一、項目概述

1.1 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、城市建筑的發(fā)展，以及人口密度的增加，家庭設施（音響、空調、電視機等）的增多，環(huán)境噪聲日益嚴重，它已成為污染人類社會環(huán)境的一大公害。因此環(huán)境噪聲的監(jiān)測已經(jīng)成為人們密切關注的問題。實時噪聲頻譜儀是對噪聲信號進行測量分析的必備設備，是從事專業(yè)噪聲監(jiān)測、音頻信號的研究應用的常用工具，應用十分廣泛。

傳統(tǒng)的模擬音頻頻譜分析儀有明顯的缺點，硬件實現(xiàn)復雜，只能測量頻率的幅度,缺少相位信息,而且體積較大，攜帶不方便，不能在復雜的噪聲現(xiàn)場進行實時的測量，因此無法滿足現(xiàn)代環(huán)境噪聲測量的要求?；诳焖俑道锶~變換(FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量,達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉換器(ADC)對輸入信號取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖，實現(xiàn)音頻的頻譜分析。

1.2 項目背景/選題動機 　

本項目采用的AVR EVK1105開發(fā)套件基于AT32UC3A0512微控制器，它內置硬件乘法器，支持DSP指令集，64K SRAM，具有強大的定點運算能力，因此完全可以達到數(shù)字信號處理中的數(shù)據(jù)運算要求；而且AVR EVK1105開發(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，而且對輸入和輸出都具有可編程調節(jié)增益，集成模數(shù)轉換（ADC）部件，可在8K到96K的頻率范圍內提供16bit的采樣，能夠達到較高的數(shù)據(jù)采樣精度；QVGA(320*240)全彩色LCD顯示屏能夠很好的實現(xiàn)噪聲信號的波形圖和頻譜圖的顯示以及良好的用戶界面。

因此本項目充分利用AVR EVK1105開發(fā)套件提供的軟硬件資源，采用數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)一個基于Wi-Fi控制的實時噪聲頻譜儀。該實時噪聲頻譜儀采用數(shù)字的方法直接由模擬/數(shù)字轉換器(ADC)獲取采樣數(shù)據(jù),運用FIR數(shù)字濾波算法以及FFT算法得到實時噪聲信號的頻譜分布圖，同時計算出噪聲的相關參數(shù)，實現(xiàn)了實時噪聲的測量與分析。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無線控制模塊，能完成復雜的噪聲現(xiàn)場和實驗室無人環(huán)境的噪聲測量任務。設備體積小，操作簡單，便于攜帶使用。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）、實現(xiàn)對輸入噪聲信號的參數(shù)測量功能：

a) 顯示噪聲信號的實時波形圖；

b) 顯示實時噪聲信號的倍頻程、1/3倍頻程頻譜圖；

c) 測量實時噪聲信號的相關參數(shù)：

?基于A、C、Z加權的噪聲信號的聲壓級別Lp；

?最大，最小聲壓級別測量（A、C加權）、峰值聲壓級別（C加權）、等效連續(xù)聲壓級別 Leq (A、C加權)；

?噪聲信號累計百分n聲級Ln（A、C加權）；

2）、基于Wi-Fi的無線網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)遠程設備控制，實現(xiàn)無人環(huán)境下的噪聲測量；

3）、SD卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、回放功能；

4）、校準：聲校準,利用聲校準器校準。

2.2 性能要求

(1) 測量范圍： 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、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

本系統(tǒng)主要采用AVREVK1105開發(fā)板上的音頻數(shù)據(jù)輸入接口或者麥克風獲取噪聲信號數(shù)據(jù)，并使用開發(fā)板上的TVL3230AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼器芯片實現(xiàn)16位的A/D轉換，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉換，并運用AT32UC3A0512的DSP指令集實現(xiàn)FIR數(shù)字濾波、FFT算法，得到音頻信號的頻譜數(shù)據(jù)，計算出實現(xiàn)音頻信號的相關參數(shù)，并實時的在開發(fā)板上的全彩色LCD屏上顯示噪聲信號的波形圖、頻譜圖以及相關參數(shù)的數(shù)值。也可以將采集的數(shù)據(jù)通過開發(fā)板上的SD卡插槽存儲到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的無線網(wǎng)絡接口進行設備的遠程控制操作，如測量參數(shù)設置、測量開始、停止等命令，實現(xiàn)無人環(huán)境下的噪聲參數(shù)的測量。從而完成噪聲信號的監(jiān)測、分析功能。

系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1、硬件平臺：

系統(tǒng)使用AVREVK1105開發(fā)板， AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的評估套件。

EVK1105開發(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66MHz,內置硬件乘法器，支持DSP指令集，強大的定點運算能力,能 高效的實現(xiàn)數(shù)字信號的處理；

(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， 而且對輸入和輸出都具有可編程調節(jié)增益，集成模數(shù)轉換（ADC）和數(shù)模轉換（DAC）部件，可 在8K到96K的頻率范圍內提供16bit的采樣。

(3)、QVGA(320*240)全彩色LCD顯示屏：很好的實現(xiàn)噪聲信號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，用于噪聲現(xiàn)場的聲音信號采集；

(5)、SD讀卡器：外接SD卡，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲和回放；

(6)、JTAG接口：USB設備接口及嵌入式主機控制器：用于固件程序的調試；

(7)、擴展網(wǎng)絡通信功能，實現(xiàn)基于Wi-Fi的無線設備控制。

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

2、軟件平臺：

(1)、 Windows XP操作系統(tǒng)。

(2)、 AVRStudio5.0 : 開發(fā)和調試嵌入式AVR應用的的集成開發(fā)環(huán)境，用于創(chuàng)建、編譯和調試基于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

1、系統(tǒng)軟件構架圖：

圖2 系統(tǒng)軟件構架

2、系統(tǒng)軟件模塊：

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

(2)、數(shù)據(jù)訪問模塊：通過文件系統(tǒng)讀取SD卡上存儲的數(shù)據(jù)；

(3)、界面顯示模塊：彩色LCD屏顯示開機界面，或者顯示測量數(shù)據(jù)。

(4)、數(shù)字信號處理模塊：運用AT32UC3A0512微控制器完成FIR數(shù)字濾波，F(xiàn)FT頻譜計算以 及噪聲相關參數(shù)計算，輸出運算結果；

(5)、keyboard:觸控鍵盤輸入；

(6)、WiFi:接收無線控制信號，用于設備的無線控制操作；

(7)、噪聲頻譜儀主程序：整個系統(tǒng)的框架程序，完成各個任務的調度。

(8)、LwIP：完成WiFi網(wǎng)絡通訊功能，進行設備的無線控制。

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

(10)、設備驅動：板上各個硬件設備的驅動程序，提供相應設備的訪問接口。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

1、軟件流程圖：

圖3 程序運行流程圖

2、軟件流程：

(1)、系統(tǒng)各個模塊的初始化；進入步驟（2）；

(2)、根據(jù)顯示緩存內容，進行屏幕顯示，進入步驟（3）；

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

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

(5)、使用板上的音頻編解碼芯片對連續(xù)噪聲信號經(jīng)行一定頻率的采樣，轉換成離散的噪聲信號數(shù)據(jù)；然后進入步驟（6）；

(6)、對離散噪聲信號數(shù)據(jù)進行FIR數(shù)字濾波，濾除高頻信號分量；然后進入步驟（7）；

(7)、對濾波后的信號數(shù)據(jù)進行FFT運算，得到音頻信號的各個頻率分量數(shù)據(jù)；然后進入步驟（8）；

(8)、根據(jù)計算出的頻率域的數(shù)據(jù)，計算噪聲信號的相關參數(shù)，如聲壓級別，聲壓級峰值，等效連續(xù)聲壓值等；然后進入步驟（9）；

(9)、若之前設置需要存儲數(shù)據(jù)，則將相關數(shù)據(jù)通過板上的SD卡插槽存儲到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)預計實現(xiàn)結果

該系統(tǒng)既能通過音頻數(shù)據(jù)輸入接口直接輸入噪聲信號數(shù)據(jù)，也能在噪聲現(xiàn)場使用麥克風進行聲音信號的采集；系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理，得到音頻信號的波形圖、頻譜圖以及相關參數(shù)，并在設備的彩色顯示屏上實時顯示或者將采集的數(shù)據(jù)及測量結果存儲在SD卡中，以用于數(shù)據(jù)存儲、回放功能。系統(tǒng)既可以直接在設備上進行手動按鍵操作，也可以用Wi-Fi無線網(wǎng)絡接口進行遠程設備控制，以實現(xiàn)無人環(huán)境的噪聲測量。