基于ARM的便攜式音頻頻譜分析儀設計報告.

1、逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀設計報告 項目組： _ 逆火 項目組成員： 薛扣英（研） 西安交通大學計算機系統(tǒng)結構 丁少華（研） 西安交通大學工企自動化 陳墨（研） 西安交通大學系統(tǒng)工程 趙剛（研） 西女交通大學計算機軟件與理論 周佳（本） 西安交通大學軟件工程 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 1. 系統(tǒng)簡介: 該系統(tǒng)能夠在噪音場合使用手持設備進行聲音的采集， 以及進行簡單的頻譜分析， 更能 夠為現(xiàn)場工程師提供簡單的故障診斷信息， 具有很強的工程使用價值。并且可以連接示波器， 在沒有計算機的情況下重放信號波形，增強了系統(tǒng)的可用性和擴

2、展性。 2. 系統(tǒng)功能: 1. 示波兩用（產(chǎn)生時域波形） 2. 存儲音頻信號（總計 30分鐘采集，可分多個文件存儲） 3. 頻譜分析（包括Bode圖） 4. 頻帶分離 5. 頻譜還原 3.實現(xiàn)原理：見圖1 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 FFTFFT 算法圖1系統(tǒng)原理框圖 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 在本系統(tǒng)中采用雙緩沖機制，有輛個緩沖區(qū)分別為 Buf和Buffer, Buf用來存放采集的 我們知道N點FFT運算可以分為logn2級，每一級有 N/2個碟形。FFT變換的算法是 用3層循環(huán)完成全部運算。 FFT算法思想如下： 開始后進行碼位倒置，得到 FFT運算所需要

3、的輸入序列。然后采用 3層循環(huán)完成N點 FFT。第一層循環(huán)是“級” ，N=2M點FFT運算共有M級，這里，我們用 m作循環(huán)變量；第 二層循環(huán)是“組”，由于第L級有2L-1個蝶形因子（乘數(shù)），第二層循環(huán)根據(jù)乘數(shù)進行控制 ， 保證對于每一個蝶形因子第三層循環(huán)要執(zhí)行一次 ，這樣，第三層循環(huán)在第二層循環(huán)控制下，每 一級要進行2L-1次循環(huán)計算。第三層循環(huán)是每組里的蝶形單元由于第 L級共有N/2L個群， 并且同一級內不同群的乘數(shù)分布相同 ，當?shù)诙友h(huán)確定某一乘數(shù)后 ，第三層循環(huán)要將本級中 每個群中具有這一乘數(shù)的蝶形計算一次 ，即第三層循環(huán)每執(zhí)行完一次要進行 N/2L個碟形計 算。 可以得出結論：在每一

4、級中，第三層循環(huán)完成 N/2L個碟形計算；第二層循環(huán)使第三層循 環(huán)進行2L-1次，因此 第二層循環(huán)完成時，共進行2L-1 *N/2L=N/2個碟形計算。實質是：第二、 第三層循環(huán)完成了第 L級的計算。 波形顯示 因為要把處理前的數(shù)據(jù)和經(jīng)過 可以顯示顯示時域圖以及頻譜圖。 圖2。 圖2多線程程序流程圖 數(shù)據(jù)存儲 FFT處理后的數(shù)據(jù)同時顯示在 為了把波形顯示在特定的區(qū)域， LCD上，所以， LCD上 需要對數(shù)據(jù)進行處理，見 4 蔚 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 MIC電路，包括駐極體話筒的硬件接口和相應放大電路。駐極體話筒將拾取到的聲音信號 轉換成電信號并放大，同時通過壓-流轉換為電

5、流信號送入系統(tǒng) AD模塊 * 鬥 D785 牛郵 HEHDER 11X2 LII I ll:l:l:l;:l:K:lnl:l: 數(shù)據(jù)，Buffer為臨界資源。程序把數(shù)據(jù)從 Buf放入臨界資源Buffer中，設置一個共享鎖，實 現(xiàn)該模塊、數(shù)據(jù)的處理和顯示模塊的互斥訪問。 4. 硬件設計: PCB圖 嵋 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 AD變換部分，將從 MIC傳來的電流信號轉換為電壓信號并采樣數(shù)字化，然后通過數(shù)據(jù)總 線送入ST710。 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 DA模塊，可將系統(tǒng)中存儲的數(shù)字信號還原為波形并在示波器上輸出。 通過總線與ST710連 鍵盤電路，接收外界

6、輸入并使系統(tǒng)作出相應動作。 * * * bdfbdf 接。 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 ST710主系統(tǒng)PCB。 5. 軟件設計： 5.1.5.1.系統(tǒng)層 操作系統(tǒng) 系統(tǒng)層以免費、成熟的 uc/os- n操作系統(tǒng)內核為基礎進行移植擴展。所謂移植，是指 使一個實時操作系統(tǒng)能夠在某個微處理器平臺上運行。根據(jù) 卩c/osn的體系結構，包括對 與處理器相關的 OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM、OS_CPU_C.C三個文件中的代碼進行移植， 以及對與應用設置相關的 OS_CFG.H、INCLUDES.H兩個文件中的代碼進行移植。移植的關 鍵是定義宏 OS_ENTER_CRITI

7、CAL()和OS_EXIR_CRITICAL()控制系統(tǒng)打開關閉中斷；定 義函數(shù)OS_TASK_SW，執(zhí)行任務切換；用純匯編定義函數(shù) OSCtxSw，實現(xiàn)用戶級上下文切 換；用純匯編定義函數(shù) OSIntCtxSw，實現(xiàn)中斷級任務切換；定義函數(shù) OSTaskStklnit來初始 化任務堆棧；定義函數(shù) OSTimeTick實現(xiàn)時鐘中斷服務。 在uC/OS-n提供的任務調度內核的基礎上通過設計驅動程序模塊、操作系統(tǒng)的 API函 數(shù)、系統(tǒng)任務、任務調度模塊等模塊對操作系統(tǒng)內核進行擴展。通過設計實現(xiàn) LCD和USB 設備的接口函數(shù)，建立驅動程序模塊，使操作系統(tǒng) API函數(shù)和底層硬件分離開；操作系統(tǒng) 的A

8、PI函數(shù)部分主要是設計圖形用戶接口 (GUI)函數(shù)，建立系統(tǒng) API函數(shù)庫；系統(tǒng)任務部分 設計液晶顯示屏刷新任務、按鍵掃描任務兩個基本任務，并隨操作系統(tǒng)的啟動而運行。逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 驅動 在嵌入式系統(tǒng)中，設備驅動程序隱藏了各種設備的具體細節(jié)，維護著設備的正常工作， 在用戶與設備之間起到了橋梁作用。開發(fā)設備驅動程序是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的重要工作之一。 在該系統(tǒng)中，涉及兩個驅動程序： CS5341驅動和LCD驅動。 5.2. 5.2. 應用層 在系統(tǒng)層提供的 API函數(shù)和任務調度模塊的基礎上，設計主任務、信號采集任務、頻 譜分析任務、示波器任務來分別完成開機主界面操作、 4

9、通道信號采集及圖形顯示、采集信 號的頻譜分析、信號發(fā)生器功能。系統(tǒng)硬件、操作系統(tǒng)、 LCD的初始化部分由應用層程序 入口函數(shù)調用執(zhí)行，函數(shù)入口流程如圖 3,其中主任務流程如圖 4。 系統(tǒng)分三個主要功能模塊：頻譜分析模塊，示波器功能模塊，歷史數(shù)據(jù)回放模塊。 圖3函數(shù)入口流程1 _ . LCD Irk 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 頻譜分析 SRAM寫滿后將全部數(shù)據(jù)寫入 SD卡，每40ms進行一次256點FFT運算，將結果顯示在 LCD屏幕上。 圖5頻譜分析軟件流程圖 開始工作以后，以100K的頻率進行采樣, 采樣數(shù)據(jù)進入CPU，同時寫入SRAM，每當 圖4主任務流程 逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 示波器功能逆火 基于 ARM 的便攜式音頻頻譜分析儀 開始工作以后，以100K的頻率進行采樣， 采樣數(shù)據(jù)進入CPU , SRAM寫滿后將全部數(shù)據(jù)寫入 SD卡，每40ms刷新一次LCD，以 波形，觸發(fā)電平可調。 歷史數(shù)據(jù)回放 將SD卡中的相應數(shù)據(jù)讀入，并在 LCD中回放，并可以選擇連續(xù) 進和快退功能。 6. 人機接口設計： USB 2.0 F