基于USB的音頻信號(hào)分析儀設(shè)計(jì)

摘要：為了對(duì)鐵路信號(hào)進(jìn)行分析，系統(tǒng)采用一種基于USB接口的虛擬信號(hào)分析儀實(shí)現(xiàn)方法。以FPGA為主控芯片，采用高速A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行音頻信號(hào)采集，USB接口傳輸，LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析。具有開發(fā)成本低，便于重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)功能正常，性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：音頻分析；虛擬儀器；FPGA；USB

0 引言
    音頻分析儀是一種利用頻譜分析原理，以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段，提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)一系列特性的過(guò)程，是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行頻率、頻譜及波形分析的一種測(cè)量工具，應(yīng)用于電聲測(cè)量、音頻制作、信號(hào)分析乃至振動(dòng)測(cè)試等領(lǐng)域。
    早期的音頻測(cè)量一般是利用頻率計(jì)、示波器及頻譜儀等組合成一套測(cè)試系統(tǒng)。這種測(cè)試系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)多，各環(huán)節(jié)之間接口匹配較為困難，使用起來(lái)比較麻煩，測(cè)量結(jié)果往往也不精確。目前雖然大部分的音頻分析儀已向集成化方向發(fā)展，但仍以硬件電路實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的音頻分析，有著自身無(wú)法克服的缺點(diǎn)。為此，本文提出了一種利用虛擬儀器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻分析的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)采用FPGA為系統(tǒng)的主控制芯片，完成音頻信號(hào)采集，數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽⒃谔摂M儀器軟件的基礎(chǔ)上確定了一種方便可行的音頻分析儀的設(shè)計(jì)方法。

    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器進(jìn)行放大后進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，存入FIFO緩存區(qū)，數(shù)據(jù)在FPGA主芯片中進(jìn)行編排控制，經(jīng)過(guò)USB接口傳送給計(jì)算機(jī)，最后由LabVIEW來(lái)完成音頻信號(hào)的處理并顯示結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件電路的核心芯片選用Altera公司CycloneⅢ系列FPGA EP3C25，該器件密度為18萬(wàn)門，最高工作頻率高達(dá)300 MHz，完全可滿足高速數(shù)據(jù)采樣速率時(shí)序要求。
2．1 前置放大電路設(shè)計(jì)
    前置放大電路用于將信號(hào)放大到A／D轉(zhuǎn)換器要求的電壓范圍。為保證放大電路的性能指標(biāo)，采用AD公司的高頻寬帶運(yùn)放AD811為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。AD811 3 dB帶寬高達(dá)140 MHz，并且具有2 500 V／μs的速度，差分增益誤差小于0．01％，0．01°差分相位，電流噪聲為1．9 nV。

    前置放大電路的VIN為信號(hào)輸入口，U3和U4設(shè)計(jì)為反相和同相放大電路，以構(gòu)成單端輸入至差分平衡輸入轉(zhuǎn)換電路，以滿足A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)形式的要求。
2．2 高速A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換電路采用TI公司的雙通道高速A／D轉(zhuǎn)換器ADS2807。ADS2807集成了高帶寬跟蹤保持電路，即使在高達(dá)或超出奈斯奎特速率的情況下，同樣具有優(yōu)秀的噪聲性能。該跟蹤保持電路和ADC電路的差動(dòng)特性不僅能夠最大程度地減小偶階諧波，而且可提供優(yōu)秀的共模噪聲抑制性能。ADS2807的信噪比為65 dB，無(wú)雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為70 dB。高速A／D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。
2．3 USB接口
    USB接口芯片選用CYPRESS公司的EZ-USBFX2芯片CY7C68013。CY7C68013有Slave FIFO和GPIF兩種接口方式，本設(shè)計(jì)采用Slave FIFO模式，F(xiàn)PGA與USB硬件接口如圖3所示。

    圖中D0～D7為數(shù)據(jù)總線，用于數(shù)據(jù)傳輸；INTI為中斷標(biāo)志，當(dāng)傳輸完一組數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生一次中斷。IFCLK為外部時(shí)鐘輸入；FIFOADR[1：0]選擇四個(gè)FIFO中的一個(gè)，本設(shè)計(jì)中FIFOADR[1]直接接+3．3 V，F(xiàn)IFOADR[0]直接接地，選擇用EP6傳輸數(shù)據(jù)，4倍緩存；FULL為FIFO滿狀態(tài)標(biāo)志，低電平有效；SLWR為數(shù)據(jù)寫入FIFO使能，低電平有效；FD[7：0]為8位數(shù)據(jù)線。
    如上所述，系統(tǒng)選擇了FIFO的異步模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。在IFCLK的上升沿，如果SLWR有效(低電平有效)，而數(shù)據(jù)有滿足建立保持時(shí)間，數(shù)據(jù)就被寫入FIFO，同時(shí)，若內(nèi)部控制器發(fā)現(xiàn)FIFO己滿，經(jīng)過(guò)大約為10 ns的延時(shí)，F(xiàn)ULL標(biāo)志會(huì)被置成有效。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 USB固件設(shè)計(jì)
    固件是在USB接口芯片加電后，由其他設(shè)備加載到CY7C68013中并在其中運(yùn)行完成接口數(shù)據(jù)傳輸功能的一段程序，其作用是控制硬件來(lái)完成預(yù)期的設(shè)備功能。固件的主要功能包括：初始化工作、輔助硬件完成設(shè)備的重枚舉過(guò)程、對(duì)主機(jī)的設(shè)備響應(yīng)做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)、對(duì)中斷的處理、數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、對(duì)外圍電路的控制。
    本系統(tǒng)固件程序采用Cypress公司提供的固件程序框架，在其初始化函數(shù)中添加了用戶配置代碼。該設(shè)計(jì)中異步自動(dòng)從屬FIFO數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟a如下：
   
3．2 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    USB驅(qū)動(dòng)程序處于應(yīng)用程序和設(shè)備端固件之間，使操作系統(tǒng)識(shí)別USB設(shè)備，并建立起主機(jī)端和設(shè)備端之間的通信。
    VISA(Virtual Instrument SoftWare Architecture)是美國(guó)NI公司開發(fā)用來(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用程序編程接口(API)。它不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制，可用來(lái)對(duì)USB、GPIB、串口、VXI、PXI及以太網(wǎng)等進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。因此本系統(tǒng)利用LabVIEW的VISA來(lái)對(duì)USB的底層驅(qū)動(dòng)經(jīng)行開發(fā)，具體步驟如下：
    (1)使用Driver Development Wizard創(chuàng)建INF文檔。
    (2)安裝INF文檔，并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備。
    (3)使用NI-VISA Interactive Control對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。
    USB底層配置正確以后，選擇VISA類為USBRaw，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)刷新選擇的USB設(shè)備，利用VISAOpen，VISA Close，VISA Write和VISA Read
四個(gè)節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)和USB設(shè)備的雙向通信。與USB設(shè)備的通信過(guò)程分為4個(gè)步驟：
    (1)由VISAOpen函數(shù)打開VISA resource name端口指定的USB設(shè)備；
    (2)通過(guò)VISA Write函數(shù)向USB設(shè)備發(fā)送控制命令啟動(dòng)設(shè)備工作，USB設(shè)備接收到控制命令后開始采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)按要求發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；
    (3)通過(guò)VISA Read函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出；
    (4)通過(guò)VISA Close函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。
3．3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)
    LabVIEW是美國(guó)NI公司開發(fā)的一種圖形化編程軟件，具有良好的圖形顯示功能，提供種類齊全的各種波形圖和波形圖表控件，能夠以多樣化的方式直觀地顯示各種信號(hào)波形。其次LabVIEW擁有數(shù)量眾多、功能齊全的信號(hào)分析與處理子VI，供用戶調(diào)用，從而組合實(shí)現(xiàn)出所需要的信號(hào)處理功能。同時(shí)LabVIEW具有良好的擴(kuò)展性，無(wú)論是通過(guò)附加工具包擴(kuò)展，還是通過(guò)其他平臺(tái)(如Matlab／Simulink)的接口擴(kuò)展，都能很方便地進(jìn)一步擴(kuò)展其信號(hào)處理功能。
    本音頻分析儀主要包括音頻信號(hào)采集與存儲(chǔ)模塊，音頻信號(hào)功率譜分析模塊，音頻信號(hào)頻譜分析模塊和波形顯示模塊。其中頻譜分析采用快速傅里葉變換算法(FFT)，經(jīng)過(guò)FFT變換后，可以十分直觀地觀察信號(hào)所包含的頻率信息。其中信號(hào)采集與存儲(chǔ)模塊，功率譜分析模塊如圖4，圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試
    聯(lián)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出音頻分析結(jié)果如圖6所示。

    從測(cè)試結(jié)果中可以直接觀察到信號(hào)的頻譜分析、諧波分析、信號(hào)功率譜以及功率譜密度等信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)音頻信號(hào)的分析。

5 結(jié)語(yǔ)
    以FPGA為主控芯片的采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的采集和預(yù)處理，而采用USB傳輸數(shù)據(jù)可以保證較高的帶寬和高速穩(wěn)定的傳輸速率，利用LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，很好地實(shí)現(xiàn)了音頻分析儀的功能。