基于STM32的电声综合测试仪硬件设计

周静雷，孙 端

（西安工程大学电子信息学院，西安710048）

基于STM32的电声综合测试仪硬件设计

周静雷，孙 端

（西安工程大学电子信息学院，西安710048）

介绍了电声测试的基本原理，提出一种基于STM32微处理器的电声综合测试仪具体硬件设计方案，并给出了该仪器下位机软件的运行流程。该测试仪有多组测量端口，具备测试扬声器、传声器、分频器、功率放大器等电声器件及电声设备的功能，并且测试仪通过USB端口与计算机进行通信，在测试过程中可以使用上位机软件控制电路模态。经过实践检验，该电声综合测试仪能够满足设计需求，并且使用方便可靠，可以显著提高电声综合测试的效率。

电声测试；硬件设计；微处理器；USB通讯；频率合成芯片；仪器校准

1 引言

电声测试是指在研发与生产过程中对扬声器等电声器件及电声设备进行频率响应、阻抗、失真、极性、T-S参数等基本参数进行测试的过程，是设计扬声器与评估扬声器性能的重要依据[1-2]。

提出了一种电声综合测试仪具体的硬件设计方案，该测试仪测量端口丰富，具备测试扬声器、传声器、分频器、功率放大器等电声器件及电声设备的功能，并且测试仪通过USB端口与计算机进行通信，在测试过程中可以使用上位机软件控制电路模态，提高了电声测试效率，减少了电声产品的开发成本及难度。

2 电声测试基本原理及方法

目前主流的电声测试系统都是基于计算机、专业声卡以及硬件系统的综合测试系统[3]。一般情况下，一套电声综合测试系统的声学测试结构原理如图1所示，首先声卡发出激励信号，激励信号经过功率放大器进行放大，放大后的激励信号激励被测的扬声器发声，然后通过传声器对声音信号进行采集，将扬声器发出的声信号转变为电信号然后输入到声卡，再由计算机对其进行分析与计算，得出待测扬声器的各项参数[4-5]。应当注意的是，测量扬声器时，激励信号可以选择步进正弦扫频信号、离散对数扫频信号、连续对数扫频信号[6]。另外，传声器在采集扬声器响应信号时，为避免外界噪声干扰，需在消声箱内进行。

图1 电声测试系统声学测试结构原理图

测量分频器、功率放大器时应用到电学测试结构。一套电声综合测试系统的电学测试结构原理如图2所示，由声卡发出激励信号并接收响应信号就可测得被测设备的频率响应。测量扬声器的阻抗，T-S参数时需要在此基础上增加阻抗盒来获取通过扬声器的电流值[7-8]，阻抗测试的电路原理如图3所示。电路中Line Out输出两端串联一个已知阻值的精密电阻Rref和被测扬声器z，Line In通过开关K分别连接Line Out两端和扬声器两端，Line Out，Line In共地。测试时，Line Out发出扫频信号，Line In采集到多个频率下A点和B点的电压。扬声器的阻抗为：

图2 电声测试系统电学测试结构原理图

图3 电声测试系统阻抗测试电路原理图

其中u是扬声器两端电压，i是通过扬声器电流，并且有：

其中uA和uB分别表示A点和B点电压值，Rref表示已知精密电阻的阻值，将其代入（1）式有：

3 电声综合测试系统设计思路

电声综合测试系统的设计思路如图4所示，该系统需要有一台装有专业声卡的计算机，其主要作用是作为上位机测试软件的载体。上位机测试软件通过对专业声卡的驱动来实现测试信号的产生以及对传声器录入信号的AD采样，同时通过USB接口与测试仪进行实时通信来监控和发送指令到测试仪，测试仪通过识别指令进行相应的动作。另外需要一台集成了功率放大器以及标准信号源的电声综合测试仪，该测试仪具备通道选择功能，由计算机发送指令，既可以选择接入声卡输出的信号，也可以选择接入内置标准信号源的信号作为测试信号。并且输入到声卡的信号也可以进行切换，可以选择传声器输入信号，Line In线路输入信号，声卡输出经过功率放大器的信号，或内置标准信号源的信号，从而极大丰富了电声测试系统的测试与分析功能，使得实际测试过程中不需要改变仪器接线，提高了电声测试的工作效率。此外该系统还需要相应的被测设备，传声器，消音箱等结构。

4 电声综合测试仪硬件设计方案

4.1 硬件电路结构

该电声综合测试仪的硬件电路结构如图5所示，电路采用模块化设计方法，将不同功能的电路例如控制电路、功放电路、信号源电路、电源电路等放在不同的PCB板上，各个模块之间通过主板进行耦合，这样使得仪器在安装与调试时更为方便。

本设计使用了STM32F103V8T6芯片。该芯片是一款基于Cortex-M3内核的32位ARM微控制器，其内部集成了64k字节的Flash和20k字节的SRAM，可以满足程序存储需求[9]。此外在仪器中加入了AD公司的USB数字隔离器ADuM4160，该芯片支持双电源供电，并且两端兼容3V/5V工作电压，支持低速和全速通信，可以保证USB通信质量。由于组成仪器硬件电路的元器件普遍存在差异，并且受到仪器使用环境的温度湿度等因素影响，仪器在使用时会存在误差。为了最大程度消除测试仪硬件误差，需要在使用前进行校准。一般的测试仪只能送至生产厂商使用外接信号源人工校准，其过程复杂而且费时，并且无法保证测试仪使用环境不同时的精度[10-11]。本测试仪为了达到高精确性校准的目的，在电路中集成了TI公司的DDS芯片AD9850作为标准信号源。通过上位机操作使AD9850产生正弦波，并且通过DAC8801衰减器将输出信号衰减为规定幅值。需要校准时使用内置标准信号源对电路各模块进行校准，通过USB总线将校准数据下载到ARM闪存中，使用仪器时从闪存中读取数据,从而完成仪器自校准功能。也可以通过上位机控制电路通道使得AD9850产生的正弦波信号经过功放电路后驱动扬声器发声。

图5 电声综合测试仪硬件结构图

功放板电路采用LM3886T芯片对信号进行放大。LM3886T是一款高性能的音频功率放大器，其在20Hz到20KHz上的失真只有0.1%。LM3886T芯片通过使用瞬时峰值温度保护电路确保电路安全性,并且这种保护电路可以对输出端进行过压、欠压、过载、短接以及瞬时峰值温度保护。

本仪器的信号分配与调理电路采用松下公司的TX2-5V继电器和欧姆龙公司的G5V-1继电器，通过接收上位机命令，可以对输入输出信号进行切换与选择，并且通过改变放大电路接入电阻可以改变放大电路的增益。

4.2 下位机程序

下位机软件流程图如图6所示。仪器在开机初始化之后根据上位机命令对电路相应模块进行AD采集，然后向上位机发送采集数据以达到校准的目的。本设备的ARM程序可以通过USB总线接收从上位机发送的数据，上位机一次传输一个64字节的数组，下位机对这个数组进行分析，从而执行相应的操作。下位机操作模式分为三种，分别是控制模式、存储模式和查询模式。控制模式可以依照上位机的命令来对继电器、LED灯、AD9850芯片以及DAC-8801芯片等进行控制；存储模式可以将上位机校准后的修正值存储到ARM闪存中；使用仪器时再通过查询模式向上位机发送存储的数据，从而保证仪器的精确性。

图6 下位机软件流程图

4.3 上位机程序

上位机软件的操作界面如图7所示。上位机软件主要使用C++语言实现，软件平台采用Borland公司的C++Builder 6.0编译器，该编译器具有可视化编程环境和快速编译优化方法，可以满足本应用的程序设计。上位机软件通过使用USB组件发送与接收数据，从而实现控制、存储与查询功能。当USB设备连入主机后，主机就会通过枚举读取设备的描述符信息，从而加载相应的驱动实现对设备的识别与通信[12]。

4.4 注意事项

（1）专业声卡的工作电压一般不超过5V，为避免经过功放放大后的信号过大导致声卡损坏，电声综合测试仪内部应该具备充分、合理的保护电路，以保证测试系统具有较高的可靠性。

（2）使用声卡发出激励信号之前要对声卡进行校准，保证测试仪输出电压的精确性。

图7 上位机操作界面

5 试验结果与分析

电声综合测试仪的试验结果见表1。在试验中使用内置标准信号源产生频率为1000Hz、幅度为71mV的正弦信号对电路四个模块进行不同增益的测试。由试验结果可见，该测试仪各通道的实测增益与设计增益基本相符，出现的个别偏差是由于元器件差异所导致，不影响实际使用。

表1 电声综合测试仪试验结果

6 结束语

通过使用性能优良、价格低廉的STM32微控制器，采用较实用的USB通讯方式，并且通过模块化电路设计方法，给出了一种电声综合测试仪具体的硬件设计方案，结合上位机分析软件就可以对测试信号进行分析与处理。本设计的创新之处在于该测试仪有多组测量端口，具备测试扬声器、传声器、分频器、功率放大器等电声器件及电声设备的功能，并且测试仪通过USB端口与计算机进行通信，在测试过程中可以使用上位机软件控制电路模态。经过实践检验，该电声综合测试仪能够满足设计需求，并且使用方便可靠，可以显著提高电声综合测试效率，是对传统电声测试系统硬件的一种改进。

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Hardware Design of Electro-acoustic Comprehensive Measurement Instrument Based on STM32

Zhou Jinglei,Sun Duan

（Electronic Information College,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China）

The basic theory of electro-acoustic measurement,a specific hardware design scheme of electro-acoustic comprehensive measurement instrument based on the STM32 microprocessor,and the running process of lower computer are proposed in this paper.It has abundant measurement ports for measuring electro-acoustic devices such as speaker,microphone,frequency divide and amplifier.This instrument communicates with PC by USB port and is controlled by upper computer to change circuit pattern during testing.After practical test,this electro-acoustic comprehensive measurement instrument,which is convenient and reliable,can meet the design requirements,and improve the efficiency of electro-acoustic comprehensive measurement obviously.

Electro-acoustic measurement；Hardware design；STM32 microprocessor；USB communication;DDS chip;Instrument calibration

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.018

TP368.1；TB51+6

A

1002-2279-（2017）02-0077-05

周静雷（1978-），男，河南省温县人，博士，副教授，主研方向：电声学、声频测量。

2016-08-11