周靜雷，孫 端

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

基于STM32的電聲綜合測試儀硬件設(shè)計

周靜雷，孫 端

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

介紹了電聲測試的基本原理，提出一種基于STM32微處理器的電聲綜合測試儀具體硬件設(shè)計方案，并給出了該儀器下位機(jī)軟件的運行流程。該測試儀有多組測量端口，具備測試揚聲器、傳聲器、分頻器、功率放大器等電聲器件及電聲設(shè)備的功能，并且測試儀通過USB端口與計算機(jī)進(jìn)行通信，在測試過程中可以使用上位機(jī)軟件控制電路模態(tài)。經(jīng)過實踐檢驗，該電聲綜合測試儀能夠滿足設(shè)計需求，并且使用方便可靠，可以顯著提高電聲綜合測試的效率。

電聲測試；硬件設(shè)計；微處理器；USB通訊；頻率合成芯片；儀器校準(zhǔn)

1 引言

電聲測試是指在研發(fā)與生產(chǎn)過程中對揚聲器等電聲器件及電聲設(shè)備進(jìn)行頻率響應(yīng)、阻抗、失真、極性、T-S參數(shù)等基本參數(shù)進(jìn)行測試的過程，是設(shè)計揚聲器與評估揚聲器性能的重要依據(jù)[1-2]。

提出了一種電聲綜合測試儀具體的硬件設(shè)計方案，該測試儀測量端口豐富，具備測試揚聲器、傳聲器、分頻器、功率放大器等電聲器件及電聲設(shè)備的功能，并且測試儀通過USB端口與計算機(jī)進(jìn)行通信，在測試過程中可以使用上位機(jī)軟件控制電路模態(tài)，提高了電聲測試效率，減少了電聲產(chǎn)品的開發(fā)成本及難度。

2 電聲測試基本原理及方法

目前主流的電聲測試系統(tǒng)都是基于計算機(jī)、專業(yè)聲卡以及硬件系統(tǒng)的綜合測試系統(tǒng)[3]。一般情況下，一套電聲綜合測試系統(tǒng)的聲學(xué)測試結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，首先聲卡發(fā)出激勵信號，激勵信號經(jīng)過功率放大器進(jìn)行放大，放大后的激勵信號激勵被測的揚聲器發(fā)聲，然后通過傳聲器對聲音信號進(jìn)行采集，將揚聲器發(fā)出的聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柸缓筝斎氲铰暱?，再由計算機(jī)對其進(jìn)行分析與計算，得出待測揚聲器的各項參數(shù)[4-5]。應(yīng)當(dāng)注意的是，測量揚聲器時，激勵信號可以選擇步進(jìn)正弦掃頻信號、離散對數(shù)掃頻信號、連續(xù)對數(shù)掃頻信號[6]。另外，傳聲器在采集揚聲器響應(yīng)信號時，為避免外界噪聲干擾，需在消聲箱內(nèi)進(jìn)行。

圖1 電聲測試系統(tǒng)聲學(xué)測試結(jié)構(gòu)原理圖

測量分頻器、功率放大器時應(yīng)用到電學(xué)測試結(jié)構(gòu)。一套電聲綜合測試系統(tǒng)的電學(xué)測試結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，由聲卡發(fā)出激勵信號并接收響應(yīng)信號就可測得被測設(shè)備的頻率響應(yīng)。測量揚聲器的阻抗，T-S參數(shù)時需要在此基礎(chǔ)上增加阻抗盒來獲取通過揚聲器的電流值[7-8]，阻抗測試的電路原理如圖3所示。電路中Line Out輸出兩端串聯(lián)一個已知阻值的精密電阻Rref和被測揚聲器z，Line In通過開關(guān)K分別連接Line Out兩端和揚聲器兩端，Line Out，Line In共地。測試時，Line Out發(fā)出掃頻信號，Line In采集到多個頻率下A點和B點的電壓。揚聲器的阻抗為：

圖2 電聲測試系統(tǒng)電學(xué)測試結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 電聲測試系統(tǒng)阻抗測試電路原理圖

其中u是揚聲器兩端電壓，i是通過揚聲器電流，并且有：

其中uA和uB分別表示A點和B點電壓值，Rref表示已知精密電阻的阻值，將其代入（1）式有：

3 電聲綜合測試系統(tǒng)設(shè)計思路

電聲綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計思路如圖4所示，該系統(tǒng)需要有一臺裝有專業(yè)聲卡的計算機(jī)，其主要作用是作為上位機(jī)測試軟件的載體。上位機(jī)測試軟件通過對專業(yè)聲卡的驅(qū)動來實現(xiàn)測試信號的產(chǎn)生以及對傳聲器錄入信號的AD采樣，同時通過USB接口與測試儀進(jìn)行實時通信來監(jiān)控和發(fā)送指令到測試儀，測試儀通過識別指令進(jìn)行相應(yīng)的動作。另外需要一臺集成了功率放大器以及標(biāo)準(zhǔn)信號源的電聲綜合測試儀，該測試儀具備通道選擇功能，由計算機(jī)發(fā)送指令，既可以選擇接入聲卡輸出的信號，也可以選擇接入內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)信號源的信號作為測試信號。并且輸入到聲卡的信號也可以進(jìn)行切換，可以選擇傳聲器輸入信號，Line In線路輸入信號，聲卡輸出經(jīng)過功率放大器的信號，或內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)信號源的信號，從而極大豐富了電聲測試系統(tǒng)的測試與分析功能，使得實際測試過程中不需要改變儀器接線，提高了電聲測試的工作效率。此外該系統(tǒng)還需要相應(yīng)的被測設(shè)備，傳聲器，消音箱等結(jié)構(gòu)。

4 電聲綜合測試儀硬件設(shè)計方案

4.1 硬件電路結(jié)構(gòu)

該電聲綜合測試儀的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，電路采用模塊化設(shè)計方法，將不同功能的電路例如控制電路、功放電路、信號源電路、電源電路等放在不同的PCB板上，各個模塊之間通過主板進(jìn)行耦合，這樣使得儀器在安裝與調(diào)試時更為方便。

本設(shè)計使用了STM32F103V8T6芯片。該芯片是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM微控制器，其內(nèi)部集成了64k字節(jié)的Flash和20k字節(jié)的SRAM，可以滿足程序存儲需求[9]。此外在儀器中加入了AD公司的USB數(shù)字隔離器ADuM4160，該芯片支持雙電源供電，并且兩端兼容3V/5V工作電壓，支持低速和全速通信，可以保證USB通信質(zhì)量。由于組成儀器硬件電路的元器件普遍存在差異，并且受到儀器使用環(huán)境的溫度濕度等因素影響，儀器在使用時會存在誤差。為了最大程度消除測試儀硬件誤差，需要在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)。一般的測試儀只能送至生產(chǎn)廠商使用外接信號源人工校準(zhǔn)，其過程復(fù)雜而且費時，并且無法保證測試儀使用環(huán)境不同時的精度[10-11]。本測試儀為了達(dá)到高精確性校準(zhǔn)的目的，在電路中集成了TI公司的DDS芯片AD9850作為標(biāo)準(zhǔn)信號源。通過上位機(jī)操作使AD9850產(chǎn)生正弦波，并且通過DAC8801衰減器將輸出信號衰減為規(guī)定幅值。需要校準(zhǔn)時使用內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)信號源對電路各模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，通過USB總線將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)下載到ARM閃存中，使用儀器時從閃存中讀取數(shù)據(jù),從而完成儀器自校準(zhǔn)功能。也可以通過上位機(jī)控制電路通道使得AD9850產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)過功放電路后驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。

圖5 電聲綜合測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖

功放板電路采用LM3886T芯片對信號進(jìn)行放大。LM3886T是一款高性能的音頻功率放大器，其在20Hz到20KHz上的失真只有0.1%。LM3886T芯片通過使用瞬時峰值溫度保護(hù)電路確保電路安全性,并且這種保護(hù)電路可以對輸出端進(jìn)行過壓、欠壓、過載、短接以及瞬時峰值溫度保護(hù)。

本儀器的信號分配與調(diào)理電路采用松下公司的TX2-5V繼電器和歐姆龍公司的G5V-1繼電器，通過接收上位機(jī)命令，可以對輸入輸出信號進(jìn)行切換與選擇，并且通過改變放大電路接入電阻可以改變放大電路的增益。

4.2 下位機(jī)程序

下位機(jī)軟件流程圖如圖6所示。儀器在開機(jī)初始化之后根據(jù)上位機(jī)命令對電路相應(yīng)模塊進(jìn)行AD采集，然后向上位機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)以達(dá)到校準(zhǔn)的目的。本設(shè)備的ARM程序可以通過USB總線接收從上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，上位機(jī)一次傳輸一個64字節(jié)的數(shù)組，下位機(jī)對這個數(shù)組進(jìn)行分析，從而執(zhí)行相應(yīng)的操作。下位機(jī)操作模式分為三種，分別是控制模式、存儲模式和查詢模式?？刂颇Ｊ娇梢砸勒丈衔粰C(jī)的命令來對繼電器、LED燈、AD9850芯片以及DAC-8801芯片等進(jìn)行控制；存儲模式可以將上位機(jī)校準(zhǔn)后的修正值存儲到ARM閃存中；使用儀器時再通過查詢模式向上位機(jī)發(fā)送存儲的數(shù)據(jù)，從而保證儀器的精確性。

圖6 下位機(jī)軟件流程圖

4.3 上位機(jī)程序

上位機(jī)軟件的操作界面如圖7所示。上位機(jī)軟件主要使用C++語言實現(xiàn)，軟件平臺采用Borland公司的C++Builder 6.0編譯器，該編譯器具有可視化編程環(huán)境和快速編譯優(yōu)化方法，可以滿足本應(yīng)用的程序設(shè)計。上位機(jī)軟件通過使用USB組件發(fā)送與接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)控制、存儲與查詢功能。當(dāng)USB設(shè)備連入主機(jī)后，主機(jī)就會通過枚舉讀取設(shè)備的描述符信息，從而加載相應(yīng)的驅(qū)動實現(xiàn)對設(shè)備的識別與通信[12]。

4.4 注意事項

（1）專業(yè)聲卡的工作電壓一般不超過5V，為避免經(jīng)過功放放大后的信號過大導(dǎo)致聲卡損壞，電聲綜合測試儀內(nèi)部應(yīng)該具備充分、合理的保護(hù)電路，以保證測試系統(tǒng)具有較高的可靠性。

（2）使用聲卡發(fā)出激勵信號之前要對聲卡進(jìn)行校準(zhǔn)，保證測試儀輸出電壓的精確性。

圖7 上位機(jī)操作界面

5 試驗結(jié)果與分析

電聲綜合測試儀的試驗結(jié)果見表1。在試驗中使用內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生頻率為1000Hz、幅度為71mV的正弦信號對電路四個模塊進(jìn)行不同增益的測試。由試驗結(jié)果可見，該測試儀各通道的實測增益與設(shè)計增益基本相符，出現(xiàn)的個別偏差是由于元器件差異所導(dǎo)致，不影響實際使用。

表1 電聲綜合測試儀試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

通過使用性能優(yōu)良、價格低廉的STM32微控制器，采用較實用的USB通訊方式，并且通過模塊化電路設(shè)計方法，給出了一種電聲綜合測試儀具體的硬件設(shè)計方案，結(jié)合上位機(jī)分析軟件就可以對測試信號進(jìn)行分析與處理。本設(shè)計的創(chuàng)新之處在于該測試儀有多組測量端口，具備測試揚聲器、傳聲器、分頻器、功率放大器等電聲器件及電聲設(shè)備的功能，并且測試儀通過USB端口與計算機(jī)進(jìn)行通信，在測試過程中可以使用上位機(jī)軟件控制電路模態(tài)。經(jīng)過實踐檢驗，該電聲綜合測試儀能夠滿足設(shè)計需求，并且使用方便可靠，可以顯著提高電聲綜合測試效率，是對傳統(tǒng)電聲測試系統(tǒng)硬件的一種改進(jìn)。

[1]翁泰來.近代電聲測量的主要思路[J].電聲技術(shù)，1990,5 (4):25-32. Weng Tailai.Main Thinking Of Recent Electro-acoustic Comprehensive Measurement[J].Audio Engineering,1990,5 (4):25-32.

[2]徐光澤．電聲原理與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007. Xu Guangze.Audio Theory And Technology[M].Beijing: PublishingHouse ofElectronics Industry,2007.

[3]李寶善.聲頻測量[M].北京:國防工業(yè)出版社，1982. Li Baoshan.AudioMeasurement[M].Beijing:National Defend IndustryPress,1982.

[4]孫巖君.掃頻法測量音頻系統(tǒng)頻率響應(yīng)的原理及實踐[J].電聲技術(shù)，2006(6):80-82. Sun Yanjun.Theory And Practice Of Measuring Audio System Frequency Response By Frequency-sweep Method[J]. AudioEngineering,2006(6):80-82.

[5]Culda T M,Popa V,Stanomir D,et al.Reducing time in acoustic impulse response measurements using exponential sine sweeps:Signals,Circuits and Systems(ISSCS)[C].2013International Symposiumon,Iasi.2013

[6]萬平英.聲頻測量技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006. Wan Pingying.Audio Measurement Technology[M].Beijing: National Defend IndustryPress,2006.

[7]Iversen,Niels Elkj r，Knott,Arnold.Small signal loudspeaker impedance emulator.Journal of the Audio Engineering Society,2014,62(10):676-682.

[8]Kemp,Jonathan;Primack,Harel.Impulse response measurement of nonlinear systems:Properties of existing techniques and wide noise sequences[J].Journal of the Audio EngineeringSociety,2011,59(12):953-963.

[9]STMicroelectronics.STM32RX Reference[S].Rev13,2011年4月.

[10]徐建紅，金英子，王堅，熊偉.基于掃頻法的電聲設(shè)備測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報，2007,24(6): 653-656. Xu Jianhong,Jin Yingzi,WangJian,et al.Design And Realize Of Audio Equipment Measurement System Based On Frequency-sweep Method[J].Journal of Zhejiang Sci-Tech University,2007,24(6):653-656.

[11]郭慶，楊東奇，徐翠鋒，等．揚聲器電聲參數(shù)自動測試系統(tǒng)的設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2015,15(34):56-63. Guo Qing,Yang Dongqi,Xu Cuifeng,et al.Design Of Speaker Electro-acoustic Parameter Automatic Measurement System [J].Science Technology and Engineering, 2015,15(34):56-63.

[12]王太曉，林曉煥，周靜雷.基于STM32處理器的USB通信設(shè)計[J].微處理機(jī)，2015,36(1):25-28. WangTaixiao,Lin Xiaohuan,Zhou Jinglei.USB Communication Design Based On STM32 Microprocessor[J].Microprocessors,2015,36(1):25-28.

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

周靜雷（1978-），男，河南省溫縣人，博士，副教授，主研方向：電聲學(xué)、聲頻測量。

2016-08-11