，適合帶有VGA接口的液晶顯示器。VGA顯卡與單片機接口是標準的Inter8080接口，符合STM32單片機的FSMC讀寫模式要求，通過FSMC模塊能方便地對屏幕任意像素進行讀寫操作。VGA顯卡對單片機的功能引腳，主要包括讀寫控制功能CE（片選）、A0（地址線）、WE（寫信號）、OE（讀信號）和16位并行數(shù)據(jù)總線D0-D15。方案設(shè)計時，以上功能分別接到STM32單片機FSMC 模塊對應(yīng)的引腳上：FSMC_NE4（片選）、FSMC_A10（地址線）、FSMC_NEW（寫信號）、FSMC_NOE（讀信號）和FSMC_D0-FSMC_D15（16位并行數(shù)據(jù)總線）。

圖2 VGA顯卡接口信號說明

（三）信號調(diào)理與Micro SD卡接口電路

在本方案中，信號調(diào)理電路的主要作用有兩個：1、電平轉(zhuǎn)換，將交流的音頻信號電平抬升，變成0V以上的大小變化的直流電平，這樣單片機的ADC才能完成對音頻信號的采樣；2、電平限幅，將轉(zhuǎn)換后的音頻信號電平限制在0V-3.3V之間，即在單片機ADC的采樣電壓輸入范圍內(nèi)，防止電壓過高損壞器件。

設(shè)計的信號調(diào)理電路如圖3所示，輸入的音頻信號經(jīng)過電位器R1的衰減，通過電容C1，輸入放大位數(shù)為1倍的運放NE5532的反相輸入端。運放正相輸入端電壓是由5V經(jīng)R2和R5分壓的電壓，約為3.3V。根據(jù)運放“虛短”原理，反相輸入端電壓也約為3.3V。在運放的輸出端，音頻信號的基準電平就由0V提升到了3.3V。輸出的音頻信號經(jīng)R6和R7分壓，形成以約1.65V為電平基準的音頻信號。后面再由一個3.3V的穩(wěn)壓二極管D1限幅，可確保音頻信號電壓在單片機的ADC輸入范圍內(nèi)。當輸入的音頻信號幅度過大時，通過調(diào)節(jié)電位器R1對信號進行衰減，使輸出信號動態(tài)范圍在0-3.3V內(nèi)。

Micro SD卡主要功能是存儲背景圖片數(shù)據(jù)和中文字庫數(shù)據(jù)，以供單片機讀取并調(diào)用顯示。Micro SD卡和單片機通信有兩種方式：第一種是SD模式；第二種是SPI模式。為加快讀寫速度，本設(shè)計中采用的是SD模式，單片機用SDIO方式與SD卡通信,設(shè)計的接口電路如圖3所示。

四、軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)開始工作時，先對系統(tǒng)時鐘、ADC等模塊進行初始化，并啟動ADC轉(zhuǎn)換；然后VGA顯卡開始進行初始化，設(shè)置顯示分辨率，刷新率等信息，主要包括兩個部分：1，對顯卡接口的I/O口進行配置；2，對STM32的靜態(tài)存儲控制器（FSMC）功能進行配置，配置FSMC工作模式和總線時序，使總線時序滿足VGA顯卡的時序要求；最后Micro SD卡進行初始化配置，并運行文件管理系統(tǒng)。系統(tǒng)完成以上工作后，單片機從Micro SD卡讀取背景圖片數(shù)據(jù)，寫入顯存中并發(fā)送開啟VGA顯示命令，此時顯示器開始顯示背景圖片。

圖3 信號調(diào)理與Micro SD卡接口電路

圖4 軟件流程圖

圖5 設(shè)計的背景圖片與顯示效果圖

系統(tǒng)完成以上初始化操作后，開始進入正式工作流程。首先使用輪詢方式讀取10個ADC通道的結(jié)果數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成0V-3.3V的音頻信號電壓值。為了加快處理顯示速度，將顯示的圖形長度均勻量化為20等分，分別對應(yīng)0V-3.3V電壓值，通過查表方式查找需要顯示的圖形長度。當音頻電壓為0V時，顯示圖形為20格白色矩形，即無顯示；當音頻電壓為3.3V時，顯示圖形為20格紅色或藍色矩形，即滿格顯示；當音頻電壓在0V-3.3V之間變化時，顯示長度隨音頻電壓變化而變化的音量圖形。

根據(jù)設(shè)置的屏幕分辨率和背景圖像數(shù)據(jù)，分別計算音量圖形顯示位置的坐標值。然后將各路音量圖形數(shù)據(jù)分別寫入對應(yīng)坐標值的顯存中，由VGA顯卡自動完成顯示。系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理和顯示后，再開始下一輪的數(shù)據(jù)讀取、處理和顯示，形成一個周期循環(huán)。根據(jù)單片機的處理速度和實際的圖像顯示效果，還可以通過增加圖形量化極數(shù)或加入ADC采樣平均值算法，使顯示的圖像變化平滑。整個系統(tǒng)設(shè)計的顯示效果圖如圖5所示。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計僅為拋磚引玉，為嵌入式系統(tǒng)的VGA接口設(shè)計提供了一種較便捷的開發(fā)思路。旨在利用電子和計算機技術(shù)，解決廣播節(jié)目自臺監(jiān)控中出現(xiàn)的實際需求問題。系統(tǒng)后期還可以通過軟硬件升級，增加音頻監(jiān)測報警功能。實時監(jiān)測每個廣播節(jié)目音頻是否正常。從而形成一套簡單的自臺廣播節(jié)目音頻監(jiān)測設(shè)備。