雙通道音量調(diào)節(jié)及電平指示模塊設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

羅純哲，李探元

(91245部隊(duì)，遼寧 葫蘆島125001)

在有線語音指揮調(diào)度系統(tǒng)模擬揚(yáng)聲單機(jī)中需要對收發(fā)通道音量進(jìn)行調(diào)節(jié)和電平指示，傳統(tǒng)方法采用機(jī)械電位器和電平指示專用集成電路實(shí)現(xiàn)，存在硬件組成復(fù)雜、占用安裝空間大、抗干擾能力和可靠性差等不足。本方案以宏晶公司生產(chǎn)的新型1T高速單片機(jī)STC12C5A60S2為核心，利用片內(nèi)豐富的A/D資源和I/O口，通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了雙通道音量程控調(diào)節(jié)和峰值電平的動態(tài)顯示，具有硬件電路簡單、顯示效果調(diào)整靈活和調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計框圖

總體設(shè)計框圖如圖1所示，以單片機(jī)STC12C5A60S2為控制核心，接受音量調(diào)節(jié)按鍵指令，顯示音量設(shè)置值，通過軟件模擬I2C總線控制音量調(diào)節(jié)數(shù)字電位計，實(shí)現(xiàn)雙通道音量調(diào)節(jié)；通過A/D轉(zhuǎn)換口對峰值檢波器輸出的峰值電平值進(jìn)行采樣、計算、處理，并通過 P0、P1口直接驅(qū)動LED發(fā)光條進(jìn)行峰值電平動態(tài)顯示。

1.2 硬件設(shè)計

模塊硬件組成主要包括電源、峰值檢波器、微控制器、數(shù)字電位器、按鍵及顯示單元等。

1.2.1 電源

外部輸入的 9～12 V直流電源，通過高性能、低功耗AS1117線性穩(wěn)壓電源模塊轉(zhuǎn)換為+5 V直流電源，并增加輸入輸出高頻濾波電路，使輸出紋波電壓進(jìn)一步減小，電壓輸出幅度穩(wěn)定，滿足模塊供電要求。

1.2.2 峰值檢波器

為了能夠?qū)崟r采集到音頻信號的峰值電平，需要對輸入的音頻信號進(jìn)行峰值檢波。圖2為峰值檢波單元電路原理圖。電路采用一片NE5532低噪聲雙運(yùn)放輔以二極管、電阻、電容等元件構(gòu)成正峰值檢波器，圖中 R1、R2為運(yùn)放IC1A的偏置電阻，使運(yùn)放正輸入端偏置于2.5 V，保證運(yùn)放在單電源下正常工作，C4為峰值保持電容，R3為放電電阻，改變R3可以調(diào)節(jié)峰值保持時間，運(yùn)放IC1B為輸出緩沖器，緩沖器輸出電壓減去2.5 V偏置電壓即可得到輸入音頻信號的峰值電壓。

1.2.3 微控制器

微控制器采用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1 T)的單片機(jī) STC12C5A60S2，它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，但速度快8～12倍[1]。最高工作頻率可達(dá) 35 MHz，具有44個I/O口，每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)20 mA，內(nèi)部還集成有MAX810專用復(fù)位電路，512 B的E2PROM，1 280 B的 RAM，60 KB程序存儲器，2路 PWM，8路 10位高速 A/D（250 kS/s），主要針對電機(jī)控制等強(qiáng)干擾應(yīng)用。另外還具有ISP（在系統(tǒng)可編程）/IPA（在應(yīng)用可編程）功能，無需專用編程器和仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，方便軟件下載和調(diào)試。

本方案中，為了簡化硬件，STC12C5A60S2單片機(jī)采用內(nèi)部 R/C振蕩器，2路音頻峰值電壓通過 P1.0、P1.1口輸入進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換和采樣；用P1.2、P1.3軟件模擬I2C總線，通過I2C總線控制數(shù)字電位器X9241調(diào)節(jié)通道音量；音量調(diào)節(jié)加減按鍵通過P1.4～P1.7輸入；設(shè)置音量和峰值電平通過P0、P2口直接驅(qū)動2個8位LED柱形發(fā)光條進(jìn)行顯示。

1.2.4 數(shù)字電位器

音量調(diào)節(jié)單元采用Intersil公司生產(chǎn)的X9221A數(shù)字電位器，X9221A采用CMOS工藝，內(nèi)部設(shè)有2個獨(dú)立的三端10 kΩ數(shù)字電位器，而且?guī)в蟹且资源鎯ζ鱁2PROM，能在設(shè)備掉電時自動存儲滑動端設(shè)定值，擦寫次數(shù)10萬次，保存期可達(dá)100年[2]。X9221A內(nèi)部每個數(shù)字電位器的滑動端抽頭數(shù)為64，總電阻值為10 kΩ，每次調(diào)節(jié)的電阻值為 10 kΩ/64，范圍為 0～10 kΩ，電阻呈線性變化。與傳統(tǒng)機(jī)械電位器相比，數(shù)字電位器具有程控調(diào)節(jié)的功能，滑動端非接觸，因此壽命長，不受震動影響，而且體積小，易于裝配和節(jié)省空間。

本方案中，單片機(jī)通過P1.0、P1.1口軟件模擬I2C總線與X9221A進(jìn)行通信，控制和調(diào)節(jié)數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)雙通道音量64級程控調(diào)節(jié)功能。

1.2.5 按鍵及顯示單元

每個通道分別設(shè)有音量加減按鍵，共計4個。顯示單元采用2個10位LED柱形發(fā)光條，最低位用于電源狀態(tài)指示，最高位用作音量設(shè)置狀態(tài)指示，中間8位用于音量設(shè)置值及峰值電平動態(tài)顯示。

1.3 軟件設(shè)計

STC12C5A60S2單片機(jī)軟件在Keil集成開發(fā)環(huán)境下，采用匯編語言對其編程，目標(biāo)代碼利用STC提供的ISP下載工具STC-ISP.EXE通過串口下載到單片機(jī)，下載和調(diào)試非常方便。

1.3.1 主程序模塊

主程序模塊通過查詢方式完成雙通道音量設(shè)置和峰值電平的計算和顯示，流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

1.3.2 T0中斷服務(wù)程序模塊

主要完成音頻峰值采樣定時、音量設(shè)置狀態(tài)延時、峰值電平顯示周期定時、雙通道峰值電壓的A/D轉(zhuǎn)換、最大值比較和提取工作，程序流程圖如圖4所示。在音量設(shè)置狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)設(shè)置狀態(tài)延時保持，設(shè)定延時時間到后，自動轉(zhuǎn)入電平顯示狀態(tài)。在電平顯示狀態(tài)下，每次中斷都對雙通道峰值電壓進(jìn)行A/D采樣，比較前后兩次采樣值提取最大值，得到顯示周期內(nèi)音頻峰值最大值并保存，用于音頻峰值電平的計算和顯示。通過修改中斷次數(shù)比較初值，可以方便地調(diào)節(jié)音量設(shè)置狀態(tài)保持時間，也可以方便地調(diào)節(jié)峰值電平顯示周期，以找到符合人的心理學(xué)中視覺聽覺聯(lián)合感受[3]的顯示周期。

圖4 T0中斷服務(wù)程序流程圖

1.3.3 峰值電平計算及顯示模塊

主要完成峰值電壓—峰值電壓電平轉(zhuǎn)換及顯示數(shù)據(jù)計算、動態(tài)更新和顯示。

電路中某測試電壓與標(biāo)準(zhǔn)比較電壓0.775 V之比取常用對數(shù)的 20倍稱為電壓電平[4]，單位為 dBu，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

Lu=20lg（U/0.775）

其中，Lu為電壓電平，單位為 dBu；U為峰值電壓，單位為V。

峰值電壓－峰值電壓電平轉(zhuǎn)換及LED顯示對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 峰值電壓－峰值電壓電平轉(zhuǎn)換及LED顯示對應(yīng)關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了調(diào)試方便，通過電腦媒體播放器連續(xù)播放語音和音樂，電腦輸出音頻信號輸入到模塊音頻輸入端，模塊音頻輸出端接電腦有源音箱的輸入，通過模塊音量調(diào)節(jié)按鍵調(diào)節(jié)雙通道輸出音量，根據(jù)音箱發(fā)出聲音大小判斷音量調(diào)節(jié)是否正確。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模塊雙通道音量調(diào)節(jié)功能正確可靠。通過改變電平顯示周期觀察電平動態(tài)顯示效果，調(diào)試發(fā)現(xiàn)：顯示周期越短，顯示的電平變化幅度大而且快速，視覺感受相對于聽覺感受滯后小，但因顯示變化速度太快，視覺上有閃爍感；隨著顯示周期的延長，顯示的電平變化幅度變小，視覺感受相對于聽覺感受滯后變大，視覺聽覺同步感變差，但視覺感受變好，沒有明顯的閃爍感。通過調(diào)試驗(yàn)證，電平顯示周期在20 ms～80 ms范圍內(nèi)選取，可得到較好的顯示效果。

本文根據(jù)某有線指揮調(diào)度系統(tǒng)模擬揚(yáng)聲單機(jī)研制需要，設(shè)計了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的雙通道音量調(diào)節(jié)和電平指示模塊方案，并制作實(shí)物進(jìn)行了調(diào)試和驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，方案設(shè)計合理可行，研制的模塊實(shí)物體積小、成本低、操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)，具有較高的性價比和使用價值。

[1]STC12C5A60S2中文手冊完全版[OL].[2011-01-15].http：//www.stcmcu.com.

[2]Intersil.X9221 a double digital controlled potentionmeters data sheet[S].2007.

[3]唐偉.解讀 VU 電平表[J].音響技術(shù)，2008(7)：62-64.

[4]丁光亮，楚紀(jì)正，王琦.數(shù)字信號音頻電平的算法研究[J].通信技術(shù)，2010，43(7)：150-153.