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單片機和數(shù)字電位器,,利用單片機豐富的片內(nèi)資源和I/O口,,通過軟件對雙通道音量進行調(diào)節(jié),對音頻信號峰值電平進行采集,、計算和顯示,,實現(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)實際驗證表明,,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,,具有較高的性價比和實用價值。
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)模擬揚聲單機中需要對收發(fā)通道音量進行調(diào)節(jié)和電平指示,傳統(tǒng)方法采用機械電位器和電平指示專用集成電路實現(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,。
1 總體設(shè)計方案
1.1 總體設(shè)計框圖
總體設(shè)計框圖如圖1所示,,以單片機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,實現(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行采樣,、計算、處理,,并通過P0,、P1口直接驅(qū)動LED發(fā)光條進行峰值電平動態(tài)顯示。
1.2 硬件設(shè)計
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采集到音頻信號的峰值電平,需要對輸入的音頻信號進行峰值檢波,。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為運放IC1A的偏置電阻,,使運放正輸入端偏置于2.5 V,,保證運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)峰值保持時間,運放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)的單時鐘/機器周期(1 T)的單片機STC12C5A60S2,它是高速,、低功耗,、超強抗干擾的新一代8051單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,,但速度快8~12倍[1],。最高工作頻率可達35 MHz,具有44個I/O口,,每個I/O口驅(qū)動能力均可達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),,主要針對電機控制等強干擾應(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8位LED柱形發(fā)光條進行顯示,。
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個獨立的三端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)備掉電時自動存儲滑動端設(shè)定值,,擦寫次數(shù)10萬次,,保存期可達100年[2]。X9221A內(nèi)部每個數(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,,單片機通過P1.0、P1.1口軟件模擬I2C總線與X9221A進行通信,,控制和調(diào)節(jié)數(shù)字電位器實現(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
每個通道分別設(shè)有音量加減按鍵,共計4個。顯示單元采用2個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
STC12C5A60S2單片機軟件在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,,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,、音量設(shè)置狀態(tài)延時、峰值電平顯示周期定時,、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,,實現(xiàn)設(shè)置狀態(tài)延時保持,設(shè)定延時時間到后,,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中視覺聽覺聯(lián)合感受[3]的顯示周期,。
1.3.3 峰值電平計算及顯示模塊
主要完成峰值電壓—峰值電壓電平轉(zhuǎn)換及顯示數(shù)據(jù)計算、動態(tài)更新和顯示,。
電路中某測試電壓與標準比較電壓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)學表達式如下:
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 實驗結(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,。通過實驗驗證,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)模擬揚聲單機研制需要,,設(shè)計了一種基于STC12C5A60S2單片機的雙通道音量調(diào)節(jié)和電平指示模塊方案,并制作實物進行了調(diào)試和驗證,。驗證結(jié)果表明,,方案設(shè)計合理可行,研制的模塊實物體積小,、成本低,、操作簡單,、易于實現(xiàn),,具有較高的性價比和使用價值。
參考文獻
[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.