基于单片机的吸声系数测量装置的设计.docx
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基于单片机的吸声系数测量装置的设计
第1章绪论
1.1选题的依据和意义
吸声是声波撞击到材料表面后能量损失的现象，吸声可以降低室内声压级。
描述吸声的指标是吸声系数a：
α=Eα/Ei=（Ei-Er）/Ei=1-r
式中Ei：
入射声能；Eα：
被材料或结构吸收的声能；Er：
被材料或结构反射的声能；r：
反射系数。
当入射声能被完全反射时，α=0，表示无吸声作用；当入射声波完全没有被反射时，α=1，表示完全被吸收。
一般材料或结构的吸声系数α=0~1，α值越大，表示吸声性能越好，它是目前表征吸声性能最常用的参数。
不同频率上会有不同的吸声系数，人们使用吸声系数频率特性曲线描述材料在不同频率上的吸声性能。
按照ISO标准和国家标准，吸声测试报告中吸声系数的频率范围是100~5KHz。
将100~5KHz的吸声系数取平均得到的数值是平均吸声系数，平均吸声系数反映了材料总体的吸声性能。
在工程中常使用降噪系数NRC粗略地评价在语言频率范围内的吸声性能，这一数值是材料在250、500、1K、2K四个频率的吸声系数的算术平均值，四舍五入取整到0.05。
一般认为NRC小于0.2的材料是反射材料，NRC大于等于0.2的材料被认为是吸声材料。
吸声材料一直是人类吸声降噪采用的主要方法之一，因此快速和准确的测量吸声系数是吸声材料研究与应用领域重要的研究内容之一。
常常使用的高吸声系数材料有离心玻璃棉、岩棉等，5cm厚的24kg/m3的离心玻璃棉的NRC可达到0.95。
传统的吸声系数测量方法主要有驻波管法和混响室法。
驻波管法只能测量垂直入射吸声系数，样品的大小必须与驻波管的大小完全相同，不能测量沙等松散的吸声材料，并且仪器比较笨重，不便于携带，混响室法必须在昂贵的混响室中测量，测量的结果可能大于1，不同的混响室测量的结果有时差别很大，不适于现场测量。
因此有必要研究、开发现场实时测量材料吸声系数的测量方法和仪器。
双传声器法是通过两个声压传声器测量材料的法向阻抗率来计算吸声系数的一种方法，具有直观、简单、可在现场中测量应用等优点，但是运算比较复杂。
本课题要求对材料吸声系数的测量方法进行对比研究，对测量系统的软硬件进行设计探究。
利用DSP的高速运算能力和精确的快速傅里叶变换FFT，采用两路完全对称的信号调理电路，实现系统便携现场实时测量。
设计基于单片机的测量系统电路图，包括电源模块、白噪声信号发生电路、声强探头电路、信号调理电路、信号调理电路、单片机最小系统以及通信等部分，分析讨论各部分电路的工作原理和设计关键技术。
1.2课题分析
1.2.1主要研究内容
根据双传声器法的基本原理设计便携式吸声系数测量仪。
通过两路完全对称的信号调理电路同时采集模拟声压信号，经ADS7862转换后送给DSP。
然后DSP完成傅里叶时频变换FFT并计算出吸声系数，最后交给单片机显示并与上位机通信。
1.硬件部分：
系统硬件主要由程控白噪声信号发生电路、声强探头电路和DSP处理电路三部分组成。
程控白噪声信号发生电路主要发射时间可控、带宽可调、功率可调的白噪声信号。
声强探头电路是两路完全对称声电转换电路，将传声器探头所在声场的声压信号转换成电信号，通过前置放大器带动长线输出，避免仪器引起声场变化。
DSP处理电路主要完成以下功能：
控制白噪声发射时间，实时调整放大倍数，采集数据，FFT及计算吸声系数等。
DSP处理模块是两路对称的模拟信号转换电路，在DSP的控制下将长线传输过来的模拟声压信号，经低通滤波器、程控放大器、模数转换器，转换成数字声压信号送入DSP处理，系统结构如图1.1所示。
图1.1系统结构框图
2.软件部分：
系统的软件包括DSP应用程序和单片机应用程序两部分。
DSP首先控制发射10ms白噪声，然后实时调整信号放大倍数并采集数据，准确地将模拟声压信号转换成数字声压信号。
在采集结束后，执行512点位码倒置和FFT变换子程序，再计算出吸声系数，最后将测量结果通过HPI接口送给单片机。
1.2.2方案论证
1.硬件部分：
由于吸声材料的吸声系数是由吸声材料表面特性阻抗表征的，因此通过测量吸声材料的表面特性阻抗就可以得到吸声材料在某一频率的吸声系数。
用两个麦克风作为传感器等间距放置于吸声材料表面很近的地方，测得2个麦克风传感器的声压，得到2个麦克风传感器中间点的声压，根据测得的声压求出吸声材料表面的特性阻抗，，从而得到吸声材料的吸声系数。
因此系统硬件主要由程控白噪声信号发生电路、声强探头电路和DSP处理电路三部分组成。
程控白噪声信号发生电路：
主要发射时间可控、带宽可调、功率可调的白噪声信号。
白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。
所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。
从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的“咝”声（每高一个八度，频率就升高一倍。
因此高频率区的能量也显著增强）。
白噪声或白杂讯，是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。
换句话说，此信号在各个频段上的功率是一样的，由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是“白色的”，此信号也因此被称作白噪声。
相对的，其他不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。
理想的白噪声具有无限带宽，因而其能量是无限大，这在现实世界是不可能存在的。
实际上，我们常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音，因为这让我们在数学分析上更加方便。
然而，白噪声在数学处理上比较方便，因此它是系统分析的有力工具。
一般，只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽，并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑，就可以把它作为白噪声来处理。
例如，热噪声和散弹噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度，通常可以认为它们是白噪声。
使用白噪声是由于不同频率上会有不同的吸声系数。
人们使用吸声系数频率特性曲线描述材料在不同频率上的吸声性能。
声强探头电路：
是两路完全对称声电转换电路，将传声器探头所在声场的声压信号转换成电信号，通过前置放大器带动长线输出，避免仪器引起声场变化。
用2个麦克风作为传感器等间距放置于吸声材料表面很近的地方，测得2个麦克风传感器的声压，得到2个麦克风传感器中间点的声压。
DSP处理电路：
控制白噪声发射时间，实时调整放大倍数，采集数据，FFT及计算吸声系数等。
DSP处理模块是两路对称的模拟信号转换电路，在DSP的控制下将长线传输过来的模拟声压信号，经低通滤波器、程控放大器、模数转换器，转换成数字声压信号送入DSP处理。
双传声器法测量吸声系数需要大量复杂计算，如FFT、计算吸声系数，并且白噪声信号的采样时间很短暂，经过筛选，系统DSP选用TMS320VC5402。
TMS320VC5402具有以下主要特点：
先进的多总线结构；多处理单元；多级流水线结构;特殊的DSP指令;单周期定点指令执行时间为10ns等。
以上这些优点使TMS320VC5402具有较好的数字信号处理能力，适用于FFT变换以及语音噪声信号处理等，功耗低、集成度高，可用电池供电，广泛应用于便携式设备中。
系统需要在10ms内至少采集512个数据，并且为了减少误差、提高测量精度，双通道必须同时采样、进行模数转换，因此选用ADS7862。
它内部集成2个A/D转换器，共用启动转换信号CONVST、读写信号、忙信号等控制信号，双路同时采样保持转换，功耗仅为40mW。
因此ADS7862在保持系统性能的同时，使系统的硬件电路更加简单便携。
并且前端加入运算放大器OPA132和4个电阻，使ADS7862配置为双极性输入，改变电阻大小就可以调整输入的电压范围。
2.软件部分：
系统的软件包括DSP应用程序和单片机应用程序两部分。
DSP首先控制发射10ms白噪声，然后实时调整信号放大倍数并采集数据，准确地将模拟声压信号转换成数字声压信号。
在采集结束后，执行512点位码倒置和FFT变换子程序，再根据公式计算出吸声系数，最后将测量结果通过HPI接口送给单片机。
（1）DSP应用程序：
用2个麦克风作为传感器等间距放置于吸声材料表面很近的地方，测得2个麦克风传感器的声压，得到2个麦克风传感器中间点的声压，然后启动ADS7862转换，读取两个通道数据至DSP。
程序判断数据是否超出范围，如果超出范围则调整放大倍数重新转换。
否则判断是否采样结束，如果采样未结束则继续采样，若结束则进行位码倒置进行FFT转换。
然后根据公式计算出吸声系数，输出给单片机显示。
快速傅氏变换（FFT），是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。
它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。
我们采用的FFT算法是包装算法：
首先2N点实数的连续输入称为“进包”。
其次N点的FFT被连续运行。
最后作为结果产生的N点的合成输出是“打开”成为最初的与DFT相符合的2N点输入。
使用这一思想，我们可以划分FFT的大小，它有一半花费在包装输入O（N）的操作和打开输出上。
这样的FFT算法迅速，计算速度几乎达到了两次DFT的连续输入。
FFT算法程序主要分3大部分：
主程序、波形发生程序和FFT程序。
波形发生程序首先计算步长，再用sin函数计算当前的波形值。
再由FFT程序按照编码逆序排列输入序列，运用蝶形算法计算，进而计算出功率谱。
（2）单片机应用程序：
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机的主要任务是计算和显示吸声系数，与上位机通信等。
单片机与DSP最小系统，键盘接口，显示接口和通讯接口连接。
通过键盘接口调整放大倍数。
通过显示接口显示输出波形和相关数据。
显示通过液晶模块来实现。
在液晶显示器的实际应用当中，汉字与图形通常都是以图形的方式来显示的。
液晶显示模块中的汉字与图形都是像素点进行有规律的组合产生的结果，图形汉字的清晰度以及液晶显示器像素点的多少与点阵之间距离的大小有着很大的关联。
所以在显示之前，必须要先建立起该系统需要的汉字库与数字库。
在自造字符的时候，最好不要扩充到外围的四条边界的点阵中去，以免显示的内容连在一起。
这两种显示方式采用的地址均是按照自左向右，自上到下的顺序进行排列的。
所以只要知道了显示器的地址，就能够在其想对应的位置显示出所需要的内容。
第2章硬件设计
2.1程控白噪声信号发生电路
由于测量吸声系数需要测量不同频率下吸收和入射的声强，所以需要白噪声发生电路作为声源。
白噪声作为一种理想信号，在数学处理上具有简单、方便等优点，所以在系统辨识、线性系统分析和信号分析与处理中都有极重要的地位。
在实际工作中，要研究某一系统的随机过程，只要满足该过程的功率谱密度在比系统带宽大得多的频率范围内近似均匀分布这一条件，就可以把它作为白噪声来处理，而不会带来多大误差。
然而，市售的白噪声发生器相当昂贵，使它的应用受到一定限制。
在对双极性晶体管的散粒噪声的功率特性进行分析之后，利用它在极宽的频带范围内具有均匀的功率谱这一特性，设计实现了一个非常简洁有效的带宽可调的限带白噪声发生器，可以满足实验室或一般应用场合的要求。
2.1.1散粒噪声的特性
在双极性晶体管和半导体二极管等器件中，流动的电流不是平滑和连续的，而是各个携带着一个电子电荷的载流子的流动产生的电流脉冲之和。
其原因在于这些器件中有势垒存在，而载流子通过势垒是随机发生的一系列独立事件。
对于晶体管，当发射结处于正向偏置时，就有载流子越过发射结势垒由发射区注入基区。
虽然单位时间内注入基区的载流子平均数是一定的，但是某一个载流子越过势垒进入基区的事件却是随机的，它取决于载流子是否具有足够的能量以及指向结面方向的速度的大小。
这就使得注入基区的载流子数目在其平均数附近发生统计起伏，从而引起注入电流的起伏。
这种由于载流子各自独立而随机地通过势垒所引起的噪声，称为散粒噪声。
电流强度平均值为I的一系列独立的随机电流脉冲所产生的散粒噪声电流均方值可以表示如下:
（2．1）
其功率谱密度为：
（2．2）
由式（2．2）可知，散粒噪声的功率谱密度与频率无关，属于白噪声。
然而值得强调的是该式只在中低频范围内有效，在高频区（接近1GHz），散粒噪声也将随频率的上升而增加。
尽管如此，在极宽的频带范围内，其功率谱密度仍与频率无关。
而且，实验还发现，PN结反向击穿会使散粒噪声激增。
总之，PN结的散粒噪声具有以下特征:
在非常宽的频率围，从几赫兹到微波频段，其功率谱密度与频率无关，即呈白噪声;基极-发射极的PN结反向击穿时，噪声强度激增。
因此可以用作高性能的固态噪声源。
这样就可通过散粒噪声得到近似的白噪声。
2.1.2发生电路设计
声音在空气中的传播速度为340m/s，在短时间内可以形成多次反射。
为了避免多次反射干扰，发射时间必须非常短暂，可利用数字信号控制发射时间。
程控白噪声信号发生电路如图2.1所示。
图2.1程控白噪声信号发生电路
白噪声信号发生器利用普通双极性晶体管9014发射结齐纳击穿时产生散粒噪声，再经过一系列处理得到白噪声信号。
采用这样的配置，发射极-基极结的反向击穿电压可以很容易地用一般的频谱分析仪观察，其频谱带宽约为300MHz，而功率输出大约是-70dBm。
为了增大噪声功率，后级电路对散粒噪声进行了放大。
首先是将直流信号滤除，并尽量使交流信号通过，因而电容C1的容值和电阻R3的阻值选择得较大，C1容值为1F，R3阻值为200k。
NE5532是一个性能优良的低噪声电压放大器，工作电压为12V，由它组成的跟随器，工作带宽为10MHz，这样经过跟随器的输出噪声带宽限制在10MHz内，峰-峰值范围为5mV。
信号再经过一级电压增益为100的放大电路，然后输入给一个4阶的Butterworth开关电容低通滤波器电路，该电路的低通截止频率在0~30kHz范围内是可调的，只需调节TLC14CP时钟输入端的频率fclock，其中时钟频率fclock=1/169RC，R为电位器R8的阻值，通过调节R8，可以方便地改变输入时钟频率。
截止频率fco和时钟输入的频率fclock有关系，这样也就改变了截止频率率fco，从而改变了输出信号的带宽。
而为了精确控制白噪声发射时间，电路中加入了CD4051。
CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有3个二进制控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。
幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。
其中，二进制控制输入端A、B、C接地，选通通道0;INH连接到DSP的XF引脚，通过控制XF引脚电平的高低就可以控制白噪声发射的时间。
为了增大输出信号，后级采用输出放大电路，保证了在输出负载不小于200时，输出信号的幅度可以在10V范围内调节。
2.2DSP和ADS7862之间的连接
双传声器法测量吸声系数需要大量复杂计算，如FFT、计算吸声系数，并且白噪声信号的采样时间很短暂，经过筛选，系统DSP选用TMS320VC5402。
TMS320VC5402具有以下主要特点:
先进的多总线结构;多处理单元;多级流水线结构;特殊的DSP指令;单周期定点指令执行时间为10ns等。
以上这些优点使TMS320VC5402具有较好的数字信号处理能力，适用于FFT变换以及语音噪声信号处理等，功耗低、集成度高，可用电池供电，广泛应用于便携式设备中。
系统需要在10ms内至少采集512个数据，并且为了减少误差、提高测量精度，双通道必须同时采样、进行模数转换，因此选用ADS7862。
它内部集成2个A/D
转换器，共用启动转换信号CONVST、读写信号、忙信号等控制信号，双路同时采样保持转换，功耗仅为40mW。
因此，ADS7862在保持系统性能的同时，使系统的硬件电路更加简单便携。
并且前端加入运算放大器OPA132和4个电阻，使ADS7862配置为双极性输入，改变电阻大小就可以调整输入的电压范围。
ADS7862和DSP的连接图如图2.2所示。
图2.2ADS7862和DSP的连接图
2.3声强探头电路的实现
吸声系数测量仪的接收部分是声强探头电路。
声强探头电路是两路完全对称声电转换电路，将传声器探头所在声场的声压信号转换成电信号，通过前置放大器带动长线输出，避免仪器引起声场变化。
接收装置为传声器，传声器是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。
灵敏度是话筒在单位声压激励下输出电压与输入声压的比值，其单位是mV/Pa。
为与电路中电平的度量一致，灵敏度也可以分贝值表示。
2.3.1移相式正弦波发生电路
为了进行仿真，使用移相式正弦波发生电路当作接收到的声音信号。
移相式正弦波发生电路如图2.3所示。
图2.3移相式正弦波发生电路
移相式正弦波是由三节RC超前或滞后移相反馈网络和反相放大器组成，常用于产生低频正弦信号。
三节RC电路含180º相移，与负馈放大器正好在该频率上构成正反馈，与负反馈放大器正好在该频率上构成正反馈，满足振荡的相位平衡条件
，若适当选择稳幅负反馈网络的反馈电阻RF，使放大器闭环增益大于1，即满足振荡的振幅条件
，就能在输出端得到正弦波振荡信号。
2.3.2功率放大电路
由于发射端需要使用扬声器发射出白噪声，但三极管产生的白噪声功率较小，所以需要功率放大电路进行放大，驱动扬声器。
而由话筒接收到的信号功率一样很小，所以同样需要功率放大电路进行放大。
该功率放大电路使用LM386对信号进行放大。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器。
为使外围元件最少，电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。
LM386的外形和引脚的排列如图2.4所示。
引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。
查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V（LM386N-4）；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。
图2.4LM386的外形和引脚的排列图
由于传声器输出电压仅为几十mV，为了进行下一步的计算，要使用功率放大器对信号进行放大。
LM386的1脚和8脚是增益调整引脚，其内部为一个约为1.35K的电阻，1，8脚开路的时候，增益最小约为20倍（26db），当1，8脚交流短路，增益最大，达到200倍（46db），在1，8之间串联电阻，可调整增益在20倍到200倍之间变化。
具体的计算公式可参考如下：
GAIN=30000/（150+（（1350*R）/（1350+R）））（2．3）
其中R为1，8脚之间串联的电阻，单位为Ω，（（1350*R）/（1350+R））即两电阻的并联值。
功率放大电路如图2.5所示，电压放大倍数约为20倍。
图2.5功率放大电路
2.4A/D转换模块
ADC0809是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型ADC，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑。
利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
ADC0809的内部结构如图2.6所示。
IN0～IN7：
8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。
D7～D0：
A/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。
8位排列顺序是D7为最高位，D0为最低位。
图2.6ADC0809内部结构框图
ADDA、ADDB、ADDC：
模拟通道选择地址信号，ADDA为低位，ADDC为高位。
地址信号与选中通道对应关系如表2.1所示。
表2.1地址信号与选中通道的关系
地址
选中通道
ADDC
ADDB
ADDA
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
VR（+）、VR（-）：
正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。
在单极性输入时，VR（+）=5V，VR（-）=0V；双极性输入时，VR（+）、VR（-）分别接正、负极性的参考电压。
ALE：
地址锁存允许信号，高电平有效。
当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。
在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。
START：
A/D转换启动信号，正脉冲有效。
加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。
如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。
EOC：
转换结束信号，高电平有效。
该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。
该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。
在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。
OE：
输出允许信号，高电平有效。
当微处理器送出该信号时，ADC0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。
在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。
本设计中ADC0809与单片机的接口电路如图2.7所示。
ADC0809的ALE与START管脚接到P1.4，EOC管脚接到P3.3，OE管脚接到P1.5，转换结果输出D0～
D7与单片机的P0口直接相连。
图2.7A/D转换电路
2.5LCD显示模块
本系统的显示部分采用LCD1602芯片，LCD显示模块是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成1个整体作为1个独立部件使用，只留1个接口与外部通信。
LCD引脚功能如表2.2所示：
表2.21602引脚功能表
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双
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