一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、城市建筑的發(fā)展，以及人口密度的增加，家庭設(shè)施（音響、空調(diào)、電視機(jī)等）的增多，環(huán)境噪聲日益嚴(yán)重，它已成為污染人類社會(huì)環(huán)境的一大公害。因此環(huán)境噪聲的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為人們密切關(guān)注的問(wèn)題。實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀是對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析的必備設(shè)備，是從事專業(yè)噪聲監(jiān)測(cè)、音頻信號(hào)的研究應(yīng)用的常用工具，應(yīng)用十分廣泛。

傳統(tǒng)的模擬音頻頻譜分析儀有明顯的缺點(diǎn)，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，只能測(cè)量頻率的幅度，缺少相位信息，而且體積較大，攜帶不方便，不能在復(fù)雜的噪聲現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，因此無(wú)法滿足現(xiàn)代環(huán)境噪聲測(cè)量的要求。基于快速傅里葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過(guò)傅里葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)輸入信號(hào)取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖，實(shí)現(xiàn)音頻的頻譜分析。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

本項(xiàng)目采用的AVR EVK1105開(kāi)發(fā)套件基于AT32UC3A0512微控制器，它內(nèi)置硬件乘法器，支持DSP指令集，64K SRAM，具有強(qiáng)大的定點(diǎn)運(yùn)算能力，因此完全可以達(dá)到數(shù)字信號(hào)處理中的數(shù)據(jù)運(yùn)算要求；而且AVR EVK1105開(kāi)發(fā)套件上配置有TLV320AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼芯片，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，而且對(duì)輸入和輸出都具有可編程調(diào)節(jié)增益，集成模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）部件，可在8K到96K的頻率范圍內(nèi)提供16bit的采樣，能夠達(dá)到較高的數(shù)據(jù)采樣精度；QVGA（320*240）全彩色LCD顯示屏能夠很好的實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的波形圖和頻譜圖的顯示以及良好的用戶界面。

因此本項(xiàng)目充分利用AVR EVK1105開(kāi)發(fā)套件提供的軟硬件資源，采用數(shù)字信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于Wi-Fi控制的實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀。該實(shí)時(shí)噪聲頻譜儀采用數(shù)字的方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）獲取采樣數(shù)據(jù)，運(yùn)用FIR數(shù)字濾波算法以及FFT算法得到實(shí)時(shí)噪聲信號(hào)的頻譜分布圖，同時(shí)計(jì)算出噪聲的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)噪聲的測(cè)量與分析。該噪聲頻譜儀可以獲得良好的線性度和高分辨率，而且增加Wi-Fi無(wú)線控制模塊，能完成復(fù)雜的噪聲現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室無(wú)人環(huán)境的噪聲測(cè)量任務(wù)。設(shè)備體積小，操作簡(jiǎn)單，便于攜帶使用。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）、實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入噪聲信號(hào)的參數(shù)測(cè)量功能：

a） 顯示噪聲信號(hào)的實(shí)時(shí)波形圖；

b） 顯示實(shí)時(shí)噪聲信號(hào)的倍頻程、1/3倍頻程頻譜圖；

c） 測(cè)量實(shí)時(shí)噪聲信號(hào)的相關(guān)參數(shù)：

?基于A、C、Z加權(quán)的噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)別Lp；

?最大，最小聲壓級(jí)別測(cè)量（A、C加權(quán)）、峰值聲壓級(jí)別（C加權(quán)）、等效連續(xù)聲壓級(jí)別 Leq （A、C加權(quán)）；

?噪聲信號(hào)累計(jì)百分n聲級(jí)Ln（A、C加權(quán)）；

2）、基于Wi-Fi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人環(huán)境下的噪聲測(cè)量；

3）、SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放功能；

4）、校準(zhǔn)：聲校準(zhǔn)，利用聲校準(zhǔn)器校準(zhǔn)。

2.2 性能要求

（1） 測(cè)量范圍： 30~120dB;

（2）倍頻程帶寬： 31.5~16KHz;

（3） 1/3倍頻程帶寬： 20Hz~20KHz;

（4） 頻率分辨率： 20Hz;

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

本系統(tǒng)主要采用AVR EVK1105開(kāi)發(fā)板上的音頻數(shù)據(jù)輸入接口或者麥克風(fēng)獲取噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)，并使用開(kāi)發(fā)板上的TVL3230AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼器芯片實(shí)現(xiàn)16位的A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并運(yùn)用AT32UC3A0512的DSP指令集實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波、FFT算法，得到音頻信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，并實(shí)時(shí)的在開(kāi)發(fā)板上的全彩色LCD屏上顯示噪聲信號(hào)的波形圖、頻譜圖以及相關(guān)參數(shù)的數(shù)值。也可以將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的SD卡插槽存儲(chǔ)到SD卡中，以備后續(xù)數(shù)據(jù)回放、分析使用。

該系統(tǒng)還支持基于Wi-Fi的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行設(shè)備的遠(yuǎn)程控制操作，如測(cè)量參數(shù)設(shè)置、測(cè)量開(kāi)始、停止等命令，實(shí)現(xiàn)無(wú)人環(huán)境下的噪聲參數(shù)的測(cè)量。從而完成噪聲信號(hào)的監(jiān)測(cè)、分析功能。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

1、硬件平臺(tái)：

系統(tǒng)使用AVR EVK1105開(kāi)發(fā)板， AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的評(píng)估套件。

EVK1105開(kāi)發(fā)板硬件資源使用：

（1）、AVR AT32UC3A0512處理器：高性能、地低功耗AVR32 UC 32-Bit微控制器，主頻高達(dá)66MHz，內(nèi)置硬件乘法器，支持DSP指令集，強(qiáng)大的定點(diǎn)運(yùn)算能力，能 高效的實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理；

（2）、TVL3230AIC23B芯片：低功耗立體聲音頻編解碼器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式， 而且對(duì)輸入和輸出都具有可編程調(diào)節(jié)增益，集成模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）部件，可 在8K到96K的頻率范圍內(nèi)提供16bit的采樣。

（3）、QVGA（320*240）全彩色LCD顯示屏：很好的實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的波形圖和頻譜圖的顯示以及良 好的用戶界面；

（4）、傳感器：麥克風(fēng)，用于噪聲現(xiàn)場(chǎng)的聲音信號(hào)采集；

（5）、SD讀卡器：外接SD卡，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和回放；

（6）、JTAG接口：USB設(shè)備接口及嵌入式主機(jī)控制器：用于固件程序的調(diào)試；

（7）、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)通信功能，實(shí)現(xiàn)基于Wi-Fi的無(wú)線設(shè)備控制。

調(diào)試工具：AVR Dragon 系統(tǒng)調(diào)試器，支持SPI，JTAG接口調(diào)試，用于系統(tǒng)的軟件代碼調(diào)試。

2、軟件平臺(tái)：

（1）、 Windows XP操作系統(tǒng)。

（2）、 AVRStudio5.0 ： 開(kāi)發(fā)和調(diào)試嵌入式AVR應(yīng)用的的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于創(chuàng)建、編譯和調(diào)試基于AVR微控制器的軟件代碼，并支持直接將代碼下載到板上的Flash中。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

1、系統(tǒng)軟件構(gòu)架圖：

圖2 系統(tǒng)軟件構(gòu)架

2、系統(tǒng)軟件模塊：

（1）、數(shù)據(jù)采集模塊：通過(guò)控制TLV320AIC23B音頻編解碼芯片從麥克風(fēng)或者直接LINE_IN 的方式采集音頻數(shù)據(jù)。

（2）、數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊：通過(guò)文件系統(tǒng)讀取SD卡上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)；

（3）、界面顯示模塊：彩色LCD屏顯示開(kāi)機(jī)界面，或者顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。

（4）、數(shù)字信號(hào)處理模塊：運(yùn)用AT32UC3A0512微控制器完成FIR數(shù)字濾波，F(xiàn)FT頻譜計(jì)算以 及噪聲相關(guān)參數(shù)計(jì)算，輸出運(yùn)算結(jié)果；

（5）、keyboard：觸控鍵盤(pán)輸入；

（6）、WiFi：接收無(wú)線控制信號(hào)，用于設(shè)備的無(wú)線控制操作；

（7）、噪聲頻譜儀主程序：整個(gè)系統(tǒng)的框架程序，完成各個(gè)任務(wù)的調(diào)度。

（8）、LwIP：完成WiFi網(wǎng)絡(luò)通訊功能，進(jìn)行設(shè)備的無(wú)線控制。

（9）、文件系統(tǒng)：用于SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀寫(xiě)訪問(wèn)管理。

（10）、設(shè)備驅(qū)動(dòng)：板上各個(gè)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，提供相應(yīng)設(shè)備的訪問(wèn)接口。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

1、軟件流程圖：

圖3 程序運(yùn)行流程圖

2、軟件流程：

（1）、系統(tǒng)各個(gè)模塊的初始化；進(jìn)入步驟（2）；

（2）、根據(jù)顯示緩存內(nèi)容，進(jìn)行屏幕顯示，進(jìn)入步驟（3）；

（3）、進(jìn)行鍵盤(pán)輸入掃描并查詢WiFi消息接收狀態(tài)，如果收到輸入消息則進(jìn)行消息解析，并設(shè)置相應(yīng)的操作命令字和系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)入步驟（4）。

（4）、根據(jù)操作命令字和系統(tǒng)狀態(tài)判斷是否開(kāi)始測(cè)量，如果開(kāi)始測(cè)量，則進(jìn)入步驟（5），否則返回步驟（2）；

（5）、使用板上的音頻編解碼芯片對(duì)連續(xù)噪聲信號(hào)經(jīng)行一定頻率的采樣，轉(zhuǎn)換成離散的噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)；然后進(jìn)入步驟（6）；

（6）、對(duì)離散噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR數(shù)字濾波，濾除高頻信號(hào)分量；然后進(jìn)入步驟（7）；

（7）、對(duì)濾波后的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到音頻信號(hào)的各個(gè)頻率分量數(shù)據(jù)；然后進(jìn)入步驟（8）；

（8）、根據(jù)計(jì)算出的頻率域的數(shù)據(jù)，計(jì)算噪聲信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，如聲壓級(jí)別，聲壓級(jí)峰值，等效連續(xù)聲壓值等；然后進(jìn)入步驟（9）；

（9）、若之前設(shè)置需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，則將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)板上的SD卡插槽存儲(chǔ)到SD卡中，以備后續(xù)回放、分析使用；然后返回步驟（2）。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

該系統(tǒng)既能通過(guò)音頻數(shù)據(jù)輸入接口直接輸入噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)，也能在噪聲現(xiàn)場(chǎng)使用麥克風(fēng)進(jìn)行聲音信號(hào)的采集；系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到音頻信號(hào)的波形圖、頻譜圖以及相關(guān)參數(shù)，并在設(shè)備的彩色顯示屏上實(shí)時(shí)顯示或者將采集的數(shù)據(jù)及測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在SD卡中，以用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回放功能。系統(tǒng)既可以直接在設(shè)備上進(jìn)行手動(dòng)按鍵操作，也可以用Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)備控制，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人環(huán)境的噪聲測(cè)量。