基于C8051F060单片机语音信号分析仪设计

东北石油大学电子科学学院 张梦璐 曹志民 韩 建

0 引言

C8051F060单片机采用Silicon Lab的专利CIP-51微控制器内核。指令集兼容8051，与标准8051结构相比指令执行速度却有很大的提高[1]。内部晶振25MHz，指令吞吐量可选25MIPS，片内集成了两个16位ADC，采样速率可达到1Msps，含有DMA控制器接口，可自行存储从内部A／D传出的数据，不占用系统内部资源，且不用程序控制，大大地提高了运行的效率，因此非常适用于语音信号的分析。

1 总体方案设计

该系统主要包括以C8051F060单片机为核心的主控制电路，射极跟随电路，程控增益放大电路，低通滤波电路，提升电路，SED1355图形液晶显示控制器控制的液晶显示电路，外扩RAM及键盘输入等。系统总体框图如图1所示。

系统采用NE5532构成前级射随电路，采用AD7520构成中级程控增益放大电路，末级低通滤波电路。前级射随，中间程控放大，末级低通滤波电路构成单片机的外围电路。AD7520经由单片机控制，利用单片机内部A/D采样，通过控制放大器内部可控电阻网络来实现较宽的输入电压范围。利用128K-8bit高速静态外扩RAM 71V124，可实现大数据量的处理。采用键盘显示芯片7279实现键盘的管理及控制。

图1 系统框图

2 主要单元电路设计

2.1 程控增益放大电路

本文应用AD7520作为程控增益放大器，通过其内部可控电阻网络，通过单片机内部A.D采样进行控制，实现可控增益调节，达到输入信号电压范围：20mV～5V。

根据运算放大器虚地原理，可以得到：

式中，R为外加反馈电阻。

所以增益放大倍数：

2.2 低通滤波电路

对于输入的信号，会含有很丰富的高次频谱分量，必须将它们滤除，才能得到频谱纯净的低频音频信号[2]，因此要求低通滤波器，这里采用了NE5532设计滤波电路。

2.3 提升电路

由于AD采样不能为负，故采用加法电路将信号电平抬高，VREF1为单片机内部2.5V基准。电路如图2所示。

图2 提升电路

3 软件部分

本系统的软件部分利用FFT傅里叶变换[3]对语音信号进行分析和处理。软件设计的流程如图3所示。

图3 软件设计流程图

本文所用的计算公式分别为：

(a)总功率为采集所有电压值的平方求和除以序列点数

式中，N为采集点数。

(b)经FFT后，幅度谱

(c)幅度谱对应频率

(d)各频率点功率

(e)总功率

(f)失真度

表1 测试结果

4 测试结果

本文确定的采样频率为20480Hz，采样点数为1024，频率分辨力为20Hz，系统测试的结果如表1所示。

Pt为时域计算功率，Pf为频域计算功率，Vpp为信号峰值电压，f1为基波频率，P1为基波功率，f2，f3分别为二次和三次谐波，P2，P3分别为二次和三次谐波功率。总功率测量的相对误差的绝对值小于1%。

从表1可以看出，本系统对低频信号的各项指标均能很精确的测量，频率步进为20Hz，对功率测量的精确度达到0.5%以上。

5 结束语

本文所设计的语音信号分析仪经过多次实验测试，结果表明，各项指标均满足实际应用需要，具有分辨率高，测试准确，性能稳定，抗干扰能力强，误差比较小，完全满足语音信号的实时分析与显示要求，有着广阔的应用前景。