【一種數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)10000字（論文）】

第第II一種數(shù)字音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要：生活水平的逐漸提高使人們提升了對音樂品質(zhì)的追求，數(shù)字音頻系統(tǒng)對音樂品質(zhì)的提高以及對人們聆聽感受的提升有著極為重要的作用，故各種數(shù)字音頻系統(tǒng)日漸流行。數(shù)字音頻系統(tǒng)包含各種音效處理器，目前常見的音效處理器有常用于修飾和增強(qiáng)音質(zhì)的均衡器，在電影后期配音和音樂制作中用于模擬不同環(huán)境下產(chǎn)生不同效果的混響器，以及為了減小信號傳輸帶寬而壓縮信號動態(tài)范圍的動態(tài)增益控制器。而均衡器是最基本的音效處理器，也是數(shù)字音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要基石，所以本文將使用均衡器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種音頻系統(tǒng)，經(jīng)過驗(yàn)證，本系統(tǒng)性能優(yōu)良，音頻均衡處理效果達(dá)到要求。關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；圖示均衡器；濾波器；音效處理目錄論文總頁數(shù)：49頁TOC\o"1-3"\h\u27872引言 269101相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ) 583881.1音頻技術(shù) 5110041.1.1從模擬到數(shù)字 556091.1.2壓縮編碼 5255581.1.3數(shù)字音頻接口 529801.2均衡器技術(shù) 5262191.2.1技術(shù)原理 527382硬件設(shè)計(jì)方案 7159912.1系統(tǒng)框圖 7179302.2主控單元 7308702.2.1時鐘和復(fù)位電路 8121172.2.2調(diào)試和電源電路 10249312.3均衡器單元 12174142.3.1電源電路 13324182.3.2接口電路 131132.4系統(tǒng)電源 1467982.5音頻功放單元 1541723軟件設(shè)計(jì)方案 17150433.1總體流程 17206053.2文件讀取 17264663.3軟解解碼 1951613.4數(shù)據(jù)傳輸 2031643.5音效處理 21285074系統(tǒng)調(diào)試和測試 23199744.1硬件電路調(diào)試 2371004.1.1系統(tǒng)組裝及調(diào)試環(huán)境搭建 23131604.1.2電源電路調(diào)試及性能測試 24287204.1.3音頻回路調(diào)試 26235204.2軟件調(diào)試 28272344.2.1軟件工程搭建 28253684.2.2測試音頻合成 293724.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 3027993結(jié)論 3229554參考文獻(xiàn) 332885附錄一原理圖和PCB圖 358928附錄二關(guān)鍵程序 361引言1.1研究背景音頻均衡處理（EQ）是數(shù)字音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，通過對數(shù)字音頻信號中的各個頻率分量獨(dú)立進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各種音效的同時還可以改善整體系統(tǒng)性能。對于頻響曲線不平坦的揚(yáng)聲器，可以使用均衡器做適當(dāng)?shù)脑鲆嫜a(bǔ)償使揚(yáng)聲器的頻響曲線變得平滑；同時，也可以使用均衡器來人為制造“失真”效果，獲得各種不同風(fēng)格的音樂效果，如古典、搖滾等。均衡器種類繁多，常用的有參數(shù)均衡器和圖形均衡器，參數(shù)均衡器可以自由設(shè)定中心頻率、Q值和增益三個參數(shù)；而圖形均衡器通常將20Hz到20kHz劃分為數(shù)個固定中心頻率和Q值的固定頻段，只需要簡單調(diào)節(jié)各頻段的增益即可實(shí)現(xiàn)均衡器功能，是目前市面上最普遍使用的均衡器。通過DSP運(yùn)行算法可以設(shè)計(jì)出特定參數(shù)的數(shù)字濾波器，然后將所設(shè)計(jì)各個濾波器進(jìn)行級聯(lián)構(gòu)成均衡器，然而數(shù)字濾波器的各項(xiàng)參數(shù)運(yùn)算復(fù)雜且運(yùn)算量通常很大，需要反復(fù)仿真以確定帶寬和增益等各項(xiàng)參數(shù)；本文采用的WM8978是一個集成5-band圖形均衡器的CODEC，該圖形均衡器設(shè)計(jì)靈活，在每個band內(nèi)都有5個中心頻率點(diǎn)可供選擇，中間的3個帶通濾波器支持平坦和窄帶兩種調(diào)節(jié)帶寬模式，并且擁有-12dB到+12dB的增益調(diào)節(jié)范圍。使用WM8978可以避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和大量的仿真實(shí)驗(yàn)，高效且低成本地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字音頻系統(tǒng)。1.2研究意義在電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的促進(jìn)下數(shù)字音頻系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代音響技術(shù)最熱門的領(lǐng)域之一，這讓許多研究機(jī)構(gòu)和音響公司都在這個領(lǐng)域不斷嘗試與創(chuàng)新，展現(xiàn)出了一幅百家爭鳴百花齊放的盛世局面。均衡器是數(shù)字音頻系統(tǒng)的基石，最初的均衡器都是采用模擬電路或者建筑聲學(xué)的方式來實(shí)現(xiàn)，模擬電路僅能實(shí)現(xiàn)簡單的音樂風(fēng)格，而且體積大、成本高、精度低、對環(huán)境敏感、抗噪聲能力弱和靈活性低；而采用建筑聲學(xué)的方式過于麻煩。通過數(shù)字音頻系統(tǒng)對音頻信號進(jìn)行均衡處理，可以很容易就實(shí)現(xiàn)原來那些只能通過模擬技術(shù)或者建筑聲學(xué)實(shí)現(xiàn)的音頻效果，還能彌補(bǔ)模擬信號處理造成的各種問題。均衡器既可以使用DSP運(yùn)行復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)也可以通過搭建嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，兩者在處理效果上不分伯仲，但是在設(shè)計(jì)難度上DSP方案涉及大量的數(shù)字信號處理知識和算法設(shè)計(jì)工作，難度大周期長；而WM8978內(nèi)部集成了均衡器，僅需搭建MCU+WM8978的嵌入式系統(tǒng)，通過編程改變均衡器的頻帶參數(shù)和增益參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)令人滿意效果，還可以減小設(shè)計(jì)難度縮短設(shè)計(jì)周期。1.3國內(nèi)外研究進(jìn)展芯片制造廠商已經(jīng)設(shè)計(jì)了很多將EQ效果固化進(jìn)CODEC的集成芯片，如NXP的SGTL5000和TI的PCM5121。SGTL5000是一款集成立體聲耳放的低功耗音頻CODEC，其內(nèi)部固化了一個5頻段的圖形均衡器和一個7頻段的參數(shù)均衡器，其中圖形均衡器固定中心頻點(diǎn)為115Hz、330Hz、990Hz、3000Hz和9000Hz；增益調(diào)節(jié)范圍從-11.75dB到+12dB；參數(shù)濾波器可編程內(nèi)置DSP來設(shè)計(jì)各數(shù)字濾波器的中心頻率、Q值和增益等參數(shù)實(shí)現(xiàn)均衡效果。圖1.1SGTL5000系統(tǒng)框圖TI的PCM5121是一款參數(shù)均衡濾波器芯片，其內(nèi)部采用TI的獨(dú)有DSP技術(shù)將頻段根據(jù)采樣率來劃分，通過TI的專業(yè)音頻軟件PurePathStudio對其進(jìn)行圖形化編程，設(shè)置各個中心頻點(diǎn)、帶寬、Q值和增益之后便可以便捷快速地完成均衡器的設(shè)計(jì)。圖1.2PCM5121系統(tǒng)框圖1.4本課題研究的主要內(nèi)容本課題主要使用WM8978設(shè)計(jì)數(shù)字音頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均衡器功能，其中包括以下幾個方面：（1）分析音頻技術(shù)的發(fā)展和均衡器設(shè)計(jì)原理。（2）.設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件方案，針對元器件選型、電路方案設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。（3）設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件架構(gòu)，對軟件設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析。（4）設(shè)計(jì)測試方法并對均衡器進(jìn)行測試，分析測試思路和測試結(jié)果。

2相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)2.1音頻技術(shù)2.1.1從模擬到數(shù)字隨時間連續(xù)變化的信號一般稱作模擬信號，自然界存在的信號都是模擬信號，要對音頻信號做均衡效果處理，就需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將原始音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼。最常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換是脈沖編碼調(diào)制(PulseCodeModulation，簡稱PCM)方式REF_Ref27464\pREF_Ref27464\w[1]，這也是最簡單的波形編碼方式，PCM編碼過程如圖所示。圖2.1PCM編碼過程2.1.2壓縮編碼原始信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器采樣、量化和保持后采用脈沖編碼(PCM)方式進(jìn)行編碼，PCM編碼得到的文件就是沒有壓縮的原始數(shù)字音頻文件，通常稱作PCM裸流，PCM裸流經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換可還原為模擬信號REF_Ref28927\w[1]。2.1.3數(shù)字音頻接口數(shù)字音頻接口(DigitalAudioInterfaces，簡稱DAI)常用于板級音頻信號傳輸。與傳統(tǒng)模擬音頻信號接口不同的是DAI采用全鏈路數(shù)字脈沖傳輸信號，使其抗干擾能力遠(yuǎn)優(yōu)于模擬傳輸方式。2.2均衡器技術(shù)2.2.1技術(shù)原理參數(shù)均衡器可以對基本濾波單元中心頻率、帶寬和增益進(jìn)行獨(dú)立控制。在中心頻率點(diǎn)兩側(cè)各存在一個點(diǎn),這兩個頻率點(diǎn)對應(yīng)幅值與中心頻率點(diǎn)對應(yīng)幅值存在某種固定關(guān)系,而帶寬就是這兩點(diǎn)之間的頻率差值,這個參數(shù)表征著頻譜所受濾波器影響的范圍。通常,規(guī)定幅值等于中心頻率點(diǎn)對應(yīng)幅值的0.707倍(3dB)的兩頻率點(diǎn)差值為帶寬,有時也用中心頻率對應(yīng)幅值的一半表示。有時并不用數(shù)值上的差值來表示帶寬,而用倍頻程來表示。3硬件設(shè)計(jì)方案3.1系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)硬件上由電源管理單元、主控單元、EQ均衡處理單元、顯示模組以及音頻功放單元組成；電源管理單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個模塊的供電，主控單元完成EQ單元邏輯控制及音頻軟解碼工作，EQ處理單元在主控單元的控制下完成對音頻數(shù)據(jù)流的均衡效果處理并進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換還原出模擬音頻信號，后級功率放大單元對還原出的模擬信號進(jìn)行功率放大并驅(qū)動揚(yáng)聲器播放音樂。圖3.1硬件系統(tǒng)框圖3.2主控單元系統(tǒng)采用ST公司的STM32F407vet6芯片作為主控，該芯片內(nèi)核為ARM公司設(shè)計(jì)的Cortex-M4，支持32bit數(shù)據(jù)的位寬以及高達(dá)168MHz的主頻，擁有1MByte的片上Flash和192KByte的片上SRAM，支持1.8V到3.3V的超寬供電電壓范圍；接口方面支持3組全雙工SPI,2組與SPI接口復(fù)用的全雙工I2S接口，3組最高支持1Mbps的高速I2C接口，4組全雙工USART接口和2組全雙工UART接口；詳細(xì)片上資源如圖2.2所示。圖3.2主控片上資源3.2.1時鐘和復(fù)位電路內(nèi)核時鐘主要有三個來源：分別是外部高速晶體振蕩器(HSE)、內(nèi)部高速RC振蕩器(HSI)和內(nèi)部PLL鎖相環(huán)電路，HSI或HSE既可以BypassPLL電路直接為內(nèi)核模塊提供時鐘信號也可以作為PLL的輸入時鐘源，經(jīng)過PLL時鐘電路進(jìn)行分頻處理后給內(nèi)核模塊提供更高速可靠的時鐘信號；由于原始時鐘信號時鐘頻率低且存在相位抖動等問題，一般都將其接入PLL電路進(jìn)行處理，PLL經(jīng)過一系列的分頻反饋操作之后可獲得比原輸入時鐘頻率高數(shù)倍且更加穩(wěn)定的時鐘頻率。HSE頻率和相位可靠性以及抗干擾性能遠(yuǎn)優(yōu)于HSI，所以采用HSE作為輸入時鐘源并經(jīng)過PLL后給芯片內(nèi)核提供時鐘信號。電路設(shè)計(jì)如圖2.4所示，采用晶體振蕩器作為發(fā)生器，配合負(fù)載電容獲得穩(wěn)定的時鐘頻率，為減小板上耦合電容對負(fù)載電容的影響，layout時將晶振下方的銅皮去除，同時在焊接層周圍對晶振進(jìn)行“包地”處理，減小晶振的EMI輻射對其它模塊的影響。圖3.3內(nèi)核時鐘源及系統(tǒng)時鐘樹框圖圖3.4外部時鐘源電路MCU上電后需要在NRST引腳處提供至少20us的低電平時間使MCU完成復(fù)位工作，該引腳內(nèi)部電路如圖3.5所示，管腳內(nèi)部有一個阻值至少為30k歐姆的上拉電阻Rpu，上電時主電源通過該電阻給外部設(shè)計(jì)電路中的電容充電，該充電時間段內(nèi)引腳電平緩慢上升，經(jīng)過后面的比較整形和濾波電路即可輸出滿足時間要求的內(nèi)部復(fù)位信號。圖3.5NRST引腳內(nèi)部電路3.2.2調(diào)試和電源電路為了方便程序跟蹤調(diào)試，芯片集成了支持SWD和JTAG兩種調(diào)試器的內(nèi)核調(diào)試模塊，在本系統(tǒng)中引出SWD作為在線燒錄和跟蹤調(diào)試接口，另外預(yù)留UART接口方便調(diào)試信息獲取以及與顯示模組通信。圖3.6調(diào)試接口電路芯片供電劃分為三個區(qū)域，IO、CPU和Flash所在的數(shù)字電路供電區(qū)、ADC、內(nèi)部RC振蕩電路和PLL電路所在的模擬電路供電區(qū)以及包含RTC等低功耗設(shè)備的備份電源供電區(qū)，芯片內(nèi)部供電區(qū)域分布如圖2.7所示；除備份電源區(qū)支持1.65V到3.6V的超寬供電電壓范圍外，模擬電路區(qū)和數(shù)字電路區(qū)供電電壓一般為3.3V，其中數(shù)字電源區(qū)內(nèi)置電壓調(diào)整電路，其上電工作時序如圖2.8所示，隨著主電源上升至1.7V復(fù)位引腳NRST完成復(fù)位工作，內(nèi)部調(diào)整器進(jìn)入工作狀態(tài)，從而禁能復(fù)位信號使芯片進(jìn)入工作狀態(tài)；根據(jù)芯片供電框圖需求所設(shè)計(jì)濾波電源電路如圖2.9所示，主要由104大小的電容緊靠芯片管腳濾除電源高頻噪聲，瞬時大電流由電源主干路的大電容提供。圖3.7電源分布框圖圖3.8內(nèi)部電壓調(diào)整器與主電源和NRST電平時序關(guān)系圖圖3.9MCU電源濾波電路3.3均衡器單元WM8978是一款低功耗高品質(zhì)的便攜設(shè)備立體聲編解碼芯片，內(nèi)部集成一個HI-FI級數(shù)字信號處理內(nèi)核，支持增強(qiáng)3D硬件環(huán)繞音效和5頻段的硬件均衡器，可以有效改善音質(zhì)REF_Ref30732\w[4]；音頻輸出方面片內(nèi)集成一個揚(yáng)聲器和一個耳機(jī)功率放大器，揚(yáng)聲器最高可輸出1W功率，且配置了一個數(shù)字限制器防止揚(yáng)聲器因聲音過載而損壞，耳放在負(fù)載阻抗為16歐姆的情況下可提供40mW的無電容輸出功率，能驅(qū)動市面上絕大多數(shù)高阻抗Hi-Fi耳機(jī)滿功率運(yùn)行。WM8979的主要特性有：（1）I2S接口，支持最高192K,24bit音頻播放（2）DAC信噪比98dB，ADC信噪比90dB（3）支持無電容耳機(jī)驅(qū)動（40mW@16R）（4）支持揚(yáng)聲器輸出（1W@8R）（5）支持左右聲道音量獨(dú)立調(diào)節(jié)（6）支持3D效果和5段EQ調(diào)節(jié)圖3.10WM8978系統(tǒng)框圖3.3.1電源電路數(shù)字音頻信號在WM8978內(nèi)部進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換還原模擬音頻信號，而數(shù)字邏輯電路瞬態(tài)電流會對模擬信號產(chǎn)生高頻噪聲干擾，因此需要將模擬電源和數(shù)字電源進(jìn)行隔離。在圖2.11電源電路的設(shè)計(jì)中，揚(yáng)聲器功率放大器電源SPKBVDD和耳放電源AVDD采用VDDA供電，而數(shù)字邏輯部分的DCVDD和DBVDD則采用VDD進(jìn)行供電。圖3.11WM8978電源電路3.3.2接口電路WM8978通過配置MODE引腳可選擇SPI或者I2C總線與MCU通信完成寄存器配置工作，I2S接口的配置可以通過改寫對應(yīng)寄存器改變傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)、音頻采樣率以及對齊方式與音頻數(shù)據(jù)流保持一致；音頻輸出接口支持無電容輸出方式，但是輸出的直流偏置電壓會引起耳機(jī)在無音樂狀態(tài)下出現(xiàn)電流聲，所以采用大電容作為隔直電容降低高通截止頻率以補(bǔ)償音樂低頻效果，圖2.12中輸出下限頻率根據(jù)一階RC電路轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)公式

fl=圖3.12WM8978接口電路3.4系統(tǒng)電源系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)如圖2.13所示，采用TI公司的TPS562200Buck電源芯片，其特性如下：1）支持從4.5V到17V的寬輸入電壓范圍；2）輸出端為內(nèi)部集成的2個導(dǎo)通電阻為100毫歐最大支持輸出2A電流的MOSFET，可以在大負(fù)載下有效控制自身發(fā)熱狀況；3）集成TI獨(dú)家用于快速響應(yīng)瞬態(tài)負(fù)載的D-CAP2?模式控制電路，簡化外部濾波電路，增強(qiáng)輸出紋波抑制能力；4）集成削弱瞬態(tài)電流沖激的Eco-mode?脈沖跳躍電路；5）集成實(shí)用的OVP、ULVO和TSD等保護(hù)電路。圖3.13系統(tǒng)電源電路圖輸入端的2個10uF的退耦電容，焊接時各采用0805和0603封裝，在利用大容量電容對低頻的低阻抗特性濾除低頻紋波的同時，根據(jù)不同封裝大小所特有的寄生參數(shù)不同特性阻礙中頻段紋波進(jìn)入芯片，而輸入端的三個電容保持空位，利用焊盤間的寄生參數(shù)濾除高頻噪聲。在2腳SW和6腳VBST之間連接一個0.1uF的電容配合芯片內(nèi)部寄生電阻給上、下MOS導(dǎo)通提供死區(qū)時間保護(hù)。L1和EC3組成LC低通濾波器濾除高頻噪聲的同時儲存能量給后面的負(fù)載提供能量。電阻網(wǎng)絡(luò)分壓得到的電壓通過VFB引腳與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較后改變控制脈沖占空比，從而控制輸出電壓Vout大小，其關(guān)系式為

V3.5音頻功放單元TPA3138是一款2x10W高效率、低空閑電流的D類立體聲音頻功率放大器，在12V供電電壓情況下，可在阻抗6歐姆的揚(yáng)聲器上實(shí)現(xiàn)1%THD+N的滿載2x10W功率輸出；利用擴(kuò)頻控制實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的EMI抑制功能，允許在滿足EMC降低系統(tǒng)成本要求的同時，使用價格低廉的鐵氧體磁珠濾波器REF_Ref31585\w[5]；為了進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)，TPA3138D2集成可自動恢復(fù)的保護(hù)特性，包括欠壓、過壓、功率限制、短路、過熱以及直流揚(yáng)聲器保護(hù)REF_Ref31585\w[5]。12V輸入電源經(jīng)過1000uF的電解電容、01uF的滌綸電容和1000pF的云母電容組合濾波后給芯片供電；輸入部分使用1uF的電容隔離上級單元的直流偏置電壓，增大輸入動態(tài)范圍的同時減小直流偏置引起的熱損；輸出部分使用1000pF和68歐姆的阻容網(wǎng)絡(luò)作阻抗匹配最大化輸出功率；芯片支持用簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)來限制最大輸出幅度以防出現(xiàn)嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。圖3.14TPA3138音頻功放電路

4軟件設(shè)計(jì)方案4.1總體流程軟件部分由圖3.1所示的文件讀取、軟件解碼、數(shù)據(jù)傳輸和音效處理四個模塊組成，文件讀取模塊進(jìn)行文件管理和原始音頻文件讀取；軟件解碼模塊將采用特定的解碼算法完成對音頻的解碼工作，并將解碼后的數(shù)據(jù)流存入系統(tǒng)緩存；數(shù)據(jù)傳輸模塊根據(jù)文件內(nèi)容對I2S接口進(jìn)行初始化，將緩存中的數(shù)據(jù)流通過該接口傳輸?shù)揭粜幚砟K，并采用特定算法保證數(shù)據(jù)流的不間斷傳輸；音效處理模塊包含5段EQ均衡處理和3D音效增強(qiáng)處理等，通過人機(jī)交互完成該模塊的實(shí)時參數(shù)調(diào)節(jié)功能。圖4.1軟件總體流程圖4.2文件讀取文件讀取流程圖如圖3.2所示，系統(tǒng)引入FatFs文件管理系統(tǒng)對文件進(jìn)行管理，首先完成對底層SDIO協(xié)議的初始化工作，包括有效時鐘沿、數(shù)據(jù)位寬、時鐘分頻系數(shù)以及底層IO，然后初始化FatFs文件系統(tǒng)，使能系統(tǒng)的文件管理功能；在完成初始化工作之后開始讀取操作，首先使用f_mount函數(shù)掛載SD卡，掛載成功后使用f_open函數(shù)打開目標(biāo)文件，如果文件存在使用f_read函數(shù)讀取文件內(nèi)容，在讀取結(jié)束后使用f_close關(guān)閉文件防止文件損壞。圖4.2文件讀取流程圖4.3軟解解碼系統(tǒng)使用的音頻文件格式為WAV，其文件定義如圖3.3所示，WAV格式音頻文件主要由RIFF、FMT和DATA三個數(shù)據(jù)塊構(gòu)成；RIFF數(shù)據(jù)塊包含ChunkID、ChunkSzie和Format三個子數(shù)據(jù)塊，主要用于判斷文件是否為WAV格式；FMT數(shù)據(jù)塊則主要由Subchunk1ID、Subchunk1Size、聲道、采樣率、采樣深度、比特率以及對齊字節(jié)等子數(shù)據(jù)塊構(gòu)成；DATA數(shù)據(jù)塊除了Subchunk2ID、Subchunk2Size兩個子塊外還有一個由音頻數(shù)據(jù)構(gòu)成的data子塊。圖4.3WAV文件格式結(jié)構(gòu)軟件解碼操作流程如圖3.4所示，先將文件的前64個字節(jié)讀入解碼緩存區(qū)，根據(jù)圖3.3的文件結(jié)構(gòu)將RIFF數(shù)據(jù)塊的ChunkID和Format對應(yīng)的字節(jié)按照大端模式獲取ASCII碼對應(yīng)內(nèi)容，如果獲得的字符串分別為“RIFF”和“WAVE”，則文件是WAV格式；將RIFF數(shù)據(jù)塊后的每4個字節(jié)都假設(shè)為Subchunk1ID子塊，當(dāng)對應(yīng)字符串為“fmt”時，表示后面的20字節(jié)為FMT塊內(nèi)容，根據(jù)WAV格式獲取音頻文件的聲道、采樣率、采樣深度、比特率以及對齊字節(jié)等信息；使用FMT數(shù)據(jù)塊的查找方式查找DATA數(shù)據(jù)塊，獲取音頻數(shù)據(jù)的相對起始位置。圖4.4軟件解碼流程圖4.4數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸部分主要涉及I2S參數(shù)配置和防破音傳輸，首先對I2S進(jìn)行預(yù)初始化，完成主從模式、空閑電平、對齊模式以及IO口等與傳輸文件無關(guān)的參數(shù)配置；完成文件讀取與軟件解碼后，再用文件采樣位數(shù)、采樣頻率初化I2S的位時鐘、聲道時鐘和主時鐘參數(shù)。為了防止數(shù)據(jù)傳輸時出現(xiàn)破音現(xiàn)象，系統(tǒng)引入雙緩存DMA和中斷進(jìn)行協(xié)調(diào)，DMA可以在CPU不干預(yù)的情況下直接將內(nèi)部緩存區(qū)的內(nèi)容傳輸?shù)酵庠O(shè)，雙緩存可以讓CPU在DMA傳輸?shù)谝痪彺鎱^(qū)數(shù)據(jù)時將音頻數(shù)據(jù)從SD卡填充第二緩存區(qū)，并在DMA傳輸完成時產(chǎn)生的中斷中更換緩存區(qū)，實(shí)現(xiàn)無停頓傳輸避免破音現(xiàn)象的發(fā)生。圖4.5數(shù)據(jù)傳輸流程圖4.5音效處理在進(jìn)行均衡器音效處理時，串口屏將交互設(shè)定的參數(shù)實(shí)時通過串口發(fā)送給MCU，但是當(dāng)串口屏發(fā)送數(shù)據(jù)包時，MCU可能正在傳輸音頻數(shù)據(jù)流而不能及時接收數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致所設(shè)參數(shù)無效，所以引入串口中斷進(jìn)行協(xié)調(diào)；當(dāng)串口中斷發(fā)生的時，為了防止MCU未能及時切換音頻數(shù)據(jù)緩沖區(qū)而導(dǎo)致破音，MCU將暫停數(shù)據(jù)填充和發(fā)送動作，并在中斷中僅接收數(shù)據(jù)而不作參數(shù)解析，在接收完成后即刻恢復(fù)傳輸；在傳輸空閑期間MCU均衡器將參數(shù)解析出來，并在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)切換的時候通過I2C寫入WM8978對應(yīng)的寄存器完成音效處理。圖4.6音效處理流程圖

5系統(tǒng)調(diào)試和測試5.1硬件電路調(diào)試5.1.1系統(tǒng)組裝及調(diào)試環(huán)境搭建前期根據(jù)所設(shè)計(jì)原理圖進(jìn)行l(wèi)ayout畫板，設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行DRC檢查并根據(jù)EDA的規(guī)則檢查報(bào)告更改PCB，在完成所有硬件設(shè)計(jì)階段工作后將所設(shè)計(jì)PCB發(fā)板，導(dǎo)出BOM信息表準(zhǔn)備物料；在樣板返回后檢查PCB板上各模塊的電源線和關(guān)鍵信號線，檢查沒有問題后開始焊接工作。所有模塊均集成在單塊PCB底板上，為了方便調(diào)試，焊接時電源模塊與其他模塊之間的0R電阻以及模塊內(nèi)部的0R電阻均先不焊接，等完成電源電路調(diào)試和性能測試后再將其焊接上；完成焊接工作后，在PCB四周安裝螺柱將其墊高，以防在測試過程中PCB底層焊點(diǎn)與導(dǎo)電體接觸構(gòu)成回路發(fā)生短路現(xiàn)象。圖5.1實(shí)際電路組裝測試環(huán)境如圖4.2所示，主要使用了可編程式直流電源、數(shù)字萬用表、DDS函數(shù)發(fā)生器、電子負(fù)載以及雙通道示波器等常規(guī)電子測量儀器，詳細(xì)型號如表4.1所示。圖5.2測試環(huán)境儀器型號可編程直流電源KEITHLEY2231A-30-3雙通道示波器TektronixTBS1102B-EDUAgilentTechnologiesDSO-X2012ADDS函數(shù)發(fā)生器TextronixAFG1022電子負(fù)載ITECHIT8511A數(shù)字萬用表KEITHLEY2210FLUKE287C表5.1測試儀器型號5.1.2電源電路調(diào)試及性能測試斷開電源模塊與系統(tǒng)其他模塊之間的連接，用萬用表蜂鳴擋測試板子上電源線路是否有短路，設(shè)置外部直流電源輸出電壓為5V，輸出電流上限為5mA；確保能準(zhǔn)確測量芯片靜態(tài)工作電流，取下板載LED電源指示燈，然后焊接EN與VIN引腳之間的OR電阻使電源芯片進(jìn)入待測工作狀態(tài)；將直流電源黑色接線端與板子上的GND相連，萬用表紅表筆接直流電源紅色接線端，黑表筆與板子電源輸入端相連，然后打開電源輸出開關(guān)進(jìn)行測。實(shí)際測量靜態(tài)工作電流大小為316uA左右，VFB大小為0.815V左右，官方芯片數(shù)據(jù)手冊所給靜態(tài)工作電流大小在230uA到330uA范圍，VFB大小為0.8V，實(shí)際測得電流值由于板載電解電容的漏電流較大、萬用表插入損耗以及測量室溫與手冊存在偏差等原因所以處于手冊范圍中偏大水平。將VIN與EN管腳之間的0R電阻斷開后可測得此工作狀態(tài)下的靜態(tài)電流大小為6uA左右，與手冊范圍保持一致。圖5.3芯片手冊靜態(tài)工作電流范圍在確定電源芯片工作狀態(tài)正常后，焊上LED電源指示燈，然后進(jìn)行電源模塊負(fù)載能力測試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)供電為12V，設(shè)定可編程直流電源輸出電壓為12V，輸出電流上限為3A；從電源模塊的濾波電容的引腳引出測試連接線，電子負(fù)載“-”端與板子GND測試連接線相連，“+”端與系統(tǒng)電源模塊輸出連接線相連，電源模塊為其他模塊所提供電壓為3.3V，所以電子負(fù)載采用CV（恒定電壓）模式進(jìn)行測試；設(shè)置電子負(fù)載電壓為3.3V，打開電子負(fù)載開關(guān)后打開電源開關(guān)，測試結(jié)果如圖4.4所示。圖5.4電源模塊負(fù)載測試在3.3V的恒壓負(fù)載測試下，輸出最大電壓值為3.34V左右，滿足系統(tǒng)供電電壓要求，輸出電流為820mA左右，輸出功率可達(dá)2700mW，而系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)功耗不足700mW將近有3倍的功耗裕量，所以電源模塊可以在基本沒有發(fā)熱情況下給其他模塊提供所需功耗。在測試完電源模塊負(fù)載性能后，斷開電子負(fù)載與板子之間的連接，將示波器的探頭連接到板子上進(jìn)行空載電源輸出紋波測試。在示波器面板上打開與板子相連的通道，選擇交流耦合方式，調(diào)整橫軸參數(shù)為10ms/div縱軸參數(shù)為50mV/div進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5.5所示。圖5.5電源紋波測試在空載狀態(tài)下，3.3V的直流電壓上疊加了一周期為100Hz左右，峰-峰值為50mV上下的低頻紋波，而板子上的其他模塊可以在2.8V到3.6V的電壓范圍內(nèi)正常工作，芯片的外圍退耦電路也可以在很大程度上抑制低頻紋波對電路的干擾，故該紋波對系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。5.1.3音頻回路調(diào)試在Matlab里面編寫程序使用48000Hz采樣率16bit采樣深度的采樣信號對一個頻率為1000Hz響度為0dBSPL的正弦信號進(jìn)行采樣，并生成一個WAV格式的立體聲音頻測試文件，將該文件內(nèi)的正弦信號作為參考信號分別對音頻回路內(nèi)的MCU+CODEC單元、后級功放單元以及兩個單元構(gòu)成的完整音頻回路進(jìn)行測試，由于該文件所包含的測試信號并非為零失真度的正弦信號，所以該部分測試結(jié)果僅作參考；另外，由于缺少必要的測試環(huán)境和設(shè)備，音頻測試回路并不包含揚(yáng)聲器單元，而后級功放為D類輸出，不能直接測量電子失真度，需要通過揚(yáng)聲器播放來測量失真度，所以包含后級功放的測試單元皆不做失真度測試。圖5.61000Hz測試音頻頻譜分布將裝有測試文件的SD卡插入板子上的TF卡槽，斷開CODEC和后級功放之間的耦合電容，將示波器探頭接入CODEC輸出測試點(diǎn)，開始播放測試文件，按下示波器面上的“Math”按鈕，在屏幕側(cè)邊的運(yùn)算模式選擇欄選擇“FFT”模式，選擇FFT窗口為“hanning”窗口，設(shè)置中心頻率點(diǎn)為5kHz，刻量單位為“Vrms”，然后使用光標(biāo)讀取前5次諧波的幅值并作記錄，并根據(jù)THD計(jì)算公式5.1算出當(dāng)前輸出幅值對應(yīng)下的THD值.

THD=圖5.7CODEC各次諧波分量圖諧波次數(shù)諧波分量大小基波117mV二次諧波41mV三次諧波32mV四次諧波21mV五次諧波12mVTHD4.27%表5.2CODEC各次諧波分量大小通過系統(tǒng)播放測試文件，示波器的兩個探頭分別接到后級功放同一輸出端的兩個接線點(diǎn)上，示波器選擇“-”運(yùn)算模式，經(jīng)過運(yùn)算后還原的測試音頻包絡(luò)如圖4.8所示。圖5.8系統(tǒng)音頻回路輸出波形D類功放的輸出端載波頻率為400kHz，在沒有音頻信號時，由于調(diào)制載波是同頻同相的共模信號，揚(yáng)聲器上沒有電流流過；而在信號輸入時，功放的調(diào)制電路將輸出端設(shè)置為差分模式并將音頻包絡(luò)調(diào)制在高頻載波上，經(jīng)過揚(yáng)聲器內(nèi)部線圈將音頻包絡(luò)還原推動振膜發(fā)聲。5.2軟件調(diào)試5.2.1軟件工程搭建STM32CubeMX是ST公司推出的輔助開發(fā)軟件,軟件內(nèi)集成了ST公司全系列單片機(jī)的片上資源，通過簡單的配置即可生成資源初始化工程，可以極大地降低開發(fā)的工作量、時間和成本。在STM32CubeMX中新建工程，配置系統(tǒng)和外設(shè)時鐘、外圍接口和中間插件，根據(jù)自己工程的大小配置不同的堆棧大小，最后生成MDK5工程文件。本設(shè)計(jì)使用STM32CubeMX進(jìn)行工程創(chuàng)建和MCU外設(shè)初始化配置并使用創(chuàng)建的HAL庫工程進(jìn)行開發(fā)，STM32CubeMX工程配置如下圖。圖5.9STM32CubeMX軟件界面5.2.2測試音頻合成根據(jù)音頻均衡器的增益調(diào)整頻點(diǎn)，使用MatLab軟件生成對應(yīng)頻率組合而成的正弦信號，并使用48kHz16bit的采樣信號對合成的正弦信號進(jìn)行采樣后打包生成WAV格式的音頻文件。將生成的音頻文件使用AdobeAudition軟件打開，觀察各聲道波形，調(diào)整各頻率分量的初始音量大小確保各疊加的信號頻率均無失真現(xiàn)象。圖5.10合成測試音頻各聲道波形5.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)硬件單元和軟件單元測試完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)播放測試文件后，通過交互界面調(diào)整均衡器參數(shù)，將示波器的探頭接到CODEC輸出端，選擇“FFT”運(yùn)算模式觀察各頻率分量的幅度變化情況。圖5.11測試音頻左聲道初始頻譜圖圖5.12測試音頻右聲道初始頻譜圖在交互界面衰減100Hz頻率點(diǎn)的增益時情況如圖所示，100Hz頻點(diǎn)處的幅值減小，可以實(shí)現(xiàn)衰減頻點(diǎn)增益效果。圖5.13100Hz增益衰減圖在交互界面提升5300Hz頻率點(diǎn)的增益時情況如圖所示，5300Hz頻點(diǎn)處的幅度增大，可以實(shí)現(xiàn)提升頻點(diǎn)增益效果。圖5.145300Hz增益提升圖結(jié)合上述測試結(jié)果，可以證明所設(shè)計(jì)數(shù)字音頻系統(tǒng)可以通過人機(jī)交互改變各頻點(diǎn)增益實(shí)現(xiàn)均衡器效果！

6結(jié)論經(jīng)過漫長的方案論證、資料收集、系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試，最終完成了本課題的設(shè)計(jì)制作，完成了以下任務(wù)：1、收集數(shù)字音頻系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)資料，深入理解均衡器在數(shù)字音頻系統(tǒng)中的重要作用。2、從理論上分析均衡器的實(shí)現(xiàn)原理，闡述使用WM8978設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)音頻系統(tǒng)的思路及相應(yīng)優(yōu)點(diǎn)。3、設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件方案并繪制原理圖和PCB，完成PCB打樣和物料采購。4、設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)，并使用C語言完成功能代碼編寫。5、完成硬件電路調(diào)試和軟件功能測試，最后進(jìn)行整體系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。6、使用Matlab合成測試音頻對整體系統(tǒng)進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)分析。隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及5G技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)字音頻系統(tǒng)將被應(yīng)用于日常生活中，聽和說都將是各種日常生活相關(guān)設(shè)備的基本功能，這也是數(shù)字音頻系統(tǒng)的用武之地，可以通過聽和說完成人機(jī)交互快速獲取各種信息。在音樂領(lǐng)域，數(shù)字音頻系統(tǒng)可以完成對音樂信號的各種無損處理，對音樂進(jìn)行定向化渲染，使得音樂在不同環(huán)場景下都有著動人的聆聽感受。

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