基于UCOSIII系統(tǒng)的音頻信號(hào)分析設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 慧，胡永兵，姚夢(mèng)茹

(安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

數(shù)字電視、多媒體通信、數(shù)字音頻廣播等對(duì)科技的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，并且已經(jīng)廣泛地滲透到社會(huì)生活的各個(gè)方面。早期的音頻分析儀器設(shè)備不但體積大、反應(yīng)速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且造價(jià)非常昂貴，在某種程度上難以普及使用[1-4]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)和超大規(guī)模集成芯片技術(shù)越來越成熟，同時(shí)對(duì)音頻信號(hào)的分析也越來越精確。

針對(duì)傳統(tǒng)方法在音頻信號(hào)處理中的缺點(diǎn)，文中提出了一種對(duì)音頻信號(hào)分析設(shè)計(jì)的方案。在硬件設(shè)計(jì)上，以STM32F103ZET6低功耗的32位單片機(jī)作為運(yùn)算核心，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換器、外部電路LCD顯示模塊和其他必需的外部電路。在軟件設(shè)計(jì)上，使用了UCOSIII嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)行。其基本工作原理是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，把時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，通過UCOSIII系統(tǒng)，在錄音播放的同時(shí)顯示頻譜變化。其中模擬音頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換前需要先放大然后再濾波，這樣能保證音頻信號(hào)不失真、降低噪聲干擾。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)通過放大和濾波前級(jí)電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、錄音到SD卡，再經(jīng)STM32進(jìn)行FFT運(yùn)算后播放信號(hào)，同時(shí)在液晶屏上顯示頻譜。單片機(jī)使用的是32位低功耗STM32F103ZET6，該芯片具有64 KB SRAM、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC等[5-7]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為了增加AD位數(shù)并使A/D量化范圍內(nèi)的量化精度最高而獲得動(dòng)態(tài)范圍較大的輸入信號(hào)，在A/D轉(zhuǎn)換前需要處理輸入的音頻模擬信號(hào)。設(shè)計(jì)上要求100 dB的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，幅度范圍為0.01 mV～10 V。設(shè)定ADC，500 mV為芯片的最小輸入信號(hào)峰值。由于輸入信號(hào)的幅度最大為10 V，設(shè)定ADC 20lg(10

V/500 mV)的動(dòng)態(tài)輸入范圍,即為26 dB,所以需要62 400,8 000,400,200,1這5路放大倍數(shù)固定的放大電路，使得輸出信號(hào)的電壓不超過3.3 V。STM32103常用電壓為3.3 V，其中內(nèi)部ADC的電壓也為3.3 V，因此選擇了AD公司生產(chǎn)的運(yùn)放AD8656芯片，選擇該芯片是因?yàn)榉糯笮⌒盘?hào)的增益和放大器輸出主要參數(shù)的影響。該芯片的低壓提供低噪聲10 KHz時(shí)為2.7 nV/Hz1/2，280 MHz的運(yùn)放增益帶寬，10 pA的輸入偏置電流，低失調(diào)電壓最大為250μV。

1.2 抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)

當(dāng)采樣頻率滿足大于等于最高頻率的2倍時(shí)，可以不失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)。如果不滿足上述采樣定理的條件，即采樣頻率小于信號(hào)最高頻率的2倍，或信號(hào)的實(shí)際最高頻率超過了二分之一的采樣頻率，則在采樣后的信號(hào)頻譜上會(huì)發(fā)生頻譜混疊現(xiàn)象。這時(shí)，即使使用理想的矩形低通濾波器也無法不失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)，因此這種失真現(xiàn)象稱為頻譜混疊失真。當(dāng)確定采樣頻率后，就必須限制原模擬信號(hào)的上限頻率，這樣是為了防止產(chǎn)生頻譜混疊失真。通常設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)的頻率在20 KHz以下，因此，設(shè)置一個(gè)上限頻率合適的低通濾波器在把信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換之前是為了進(jìn)行抗混疊處理，防止采樣的頻率是高頻信號(hào)的分量而產(chǎn)生頻譜混疊從而影響給定的較低頻率信號(hào)的幅值分析[8-10]。由于巴特沃斯濾波器在性能方面沒有明顯的缺點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)構(gòu)成濾波器的元件的Q值沒有明顯的要求，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)四階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為20 KHz的抗混疊濾波器。通常高階濾波器可由多個(gè)低階濾波器構(gòu)成，所以在設(shè)計(jì)中，四階的低通濾波器由兩個(gè)二階巴特沃斯低通濾波器構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)

1.3 音頻解碼芯片

采用VS1053解碼芯片，該芯片有一個(gè)高性能的DSP處理核VS_DSP、16 KB的指令RAM、0.5 KB的數(shù)據(jù)RAM，通過SPI控制，具有8個(gè)可用的I/O口和1個(gè)串口，芯片內(nèi)部還帶了一個(gè)可變采樣的立體聲ADC，一個(gè)高性能立體聲DAC及音頻耳機(jī)放大器。模擬音頻信號(hào)通過前級(jí)信號(hào)調(diào)理電路后，通過SPI口，芯片VS1053接收輸入進(jìn)來的音頻模擬信號(hào)流，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將其編碼成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到SD卡。接著，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換解碼后從左右通道輸出音樂之前，SPI口不停地向VS1053輸入音頻數(shù)據(jù)，再經(jīng)過功放后被人們聽到。其中需要系統(tǒng)配置來控制播放音頻信號(hào)。首先，VS1053需要恢復(fù)成原始狀態(tài)，需要硬復(fù)位和軟復(fù)位配置。接著，需要配置模式寄存器，時(shí)鐘寄存器，音調(diào)、音量寄存器等相關(guān)寄存器,最后發(fā)送音頻數(shù)據(jù)，播放音樂[3]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 uCOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

嚴(yán)格要求正確的處理結(jié)果和及時(shí)處理過程的系統(tǒng)就稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。其中，硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的兩大類,大多數(shù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)是嵌入式的。這類系統(tǒng)是針對(duì)航空航天、工控等對(duì)響應(yīng)時(shí)間有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合而產(chǎn)生的，在這些場(chǎng)合中，傳統(tǒng)的PC及其相應(yīng)的操作系統(tǒng)是無法勝任的。

由Micrium公司開發(fā)的UCOSIII系統(tǒng)是一種可裁剪、可固化、可剝奪的第三代微型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其中任務(wù)調(diào)度、任務(wù)通信、內(nèi)存管理、中斷管理、定時(shí)管理等是該系統(tǒng)的特性。在運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)備上，當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，首先會(huì)初始化系統(tǒng)任務(wù)管理所需要的各種鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其次，根據(jù)需要設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序來創(chuàng)建任務(wù)，最后由調(diào)度器管理各個(gè)任務(wù)，而中斷可由操作系統(tǒng)使能和除能，若使能中斷，則可以在其他任務(wù)運(yùn)行時(shí)跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序[11-15]。由于UCOSII系統(tǒng)每個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)的任務(wù)個(gè)數(shù)只能是一個(gè)而且不支持時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，所以該設(shè)計(jì)采用了UCOSIII系統(tǒng)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)和流程圖

在軟件設(shè)計(jì)上，使用了嵌入式UCOSIII實(shí)時(shí)操作的多任務(wù)系統(tǒng)。任務(wù)就是死循環(huán)。該系統(tǒng)支持多任務(wù)操作，最大不超過255個(gè)任務(wù)，操作系統(tǒng)對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理。在任務(wù)根據(jù)優(yōu)先級(jí)不斷執(zhí)行的過程中，CPU的使用權(quán)在多個(gè)任務(wù)中不停變換,多任務(wù)管理實(shí)際上就是最大化利用了CPU。軟件設(shè)計(jì)編寫了四個(gè)任務(wù)，即頻譜顯示任務(wù)，音頻錄音播放任務(wù)，LED0、LED1任務(wù)，這些任務(wù)每一個(gè)都有自己的任務(wù)堆棧和優(yōu)先級(jí)，其中頻譜顯示任務(wù)和音頻播放任務(wù)的優(yōu)先級(jí)是一樣的。按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)，操作系統(tǒng)調(diào)度這四個(gè)任務(wù)。然后通過開始任務(wù)創(chuàng)建自己的任務(wù)，接著掛起開始任務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.3 uC/OS-III的移植

嵌入式UCOSIII操作系統(tǒng)的移植就是指能使UCOSIII在微控制器或者某個(gè)微處理器上運(yùn)行。UCOSIII的移植[16]步驟如圖4所示。

圖4 移植步驟

3 測(cè)試結(jié)果

將編譯后的代碼下載到STM32103開發(fā)板中，結(jié)果顯示LED0開始閃爍，滅的時(shí)間比亮的時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)置滅500 ms、亮200 ms；LED1均勻閃爍。接著，打開串口調(diào)試，接收到操作系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，float_num的值在增加，每次增加0.01，這和在程序中設(shè)置的每次增加0.01相符，說明UCOSIII移植成功。通過軟件編寫，程序調(diào)試下載的結(jié)果：LED0與LED1任務(wù)中每間隔200 ms DS0亮一次，間隔500 ms DS1亮一次，接著DS0和DS1同時(shí)亮，依次循環(huán)。

音頻模擬信號(hào)先經(jīng)過放大與濾波前級(jí)電路，之后通過A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)STM32使用FFT算法，錄音到SD卡中，利用UCOSIII嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)，在同一優(yōu)先級(jí)音頻播放與頻譜顯示同時(shí)發(fā)生，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 頻譜顯示

4 結(jié)束語

采用了多任務(wù)內(nèi)核的實(shí)時(shí)嵌入式UCOSIII系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)進(jìn)行調(diào)度使得系統(tǒng)代碼量有效減少，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也有很大提高，實(shí)現(xiàn)了CPU資源利用的最大化。在這個(gè)過程中，增強(qiáng)了應(yīng)用程序開發(fā)系統(tǒng)的模塊化，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用。同時(shí)，UCOSIII嵌入式多任務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)在同一優(yōu)先級(jí)下發(fā)生。當(dāng)然該設(shè)計(jì)還有不足之處，在后續(xù)的研究中將進(jìn)一步完善。