一、項目概述

1.1 引言

隨著工業生產、交通運輸、城市建筑的發展，以及人口密度的增加，家庭設施（音響、空調、電視機等）的增多，環境噪聲日益嚴重，它已成為污染人類社會環境的一大公害。因此環境噪聲的監測已經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，是從事專業噪聲監測、音頻信號的研究應用的常用工具，應用十分廣泛。

傳統的模擬音頻頻譜分析儀有明顯的缺點，硬件實現復雜，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場進行實時的測量，因此無法滿足現代環境噪聲測量的要求。基于快速傅里葉變換(FFT)的現代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量,達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果。這種新型的頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣,再經FFT處理后獲得頻譜分布圖，實現音頻的頻譜分析。

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字信號處理中的數據運算要求；而且AVR EVK1105開發套件上配置有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增益，集成模數轉換（ADC）部件，可在8K到96K的頻率范圍內提供16bit的采樣，能夠達到較高的數據采樣精度；QVGA(320*240)全彩色LCD顯示屏能夠很好的實現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開發套件提供的軟硬件資源，采用數字信號處理的方法實現一個基于Wi-Fi控制的實時噪聲頻譜儀。該實時噪聲頻譜儀采用數字的方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)獲取采樣數據,運用FIR數字濾波算法以及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，實現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場和實驗室無人環境的噪聲測量任務。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）、實現對輸入噪聲信號的參數測量功能：

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：

?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的無線網絡連接，實現遠程設備控制，實現無人環境下的噪聲測量；

3）、SD卡實現數據存儲、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 系統功能實現原理

本系統主要采用AVREVK1105開發板上的音頻數據輸入接口或者麥克風獲取噪聲信號數據，并使用開發板上的TVL3230AIC23B低功耗立體聲音頻編解碼器芯片實現16位的A/D轉換，實現模擬信號到數字信號的轉換，并運用AT32UC3A0512的DSP指令集實現FIR數字濾波、FFT算法，得到音頻信號的頻譜數據，計算出實現音頻信號的相關參數，并實時的在開發板上的全彩色LCD屏上顯示噪聲信號的波形圖、頻譜圖以及相關參數的數值。也可以將采集的數據通過開發板上的SD卡插槽存儲到SD卡中，以備后續數據回放、分析使用。

該系統還支持基于Wi-Fi的無線網絡接口進行設備的遠程控制操作，如測量參數設置、測量開始、停止等命令，實現無人環境下的噪聲參數的測量。從而完成噪聲信號的監測、分析功能。

系統硬件結構框圖如圖1所示：

圖1 系統硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1、硬件平臺：

系統使用AVREVK1105開發板， AVR EVK1105是基于AT32UC3A0512的評估套件。

EVK1105開發板硬件資源使用：

(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 高效的實現數字信號的處理；

(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增益，集成模數轉換（ADC）和數模轉換（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，用于噪聲現場的聲音信號采集；

(5)、SD讀卡器：外接SD卡，實現采集數據的存儲和回放；

(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)、擴展網絡通信功能，實現基于Wi-Fi的無線設備控制。

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

2、軟件平臺：

(1)、 Windows XP操作系統。

(2)、 AVRStudio5.0 : 開發和調試嵌入式AVR應用的的集成開發環境，用于創建、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系統軟件架構

1、系統軟件構架圖：

圖2 系統軟件構架

2、系統軟件模塊：

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

(2)、數據訪問模塊：通過文件系統讀取SD卡上存儲的數據；

(3)、界面顯示模塊：彩色LCD屏顯示開機界面，或者顯示測量數據。

(4)、數字信號處理模塊：運用AT32UC3A0512微控制器完成FIR數字濾波，FFT頻譜計算以 及噪聲相關參數計算，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：整個系統的框架程序，完成各個任務的調度。

(8)、LwIP：完成WiFi網絡通訊功能，進行設備的無線控制。

(9)、文件系統：用于SD卡的數據存儲、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)、系統各個模塊的初始化；進入步驟（2）；

(2)、根據顯示緩存內容，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，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狀態，進入步驟（4）。

(4)、根據操作命令字和系統狀態判斷是否開始測量，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噪聲信號經行一定頻率的采樣，轉換成離散的噪聲信號數據；然后進入步驟（6）；

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

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

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

(9)、若之前設置需要存儲數據，則將相關數據通過板上的SD卡插槽存儲到SD卡中，以備后續回放、分析使用；然后返回步驟（2）。

3.5 系統預計實現結果

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