摘  要： 提出了一種雙通道音量調(diào)節(jié)和峰值電平指示模塊方案,。模塊基于STC12C5A60S2單片機(jī)和數(shù)字電位器，利用單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源和I/O口,，通過軟件對雙通道音量進(jìn)行調(diào)節(jié),，對音頻信號峰值電平進(jìn)行采集、計(jì)算和顯示,，實(shí)現(xiàn)了雙通道音量程控調(diào)節(jié)和峰值電平動態(tài)顯示功能,。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證表明，模塊具有體積小,、成本低,、結(jié)構(gòu)簡單,、操作使用方便等特點(diǎn),，具有較高的性價(jià)比和實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 峰值檢波,；音量調(diào)節(jié),；電平指示

    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(jì)方案
1.1 總體設(shè)計(jì)框圖
    總體設(shè)計(jì)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(jì),，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(jì)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(jì)
    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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)I/O口,，每個(gè)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(gè)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(gè)獨(dú)立的三端10 k?贅數(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(shí)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(gè)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(gè)通道分別設(shè)有音量加減按鍵,，共計(jì)4個(gè),。顯示單元采用2個(gè)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(jì)
    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(jì)算和顯示,，流程圖如圖3所示。

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(shí),、音量設(shè)置狀態(tài)延時(shí),、峰值電平顯示周期定時(shí)、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(shí)保持,，設(shè)定延時(shí)時(shí)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(jì)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(shí)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。

1.3.3 峰值電平計(jì)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(jì)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,。

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(jì)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(jì)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(jià)比和使用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
[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.