电子信息毕业论文-话筒频谱特性测量仪设计

1、 . 绪论1.1 研究的意义与前景自然界的万物都有着自己的固有频率，只要抓住认识到这些频率，了解认知它们的频率，才可以掌握并加以控制。生活中有很多的真实感触都是由于频率的变化而感受到的，例如人们听到的歌声，用眼睛看到的美丽景色，这都是人体器官对声音和光的频率的感知来呈现的。频率看不着，摸不到，但是它却一直充斥着我们的生活，并且深刻的影响这我们的生活。随着科技日益进步，信号处理几乎已经深入到所有工程领域和生活领域。目前工业控制领域的测试对象越来越多，并且对于系统的性能要求也越来越高，工业测控领域对于频谱分析的需求越来越大。通过频谱分析可以快速的分析出如速度、压力、噪声等测量参数，并且可以根据系统

2、运作时的频谱判断系统的运行情况。频谱分析仪是只是硬件载体，是对信号分析的数据呈现，核心内容是是信号处理的各种算法，因此详细的研究各种频谱分析的方法和其理论是十分有必要和意义的，能够帮助我们解决大量的问题。频谱是一组正弦波，经适当组合后，形成被考察的时域信号。频谱分析就是将时域信号变换至频域加以分析的一种实用方法。频谱分析的目的是把复杂的时域波形，经过傅里叶变换分解为若干单一的谐波分量来研究，以便获得信号的频率结构、各谐波和相位等特性信息。测试信号的频域分析是把信号的相位、幅值或能量通过变换以频率的形式在坐标轴上表示，然后再分析其频率特性的一种分析方法，又称为频谱分析。对信号进行频谱分析，可以获

3、得许多有价值的信息，如求得动态信号中的各个频率成分和频率分布范围，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。某些测量场合要求我们考察信号的全部信息频率，幅度和相位，这种信号分析方法称为矢量信号分析。现代频谱分析仪能够支持非常广泛的矢量信号测量应用。然而，即便不知道各正弦分量间的相位关系，我们也同样能实施许多的信号测量，这种分析信号的方法称为信号的频谱分析。频谱分析更容易理解，而且非常实用。频谱分析仪器主要有扫描调谐超外差式频谱分析仪，非超外差式频谱分析仪。非超外差式分析仪是傅立叶频谱分析仪:它将时域信号数字化以后用数字信号处理技术对其做快速傅立叶变换(FFT)，

4、最后在频域中显示信号。FFT方法的一个优点是能够捕获单脉冲信号，另一个优点是还能测量信号的相位和幅度。然而，傅立叶分析仪与超外差式频谱分析仪相比，特别是在频率范围、灵敏度和动态范围等方面还有某些局限性。傅立叶频谱分析仪通常用于40MHz以下的基带信号分析。随着电子技术的迅速发展，信号处理已经深入到很多的工程领域，信号频域的特征越来越受到重视。在信号通信、雷达对抗、音频分析、机械诊断等领域，频谱分析技术起到很大的作用。频谱分析仪的应用领域相当广泛，诸如卫星接收系统、无线电通信系统、行动电话系统基地台辐射场强的量测、电磁干扰等高频信号的侦测与分析，同时也是研究信号成份、信号失真度、信号衰减量、电子

5、组件增益等特性的主要仪器。1.2 研究的原理话筒又叫麦克风，学名传声器（Microphone），是将声音转换成电能的换能器。话筒根据其能量转换的方式不同，可以分为动圈话筒和电容话筒两大类。话筒工作时，是在其接收前端通过声波作用到声电原件上产生电压，之后转换为电能，是一种非常常见的扩音设备。从1877年话筒被发明以来，它由最初的通过电阻转换声音电信号开始，逐步发展成为电容式转换和电感式转换，大量新型技术应用到其中，使得话筒技术日趋成熟。通过话筒放大的声音多种多样，根据不同的话筒型号，其频谱特点也不尽相同。有些由于背景噪声的影响使得需要获取的有效信息模糊不清，通过人耳很难判断，这就需要在频域上对声

6、音信号进行分析研究，即频谱分析。在现实生活中对于信号进行频谱分析具有重要的意义。通过对信号频谱的分析可以获得更多有用信息，可以得到信号的频率结构，了解信号的频率成分或系统的特征，求出各个频率成分的幅值分布和能量分布，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。在此基础之上，可实现对信号的跟踪控制，从而实现对系统状态的早期预测，发现潜在的危险并诊断可能发生故障的原因，对系统参数进行识别及校正1。因此，频谱分析是揭示信号特征的重要方法，也是处理信号的重要手段2。而进行频谱分析的仪器就是频谱分析仪，它能自动分析电信号并在整个频谱上显示出全部频率分量情况，确定一个变化过程(称为信号)的频率成分，以及各频率成分

7、之间的相对强弱关系。对频谱仪的研究设计引起了国内外学者的广泛关注，Agilent、Fluke等欧美公司所开发的进口频谱分析仪精度能够达到1db以下，分析频率最高可达100GHz，应用领域非常广泛。国内开展频谱仪研制起步较晚，胡煜等开发了一套基于FFT算法的音频频谱仪，添加了硬件乘法器，在测量20KHz音频范围内提高了测量精度，大大降低了硬件成本3。刘欣等利用FPGA设计了一套实时宽带数字频谱仪系统，该系统具有16K通道数，2GHz处理带宽，经过仿真验证所设计系统工作正常，精度较高4。话筒是接收音频的终端之一，不同声音由于频率、相位和幅值的不同，通过识别其频谱特征就可以判断是何种波形5。这种性质

8、对语音识别、噪声监测等研究具有重要的意义和价值。目前，大多数音频信号检测装置不仅体积庞大不便于携带，而且价格昂贵，难以普及使用。针对这种现状，提出了一种基于STM32芯片的简易频谱特性测量仪的设计方案，其优点是成本低，能够直观的反映信号在频域的特征。1.3 论文总体结构安排本论文总共分为5章，具体研究内容如下：第1章：介绍了论文的研究的意义和背景，对论文研究需要的原件进行介绍；第2章：阐述话筒频谱特性测量仪结构设计，对研究过程中需要运用的快速傅里叶变 换进行大致的介绍，了解快速傅里叶变换的意义以及用途，对话筒频谱特性 测量仪结构的设计进行详细的讲解；：对话筒频谱特性测量仪硬件电路设计过程中，需

9、要使用的芯片等进行详细介 绍，分析每个芯片原件的作用与功能，对研究中存在的问题进行分析处理；第4章：对话筒频谱特性测量仪研究中，需要使用的程序编程软件进行介绍，对软件 实现过程中的流程进行全面分析；第5章：对整篇文章进行总结。2. 话筒频谱特性测量仪结构设计2.1 快速傅里叶变换及其相关原理傅里叶变换的理论与方法在“数理方程”、“线性系统分析”、“信号处理、仿真”等很多学科领域都有着广泛应用，由于计算机只能处理有限长度的离散的序列，所以真正在计算机上运算的是一种离散傅里叶变换6。数字信号的傅里叶变换，通常采用离散傅里叶变换(DFT)方法。离散傅里叶变换（DFT），是傅里叶变换其实是在时域与频域

10、上呈离散排列的一种形式，是将信号在时域上进行的采样通过一定的变换，将其变成其DTFT的频域采样。在形式上，其变换的两端在时域与频域上的序列都是有限长的，而在实际上这两组序列通常被理解为离散得周期信号主值序列。即使是对有限长离散傅里叶信号作DFT，也可以将其合理化的看作其周期延申的变换。在实际运算中，DFT存在的不足就是计算量过于大，对于计算一个N点的DFT ，一般需要N2次复数乘法和N(N-1)次复数加法运算。随着现在电子电路集成度的大大提高，电路的组成越来越复杂，要完成一个电路的基本测试需要的人力和时间都是非常的巨大，实际中很难进行实时处理反馈。由此看来，当N较大或要求对信号进行实时处理时，

11、往往难以实现所需的运算速度，而且会浪费很多的资源与时间。而通过我们所学的快速傅里叶算法（FFT）可知，快速傅里叶算法是傅里叶变换的一种快速算法，对每一个n，计算X()须作N次复数乘法及（N-1）次复数加法。但以下介绍的快速傅里叶变换的算法，可大大减少运算次数，提高工作效率。Cooley和Tukey在1965年提出了计算离散傅里叶变换（DFT）的新算法，就是快速傅里叶算法（FFT），将DFT的运算量一下子减少了几个数量级。现今，FFT在离散傅里叶的反变换、线性卷积以及线性相关等方面也都有着重要的应用。本文就是利用FFT的这一特性，结合STM32F芯片完成设计。计算离散傅里叶变换的快速方法有两种，

12、分为按时间抽取的FFT算法和按频率抽取的FFT算法。时间抽取算法：令信号序列的长度为N=2,可以将时域信号序列x(n)分解成两部分，一部分是偶数部分X（M），另一部分是奇数部分X（L），于是信号序列X(n）的离散傅里叶变换可以用两个N/2抽样点的离散傅里叶变换来表示其计算的和。频率抽取算法：按频率抽取的 FFT算法是将频域信号序列X(k）分解为奇偶两部分，但算法仍是由时域信号序列开始逐级运算，同样是把N点分成N/2点计算FFT，可以把直接计算离散傅里叶变换所需的N次乘法缩减到次。2.2 控制核心选型单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU、RAM、ROM、

13、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上。32位单片机已经成为现在应用的主流，其性价比和以及开发程度都比较高，能够在单片机中移植操作系统，所以选型时确定在32位单片机中选择。其它考虑方面如下：1. 足够大小的Flash和RAM。本系统需要存储大量的数据和程序。需要足够的Flash空间存放程序文件，同时需要接收和处理相应的数据，进行相关的程序配置，保证系统能够顺利稳定的运行。2. 强大的库函数，调用起来方便，易于开发，大大减少开发时间。STM32库是由ST公司针对STM32提供的API，开发者可调用这些API进行配置STM32的寄存器。开发人员脱离了最底层的寄存器操作，以后开

14、发维护就变得方便多了，就想有了c语言脱离了汇编那样，开发变得非常的简单，同时阅读也变得方便多了。 3. 处理数据的速度快、高效。本系统需要处理接收的蓝牙信息和红外学习模块传送的数据信息。需要短时间处理这些数据，并发送。4. 功耗低。减少使用成本，更加节约电能，并且可以长时间运行，保证系统的稳定性。5. 性价比高,节约成本通过多方比较最终选择ST公司的STM32F103ZET6作为本系统的核心处理芯片。2.3 话筒频谱特性测量仪结构设计电 源电 源放大电路STM32人机接口话筒 图2-1 话筒频谱特性测量仪结构示意图目前的频谱特性测量仪设计有多种方式，常见的有以模拟滤波器为基础的模拟式频谱特性测

15、量仪和并行滤波法、扫描滤波法、小外差法等原理实现的频谱特性测量仪。但这些方法无一例外的受到模拟滤波器滤性能的限制，低成本的简易结构频谱特性测量仪难以实现高精度滤波要求。而采用数字式的频谱特性测量仪以FFT算法为基础，通过信号的频谱图可以很方便的得到输入信号的各种信息，如功率谱、频率分量以及周期性等。外围电路少，实现方便，精度高。所以本文所设计的系统选择采用数字式的频谱特性测量仪的实现原理。本文所设计频谱特性测量仪结构方案如图2-1所示。将整个系统分为MCU、A/D转换电路、放大电路、人机接口电路及电源系统5大部分。系统运行时话筒接收音频信号后由话筒内部的转换电路将其转换为模拟电压信号，音频信号

16、再经过由运放和电阻组成的一个50的阻抗匹配网络后，再通过量程控制模块进行分析处理，若是信号产生的电压在0mV-5V之间，我们则选择直通，也就是说信号没有衰减或者放大，但是如果信号产生的电压太小，由于12位的AD转换器在2.5V的参考电压下，它的实际最小分辨力仅为1mV左右，所以如果选择直通的话，其经过离散化处理后的数据将会存在较大的误差，所以当我们实际采集到信号后发现其值太小，在20mV-250mV之间的话，我们可以将其认定为小信号，从而选择信号经过20倍增益的放大器后再进行A/D采样。STM32中集成有8位精度的A/D转换通道，通过A/D转换后模拟信号转化成数字信号，然后传到MCU处理芯片中

17、进行计算。MCU芯片中应下载有FFT算法等程序，测量到的频谱特性可通过人机接口实时显示出来。所设计话筒频谱测量仪的内部电路统一由同一个电源供电，STM32F103作为核心处理器。该处理器内核架构ARM Cortex-M3，具有高性能、低成本、低功耗等特点，选择其作为控制核心非常合适。功率谱测量主要通过对音频信号进行离散化处理，通过FFT运算，求出信号各个离散频率点的功率值，然后得到离散化的功率谱。对于普通的音频信号，频率分量一般较多，它不具有周期性。测量周期可以在时域测量也可以在频域测量，但是由于频域测量周期性需要要求某些频率点具有规律，需要零点或接近零点出现，所以对于较为复杂的音频信号，一些

18、频率分量较多，一些功率分布较均匀且低的信号就无法对其周期性进行正确的分析。而在时域上对信号进行分析，我们可以先对信号进行处理，然后通过假设的方法，假定其信号具有周期性，然后测出其频率，把采样的信号进行周期均值法和定点分析法的分析后，即可以清楚的判别出其是否具有周期性，如有周期性也可了解其周期特性。综上，我们选择信号在时域进行周期性分析和周期性测量。对于通常的音频信号，其在时域上的变化是不规则的，因此它不具备周期性。而对于单频信号以及由多个具有最小公倍数的频率组合的多频信号，由于其在时域上的变化是规则的，所以它是具有周期性的。这样我们可以在频域对信号的频谱进行定量分析，从而得出其周期性。而我们通

19、过先假设信号是周期的，然后算出频率值，然后在用此频率对信号进行采样，采取连续两个周期的信号，对其值进行逐次比较和平均比较，若相差太远，则认为不是周期信号，若相差不远（约5%），则可以认为是周期信号。2.4 话筒频谱特性测量仪使用的范围本文为了方便所设计的频谱特性测量仪能够适用于大多数的音频分析场合，所以将频率分辨能力设定为两个档位，假设频率分辨力为100Hz和20Hz两个档。在进行FFT运算前必须通过调整采样频率(fk)和采样的点数(N),使其基波频率f为100Hz和20Hz。 一般的话筒接收音频最大频率为10KHz，所以采样频率必须大于20KHz，考虑到FFT运算在2的次数的点数时的效率较高

20、，所以我们在20Hz档时选择40.96KHz采样率，采集2048个点，而在100档时我们选择51.2KHz采样率，采集512个点。通过FFT分析出不同的频率点对应的功率后，就可以画出其功率谱，并可以在频域计算其总功率。3. 话筒频谱特性测量仪硬件电路设计根据第一章中对整体结构的分析，本章详细介绍了STM32F103最小系统、放大电路、显示电路等核心电路的设计思路。本章中电路图均使用Protel 99se绘制。3.1 Protel 99se简介Protel 99SE是一个正在流行的电子线路CAD软件，它能使设计人员很方便地利用计算机来完成电子线路设计过程。Protel软件是Altium公司在80

21、年代末推出的一款 HYPERLINK /view/5822.htm t _blank EDA软件，在电子行业现有的CAD软件中，它几乎是是电子设计者的首选。Protel软件较早进入中国较早，普及率较高。Protel99se主要包含以下两大部分和6个功能模块。电路工程设计部分：电路原理设计部分、印刷电路板设计系统、自动布线系统，电路仿真与PLD部分：电路模拟仿真系统、可编程逻辑设计系统、高级信号完整性分析系统。Protel99 SE共分6个模块，分别是电气原理图设计、印刷电路板PCB设计，其中包含网络 HYPERLINK /view/3067056.htm t _blank 信号完整性分析、原理

22、图混合电气信号仿真、PLD设计以及自动布线等功能。本文中将使用Protel 99se对话筒频谱特性测量仪进行硬件电路设计。3.2 STM32微控制器在本设计中，控制及计算部分都由STM32F103来实现。其中STM32核完成点阵显示、FFT算法实现、功率计算、A/D转换控制，增益选择控制等，STM32连线如图3-1所示:图3-1 STM32原理图STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核。其中STM32F1系列有： HYPERLINK /view/8232913.htm t /_blank STM32F103“增强型”系列，STM32F1

23、01“基本型”系列，STM32F105、STM32F107“互联型”系列等。3.3 电源管理模块系统的核心芯片为STM32F103，常用工作电压为3.3V，同时内部的ADC工作的参考电压也是3.3V，一般的外部电源的电压都为5V，要使系统正常工作，需要将5V的电源电压稳压到3.3V。常用的78系列稳压芯片已不再适用，必须选择性能更好的稳压芯片。经综合考虑，本电路采用LM1117-3.3作为电源部分的核心芯片。外部电源5V输入LM1117-3.3稳压为3.3V。由于点阵屏显示部分的电流较大，但是不在我们主控板上，所以暂不做考虑。3.4 放大电路设计AD620是一个低成本、高精度的仪表放大器，使用

24、方便，在使用时只需要一个外部电阻即可设置增益。其放大倍数为1-1000，为精度考虑，在放大500倍的时候最为准确。由于AD620体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等一些特点, 因此AD620特别适宜应用到许多方面，诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等实际场合。由于设计指标要求输入阻抗为50欧姆，所以在前端电路信号输入处加了一个跟随电路，利用一个50欧姆的电阻与一运放的输入端并联，满足50欧姆输入阻抗的要求，在选择运放方面，选择了带宽增益积较高、输入失调电压较小比较适合音频信号的AD620。这款芯片可在宽频域范围内接收信号，带宽可达120KHz，满足音频放大要求。如图3-2所示:

25、图3-2 放大电路原理图信号输入后通过R5，R6两个100的电阻和一个高精度仪表运放AD620实现跟随作用，由于理想运放的输入阻抗为无穷大，所以输入阻抗即为：R5/R6=50，阻抗匹配后的通过继电器控制是对信号直接送给AD转换还是放大20倍后再进行AD转换。本文选择的运放是低噪声、低失真的仪表放大器AD620，其失真度在频率为1KHz，增益为20dB(100倍放大)时仅为0.004%，其内部原理图如图3-3所示:图3-3 AD620内部原理图其中放大器A1的输出电压计算公式为OUT1=1+(R1/RG)*VIN+； （3-1）同理OUT2=1+(R2/RG)*VIN-； （3-2）R3、R4、

26、R5、R6及A3构成减法器，最后得到输出公式VOUT=(VIN2-VIN1)*1+(R1+R2)/RG； （3-3）R1=R2=5K,取RG=526，从而放大倍数为20。 3.5 显示电路设计 为了所设计频谱特性测量仪能够便于读取结果，设计了由点阵构成了显示界面。为了能够适合话筒接收音频的频率范围，将显示点阵设计成16*64的宽屏幕，是用了16块88点阵模块，把每一行的行线连起来，每一列的列线连起来级联成6416点阵显示屏。4块88点阵模块级联成1616点阵模块示意图如图3-4所示：8条列线连在一起组成16列88条列线连在一起组成16列8条行线连在一起组成16行图3-4 4块88点阵级联示意图

27、按此方法，通过16个88点阵模块组成的成16*64的宽屏幕如图3-5所示:图3-5 16*64电子显示屏LED显示屏工作的原理，是利用发光二极管点阵模块，或者像素单元组成的平面式显示屏幕。它是多个独立的LED发光二极管封装而成，LED点阵显示屏可以显示汉字、数字、符号等，通常用来显示文字、时间、速度、系统状态等。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内或者室外环境的适应能力强等优点，广泛应用于广告、证券、信息广播、新闻发布等方面，是目前国际上级为先进的显示媒体。本文选取16块88的点阵模块级联成1664的点阵模块，组成两行八列的显示器。由于需要在显示屏上清晰地直观的显示出波

28、形，因此采用一种称为动态扫描的显示方法。动态的数码扫描显示方式是充分利用了人眼的视觉残留效应，把八个液晶数码管按照一定的逻辑顺序依次显示，当显示的频率不是很大时即液晶管显示的速度不是很快时，我们就可以清晰地看到数码管依次的显示，然而，当显示管显示的速度足够大时即点亮的速度足够快时，我们看到的将不再是依次的点亮，而是全部同时显示（被点亮），这与通常的显示效果是一样的。显示器在获取数据时，采用扫描法进行显示时，每行都有一个行驱动器控制，各行的同名列共用一个列驱动器进行控制。显示的数据通常会存储在单片机中的存储器中，按照每8位一个字节的形式进行顺序传送。显示时，需要把一行中对应的各列的数据都依次传送

29、到与之相对应的列驱动器上，然而这样的传输在实际的运用中存在一个明显的问题，显示数据传输的问题。查询文献可以知道，采用并行或者串行传输数据方式，从控制电路再到列驱动器上的数据传输，这样就可以解决这个问题。然而实际过程中，采用并行方式传输数据，从控制电路再到列驱动器，其线路数量过于庞大，相对应的所需要的硬件就要很多。然而当列数过多时，使用并行传输数据的方案就不可取。采用串行传输数据的方法，控制电路可以只选用一根线，把列数据一位一位传输到列驱动器上，在硬件方面可以省去很多，这是十分经济的。但是串行传输也存在一个问题，就是传输的过程较长，数据按顺序依次的地输出到列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到

30、驱动器之后，这一行的各列才能并行地对结果进行显示。这样，对于一行的显示过程，我们需要将其分解成列数据传输和列数据显示两大部分。对于串行传输数据的方式来说，实际列数传输时间可能过于长，在对行进行扫描的周期确定的情况下，留给行数据显示的时间就过于少了，以至影响到LED的亮度。为了解决串行传输过程中，列数据传输和显示时存在的时间矛盾，我们可以运用重叠处理的方法，这样就可以很好地解决这些问题，使的LED可以很好的工作。图3-6 74HC595芯片74HC595芯片如图3-6所示：图3-6 74HC595芯片74HC595是一个具有8位移位寄存器和存储器，三态输出功能的芯片。三态输出就是具有高电平、低电

31、平和高阻抗三种输出状态的门电路。74HC595的具体使用步骤：第一步将要准备输入的位数据移入74HC595数据输入端上，送位数据到_595；第二步将位数据逐位移入74HC595，即数据串入，由SCK_595产生一上升沿，将PSI_595上的数据移入74HC595中，从低到高；第三步并行输出数据，即数据并出，由P1.1产生一上升沿，将由SI_595上已移入数据寄存器中的数据，送入到输出锁存器。本文采用74HC595做显示屏的驱动芯片，其芯片组合如下：行驱动如图3-7：两片74HC595芯片引出16个输出端口连接到16*64的16跟行线上。图3-7 LED行驱动模块列驱动如图3-8：将8块74HC

32、595芯片串行连接，第一片的Q7与第二片的DS相连，以此类推，连接成一个具有64个输出端口的级联电路。64个端口分别与16*64LED显示屏模块的64个列引脚相连，再在中间串接一个PNP型三极管（起功率放大作用），保证显示屏的亮度（可视）。图3-8 LED显示列驱动模块4. 话筒频谱特性测量仪软件设计频谱特性测量分析中需要采用FFT算法进行信号转换，作为整个软件设计的核心部分，FFT可以使用VHDL硬件编程语言实现，但FFT的VHDL程序编写难度大，短时内不易实现。STM32支持C语言编程方式，FFT算法可以通过对STM32下载软件实现。从时间上考虑，短期内我们不可能实现一个用硬件实现的FFT

33、算法，因此选用软件来实现FFT的计算。本章中软件设计采用Keil编程工具完成。4.1 编程语言本设计采用C语言来编写。C是高级语言：它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来11。C 语言可以像HYPERLINK /doc/5261296.html t _blank汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。C是结构式语言：结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流

34、向，从而使程序完全结构化。C语言功能齐全：具有各种各样的HYPERLINK /doc/1933730.html t _blank数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏12。C语言适用范围大：适合于多种操作系统，如Windows、DOS、UNIX等等；也适用于多种机型。C语言对编写需要硬件进行操作的场合，优于其它高级语言，有一些大型应用软件也是用C语言编写的。C语言应用指针：可以直接进行靠近硬件的操作，但是C的指针操作不做保护，也给它带来了很多不安全的因素。C+在这方面做了改进，在保留了指针操作的同时又增强了安全性，受到了一些用

35、户的支持，但是，由于这些改进增加语言的复杂度，也为另一部分所诟病。Java则吸取了C+的教训，取消了指针操作，也取消了C+改进中一些备受争议的地方，在安全性和适合性方面均取得良好的效果，但其本身解释在HYPERLINK /doc/272715.html t _blank虚拟机中运行，运行效率低于C+/C。一般而言，C，C+，java被视为同一系的语言，它们长期占据着程序使用榜的前三名。C语言文件由数据序列组成：可以构成HYPERLINK /doc/1420585.html t _blank二进制文件或文本文件常用的C语言IDE（集成开发环境）有Microsoft Visual C+，Dev-C

36、+，Code:Blocks，Borland C+，Watcom C+，Borland C+ Builder，GNU DJGPP C+，Lccwin32 C Compiler 3.1，High C，Turbo C，C-Free，HYPERLINK /doc/5507369.html t _blankwin-tc,xcode(mac os x）等13。C语言具有简洁紧凑、灵活方便；运算符丰富；数据类型丰富；代码和数据分隔化；与发现只不太严格，程序设计自由度大；允许直接访问物理地址，对硬件进行操作；生成目标代码质量高，程序执行效率高；以及适用范围大，可移植性好等诸多优点。4.2 Keil软件简介Ke

37、il软件是美国Keil Software 公司出品的51系列单片机C语言单片机开发系统，同时也支持汇编语言。在其6.0以上的版本中将编译和仿真软件统一为uVisio。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发程序。由工程管理器、源程序编辑器、程序调试器、A51汇编器、LIB51库管理器、C51编译器、RTX实时操作系统。Keil软件使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。C51工具包的整体结构，Vision与Is

38、hell分别是C51 for Windows 和for Dos 的集成开发环境(IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。Keil软件仿真开发的主要步骤：建立一个新的工程编写源程序保存添加源文件进新建工程设置工程编译程序调试。这种简单的操作方法使得非常易于掌握。首先选择菜单Project-New project 选择运行环境，进行保存，再新建文档File-New，将编写完成的程序输入，进行保存。再将保存的文档添加入新建工程，进行编译，在未出现错误报告的情况下将生成HEX文件，该文件即可以下载到STM32芯片中进行运行调试。4.3 主要模块程序分析对于一个周期信号而言，它通过

39、傅里叶变换得到的频谱是稳定的，在理想情况下任意两次的谱线也是相同的。因此可通过对两次采样的数据进行傅里叶变换的频谱相似度来判断信号的周期性，如果结果稳定且相似，我们便可以认定为是周期信号，信号的周期就是基波周期，周期性判断程序附录1。频谱显示模块主要功能是在LED液晶显示屏上，显示信号对应的频谱，计算每个频率点所对应的幅值的高度，然后依次在LCD液晶显示屏上显示出来，程序设计见附录2。快速傅里叶变换计算过程最重要的是码位变换和蝶形运算。码位倒序要解决两个问题，将t位二进制数倒序，然后将倒序后的两个存储单元进行交换。详细的程序设计见附录3。4.4 话筒频谱特性测量仪软件流程话筒频谱特性测量主流程

40、如图4-1所示，周期性测量流程如图4-2所示，语音采集流程图如图4-3所示： 图 图4-1 主流程图初始化模块是否20Hz档是否暂停返回检测档次暂停,不清屏不断显示更新数据设置为100Hz档采样数据,存储和进行FFT运算设置为20HZ档NNYYNNYY 为了让频谱特性测量仪能够适用于大多数的音频分析场合，所以将频率分辨能力设定为两个档位，假设频率分辨力为100Hz和20Hz两个档。在进行FFT运算前必须通过调整采样频率(fk)和采样的点数(N),使其基波频率f为100Hz和20Hz，因此就需要对采集到的音频信号进行分档。在20Hz档时选择40.96KHz采样率，采集2048个点，而在100档时

41、我们选择51.2KHz采样率，采集512个点。通过FFT分析出不同的频率点对应的功率后，就可以画出其功率谱，并可以在频域计算其总功率，按此方法可以多次对信号进行检测分析，框图如图4-1；N显示为非周期信号N显示为非周期信号信号分析信号分析Y是否周期？Y是否周期？N捕捉上升沿计数N捕捉上升沿计数等待中断下各上升沿到来？等待中断下各上升沿到来？YY关闭终端计算频率串口发送显示频率关闭终端计算频率串口发送显示频率返回返回 图4-2 周期性测量流程图对于一般的音频信号，其时域变化是不规则的，所以没有周期性。所以需要对信号进行周期性的分析，排除非周期信号，对周期性信号进行准确的分析。该流程是对周期信号进

42、行处理，对处理后发送的数据传输到显示器上，框图如图4-2所示：开始开始AD通道初始化AD通道选择启动转换中断处理读取转换结果返回图图4-3 语音采集流程图5. 总结本文在研究了频谱特性仪发展历程的基础上，明确了结合话筒作为音频接收终端的研究方向。文章以STM32F103为控制核心搭建了一套智能化的简易话筒频谱特性测量仪，其中STM32F103芯片可以完成点阵显示、FFT算法实现、功率计算、A/D转换控制和增益选择控制等功能。文中系统架构设计合理，经济实用，功能电路实现完备，能较好地满足话筒接收音频的频谱特性分析要求的各项指标，对进行语音模式识别具有重要意义。另外此次设计中使用的1664点阵式L

43、ED显示屏设计，使用的88LED点阵模块（一共16块），在此次设计中通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，电路还算简单，但是已经包涵了LED显示屏的电路基本原理和基本程序，在设计的过程中应该使显示图形和文字稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。本系统具有硬件相对较少，结构相对简单，比较容易实现，性能稳定可靠等特点。在本文研究的过程中，进一步熟悉Keil及Protel 99se的使用，熟练掌握了WORD软件的使用。进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力。但是从中也存在不足之处，对知识的积累还不够，有些问题自己不能

44、够独立解决，对操作还要进一步熟练。今后进一步工作在于制作话筒频谱特性测量仪实物，并在实际生活环境中进行实验，评价和调试所设计系统的性能，只有这样才能让自己在不断的学习中提高自己。参考文献1 段丽娜.基于ARM的音频频谱显示器的设计J.微型机与应用,2014,(33)：46-55.2 曹杨,徐子轩,张佳斌等.基于听诊器音频谱分析的数字听诊系统设计J.电子器件,20013,(10)：87-89.3 胡煜,陈冬梅.基于嵌入式FFT的低成本高精度音频频谱仪J.科技信息,2007,(25)：93-94.4 刘欣,刘东亮.基于FPGA的多通道宽带数字频谱仪设计J.西藏大学学报,2014，29(2)：113

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