双通道音量调节及电平指示模块设计与实现

罗纯哲，李探元

(91245部队，辽宁 葫芦岛125001)

在有线语音指挥调度系统模拟扬声单机中需要对收发通道音量进行调节和电平指示，传统方法采用机械电位器和电平指示专用集成电路实现，存在硬件组成复杂、占用安装空间大、抗干扰能力和可靠性差等不足。本方案以宏晶公司生产的新型1T高速单片机STC12C5A60S2为核心，利用片内丰富的A/D资源和I/O口，通过软硬件结合实现了双通道音量程控调节和峰值电平的动态显示，具有硬件电路简单、显示效果调整灵活和调试方便等优点。

1 总体设计方案

1.1 总体设计框图

总体设计框图如图1所示，以单片机STC12C5A60S2为控制核心，接受音量调节按键指令，显示音量设置值，通过软件模拟I2C总线控制音量调节数字电位计，实现双通道音量调节；通过A/D转换口对峰值检波器输出的峰值电平值进行采样、计算、处理，并通过 P0、P1口直接驱动LED发光条进行峰值电平动态显示。

1.2 硬件设计

模块硬件组成主要包括电源、峰值检波器、微控制器、数字电位器、按键及显示单元等。

1.2.1 电源

外部输入的 9～12 V直流电源，通过高性能、低功耗AS1117线性稳压电源模块转换为+5 V直流电源，并增加输入输出高频滤波电路，使输出纹波电压进一步减小，电压输出幅度稳定，满足模块供电要求。

1.2.2 峰值检波器

为了能够实时采集到音频信号的峰值电平，需要对输入的音频信号进行峰值检波。图2为峰值检波单元电路原理图。电路采用一片NE5532低噪声双运放辅以二极管、电阻、电容等元件构成正峰值检波器，图中 R1、R2为运放IC1A的偏置电阻，使运放正输入端偏置于2.5 V，保证运放在单电源下正常工作，C4为峰值保持电容，R3为放电电阻，改变R3可以调节峰值保持时间，运放IC1B为输出缓冲器，缓冲器输出电压减去2.5 V偏置电压即可得到输入音频信号的峰值电压。

1.2.3 微控制器

微控制器采用宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1 T)的单片机 STC12C5A60S2，它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8～12倍[1]。最高工作频率可达 35 MHz，具有44个I/O口，每个I/O口驱动能力均可达20 mA，内部还集成有MAX810专用复位电路，512 B的E2PROM，1 280 B的 RAM，60 KB程序存储器，2路 PWM，8路 10位高速 A/D（250 kS/s），主要针对电机控制等强干扰应用。另外还具有ISP（在系统可编程）/IPA（在应用可编程）功能，无需专用编程器和仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，方便软件下载和调试。

本方案中，为了简化硬件，STC12C5A60S2单片机采用内部 R/C振荡器，2路音频峰值电压通过 P1.0、P1.1口输入进行 A/D转换和采样；用P1.2、P1.3软件模拟I2C总线，通过I2C总线控制数字电位器X9241调节通道音量；音量调节加减按键通过P1.4～P1.7输入；设置音量和峰值电平通过P0、P2口直接驱动2个8位LED柱形发光条进行显示。

1.2.4 数字电位器

音量调节单元采用Intersil公司生产的X9221A数字电位器，X9221A采用CMOS工艺，内部设有2个独立的三端10 kΩ数字电位器，而且带有非易失性存储器E2PROM，能在设备掉电时自动存储滑动端设定值，擦写次数10万次，保存期可达100年[2]。X9221A内部每个数字电位器的滑动端抽头数为64，总电阻值为10 kΩ，每次调节的电阻值为 10 kΩ/64，范围为 0～10 kΩ，电阻呈线性变化。与传统机械电位器相比，数字电位器具有程控调节的功能，滑动端非接触，因此寿命长，不受震动影响，而且体积小，易于装配和节省空间。

本方案中，单片机通过P1.0、P1.1口软件模拟I2C总线与X9221A进行通信，控制和调节数字电位器实现双通道音量64级程控调节功能。

1.2.5 按键及显示单元

每个通道分别设有音量加减按键，共计4个。显示单元采用2个10位LED柱形发光条，最低位用于电源状态指示，最高位用作音量设置状态指示，中间8位用于音量设置值及峰值电平动态显示。

1.3 软件设计

STC12C5A60S2单片机软件在Keil集成开发环境下，采用汇编语言对其编程，目标代码利用STC提供的ISP下载工具STC-ISP.EXE通过串口下载到单片机，下载和调试非常方便。

1.3.1 主程序模块

主程序模块通过查询方式完成双通道音量设置和峰值电平的计算和显示，流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

1.3.2 T0中断服务程序模块

主要完成音频峰值采样定时、音量设置状态延时、峰值电平显示周期定时、双通道峰值电压的A/D转换、最大值比较和提取工作，程序流程图如图4所示。在音量设置状态下，实现设置状态延时保持，设定延时时间到后，自动转入电平显示状态。在电平显示状态下，每次中断都对双通道峰值电压进行A/D采样，比较前后两次采样值提取最大值，得到显示周期内音频峰值最大值并保存，用于音频峰值电平的计算和显示。通过修改中断次数比较初值，可以方便地调节音量设置状态保持时间，也可以方便地调节峰值电平显示周期，以找到符合人的心理学中视觉听觉联合感受[3]的显示周期。

图4 T0中断服务程序流程图

1.3.3 峰值电平计算及显示模块

主要完成峰值电压—峰值电压电平转换及显示数据计算、动态更新和显示。

电路中某测试电压与标准比较电压0.775 V之比取常用对数的 20倍称为电压电平[4]，单位为 dBu，其数学表达式如下：

Lu=20lg（U/0.775）

其中，Lu为电压电平，单位为 dBu；U为峰值电压，单位为V。

峰值电压－峰值电压电平转换及LED显示对应关系如表1所示。

表1 峰值电压－峰值电压电平转换及LED显示对应关系

2 实验结果与分析

为了调试方便，通过电脑媒体播放器连续播放语音和音乐，电脑输出音频信号输入到模块音频输入端，模块音频输出端接电脑有源音箱的输入，通过模块音量调节按键调节双通道输出音量，根据音箱发出声音大小判断音量调节是否正确。通过实验验证，模块双通道音量调节功能正确可靠。通过改变电平显示周期观察电平动态显示效果，调试发现：显示周期越短，显示的电平变化幅度大而且快速，视觉感受相对于听觉感受滞后小，但因显示变化速度太快，视觉上有闪烁感；随着显示周期的延长，显示的电平变化幅度变小，视觉感受相对于听觉感受滞后变大，视觉听觉同步感变差，但视觉感受变好，没有明显的闪烁感。通过调试验证，电平显示周期在20 ms～80 ms范围内选取，可得到较好的显示效果。

本文根据某有线指挥调度系统模拟扬声单机研制需要，设计了一种基于STC12C5A60S2单片机的双通道音量调节和电平指示模块方案，并制作实物进行了调试和验证。验证结果表明，方案设计合理可行，研制的模块实物体积小、成本低、操作简单、易于实现，具有较高的性价比和使用价值。

[1]STC12C5A60S2中文手册完全版[OL].[2011-01-15].http：//www.stcmcu.com.

[2]Intersil.X9221 a double digital controlled potentionmeters data sheet[S].2007.

[3]唐伟.解读 VU 电平表[J].音响技术，2008(7)：62-64.

[4]丁光亮，楚纪正，王琦.数字信号音频电平的算法研究[J].通信技术，2010，43(7)：150-153.