嵌入式聲強監控系統設計*

蔡成濤,付承濤,劉 祥

(1.哈爾濱工程大學 自動化學院,哈爾濱 150001;2.中國船舶重工集團公司第703研究所,哈爾濱 150078)

嵌入式聲強監控系統設計*

蔡成濤1*,付承濤1,劉 祥2

(1.哈爾濱工程大學 自動化學院,哈爾濱 150001;2.中國船舶重工集團公司第703研究所,哈爾濱 150078)

介紹了一種基于ATmega128單片機和A/D轉換芯片AD1674的嵌入式聲強監控系統。通過對ATmega128單片機和A/D轉換芯片AD1674特點和工作原理的分析,設計了嵌入式聲強監控系統的總體方案,深入討論了聲強監控系統前端采集、模擬放大、A/D轉換以及與ATmega128單片機接口技術的設計。通過串口接口將單片機經過處理后的數據傳輸至上位機進行顯示,并可以在線修改系統監控參數值。最后通過試驗驗證,所設計的嵌入式聲強監控系統操作簡單、運行穩定可靠。

嵌入式;聲強監控系統;ATmega128;AD1674

采集和分析處理聲音信號是工程應用中經常需要解決的問題。如何采集聲音信號并利用其監控某一區域的聲強變化在科學研究中是一項非常有意義的工作。采集聲音信號來監控聲強是運用數字信號處理的方法對現場采集的實時聲音信號進行分析,為現場狀況的預測提供精確的數據分析依據,可以廣泛應用于各個領域。本系統采用ATmega128單片機和A/D轉換芯片AD1674設計一套嵌入式聲強監控系統。系統改善了傳統硬件采集電路設計復雜,集成度不高的缺陷,同時設計了計算機操作界面與硬件采集系統互相通信功能,控制命令可以實時修改監控系統的監控指標,使每次修改監控指標都不需要重新下載程序,簡化了操作。設計的系統既可以應用在對某一區域進行聲強監控,也可以作為高檔聲控設備使用。

1 系統總體設計

系統用于對周圍環境聲音信號的聲強進行監控。考慮到人類能夠聽到的聲音信號一般是在20 μHz～20 kHz范圍內的模擬信號[1],不便于直接觀察和分析,故系統需要將模擬信號轉換成我們可以進行分析和計算的數字信號。系統設計對分貝值范圍在0～110 dB的聲強信號進行監控和報警動作;對聲音信號采樣頻率大于50 kHz,信號傳輸波特率為9 600。設計首先采用聲音傳感器和信號調理器對周圍環境的聲音信號進行拾取和信號調理。經過調理的聲音信號電壓通常為毫伏級,需要對信號進行模擬放大、隔直和阻抗匹配處理后送入A/D轉換芯片AD1674進行A/D轉換。其次,ATmega128單片機不斷讀取A/D轉換數據。每讀取100個數據,將其計算出聲強值并判斷是否超過預設限定值,如果超限則通過RS-422串口通信發送超限標志位。同時,系統設置的監控操作軟件可以實時查詢當前聲強值,并可以對監控參數進行實時修改。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 前端采集

系統對聲音信號的前端采集主要通過聲音傳感器和信號調理器來完成。

本系統的傳聲器采用北京聲望聲電技術有限公司生產的MPA231型傳聲器。傳聲器是將聲音信號轉換為電信號的能量轉換器。傳聲器MPA231的特點為集合了1/2英寸預極化駐極體測量傳聲器與前置放大器,可以進行多路與長距離測量,極大地拓展了測量范圍;頻率響應范圍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在各種環境下對周圍聲音信號進行采集。

經過傳聲器采集的信號不能直接進入放大電路處理,還需要進行信號調理。這里采用該公司生產的MC102型信號調理器。信號經過調理后送入模擬放大電路模塊。

2.2 模擬放大

系統模擬放大部分電路圖如圖2所示。

圖2 系統模擬放大部分電路圖

圖2為系統模擬放大電路。首先,運放器件的選擇對模擬放大電路非常關鍵,這里選用OP07運放芯片。OP07運放芯片是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路。OP07同時具有輸入偏置電流低、開環增益高的特點使其特別適用于放大傳感器的微弱信號。

其次,圖2中(a)所示為模擬放大電路。運放U8、U9構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,減小電路對微弱輸入信號的衰減。差分輸入可以使電路只對差模信號放大,而對共模輸入信號只起跟隨作用,使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比得到提高。這樣會使以運放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,進入模擬放大部分的信號是雙極性的,這里采用運放雙電源技術,保證信號經過放大后的周期完整性。

最后,放大后的信號需要進行隔直(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轉換芯片AD1674進行A/D轉換。隔直處理采用RC構成的一階高通濾波器實現。阻抗匹配處理采用運算放大器連接的電壓跟隨器,因為其輸入阻抗非常大,不會影響連接在其前面的電路,而輸出阻抗非常小,有足夠的能力驅動后續電路,使前一級的信號能最大功率的傳輸到后一級。

圖2所示系統模擬放大電路的放大倍數計算方法如下:

(1)

經式(1)計算得:

(2)

這里取R16=51 kΩ,代入式(2),可以計算出模擬放大電路的放大倍數為60倍,確保采集模擬數據符合設計指標對測量范圍的要求。

圖3 A/D轉換與接口通信硬件電路圖

2.3 AD轉換與接口通信電路

圖3給出了A/D轉換與接口通信的硬件電路圖。ATmega128單片機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,運算能力強、運行速度快[2]。外圍電路設計用MAX809復位芯片搭建一個上電復位電路,提高系統可靠性,單片機電路加入退耦電容濾波去除干擾。程序通過標準的JTAG接口進行下載和在線調試。

ATmega128單片機接口電路主要功能是讀取AD1674轉換完成的聲音信號電壓值,將電壓值通過計算轉換成聲強值。數據通信主要通過數據線DB0～DB11完成。這里需要注意的是DB0～DB3數據線要分別與DB8～DB11并聯,否則極易損壞芯片,而且得不到正確的轉換結果。

串口通信選用RS-422通信方式。RS-422使用差分信號,具有更好的抗噪性和更遠的傳輸距離的優點。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轉換電路。A/D轉換電路的核心是A/D轉換芯片,這里選用AD1674。A/D轉換芯片AD1674是美國AD公司推出的一種完整的12位并行模/數轉換單片集成電路。采樣頻率高達100 kHz,內部集成采樣保持器,保證數據傳送的準確性。根據采樣定理,AD1674的采樣頻率遠遠大于要采集聲音信號頻率的2倍,完全滿足系統對采樣頻率的要求。其工作模式可分為全控模式和獨立模式。這里采用全控工作模式[3]。通過圖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。使用單次轉換模式采樣時首先需要將片選信號CS置低,選中芯片,然后分別置低R/C和A0信號線,選擇12位轉換模式,最后將CE信號置高使能芯片,開啟A/D轉換。讀取數據時由于單片機是8位數據總線接口,所以數據的讀取需要分兩次進行。在讀取操作之前首先置低CE信號,關閉芯片使能,然后將R/C信號置高、CE信號置高使能讀操作,讀取高8位數據,然后保持R/C和CE信號,將A0信號置高讀取低4位數據。數據讀取完成后將A0和CE信號置低,CS信號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字電路相連,模擬電路與數字電路共地則會相互產生干擾。這里采用模擬地與數字地隔離技術,實現單點接地,確保地線不干擾,不產生壓差。

圖3中(d)部分是系統的無源觸點輸出部分,當聲強分貝值超過某一預定的閾值時,單片機控制繼電器線圈得電吸合,接通A、B兩點,完成相應的控制動作。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件

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

ATmega128單片機采用查詢方式判斷STS引腳狀態判斷A/D轉換是否完成。具體編程思路是:單片機上電,系統進行初始化,循環程序不斷檢測STS引腳的電平,一旦A/D轉換完成,單片機讀取A/D轉換數據,并將其存儲在數組當中,同時將存儲的數據按順序依次標識。單片機每采集100個數據后對存儲在數組內的A/D轉換數據進行提取并做均方根運算,然后將數據轉換成聲音分貝值并與設定限值進行比較,超限則發送報警標志位,同時判斷是否有查詢指令查詢當前采集的數據和系統設置參數值。每當一次判斷完畢,程序清除存儲在數組中的數據值、清零數據順序標識并進行下一次處理。修改、讀取系統參數值分別通過寫、讀單片機內的EEPROM完成。下位機軟件處理流程圖如圖4所示。

3.2 上位機軟件

嵌入式聲強監控系統的上位機軟件部分采用VC++語言編寫,用來查詢下位機通過RS-422串口傳送上來的數據,同時根據不同監控任務實時對下位機監控參數值做出相應的修改。聲強監控系統上位機測試程序界面如圖5所示。

從圖5可以直接讀出所監控區域的聲強分貝值,聲強值連續超限時標志位的發送時間間隔,以及設定的聲強閾值。同時可以在線修改聲強閾值和超限標志位發送時間間隔。

圖4 下位機軟件處理流程圖

圖5 聲強監控系統上位機測試程序界面

4 試驗及結果

本系統試驗采用一個恒定值的聲強校準器對嵌入式聲強監控系統進行測試。聲強校準器采用94 dB恒定值,頻率為1 000 Hz。數據處理采用每采集到100個數據,將采集到的數據經過均方根處理后計算出實際電壓值,按照式(3)和式(4)轉換成聲強信號進行比對(傳感器部分將采集到的聲音信號轉換成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(單位:Pa)

dB=20lg(P/P0)

(4)

式中:P0為常數(值為20×10-6Pa)

通過示波器可以看到通過前端采集采集到的聲強校準器本身產生的波形和將其接入系統后經過模擬放大后的波形分別如圖6和圖7所示。

圖6 前端采集到的聲強校準器的波形

圖7 經過模擬放大后的波形

根據圖7所示采集到的電壓值是2.99 V,由于前面搭建的運放經實際測得的放大倍數是58倍,可以計算出采集到的實際電壓值為2.99 V/58=51.55 mV。根據式(3)和式(4)計算得分貝數為94.81 dB,誤差符合要求。系統可以在諸多分貝檢測報警系統中得到應用。系統應用圖如圖8所示。

圖8 系統應用圖

為了檢驗A/D轉換的準確性,這里將1 ms內通過A/D采集到的數據保存下來,通過MATLAB軟件將數據繪制成曲線。繪制的曲線圖如圖9所示。

圖9 通過MATLAB繪制的曲線圖

通過MATLAB繪制的曲線圖我們可以看到經A/D轉換后的數據繪制的曲線與通過示波器監測到的波形相符合,所設計的系統滿足要求。

5 結論

本文介紹了一種基于ATmega128單片機和A/D轉換芯片AD1674的嵌入式聲強監控系統。基于ATMEGA128單片機在低功耗和處理速度方面的獨特優勢以及AD1674芯片采樣頻率高、轉換精度高等特點,完成了嵌入式聲強監控系統的總體設計,并對系統外圍電路和接口電路進行了詳細闡述,給出了上、下位機軟件部分的編程思路。設計的硬件系統與上位機操作界面互相通信功能使使用者通過操作界面就可以實時查詢監控區域聲強值以及對監控參數進行修改。通過試驗驗證,設計的嵌入式聲強監控系統操作簡單、滿足設計指標要求。

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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,哈爾濱工程大學自動化學院,副教授,博士生導師,主要研究方向為智能系統,caichengtao@163.com。