基于MK7A23P混合脈寬方式調(diào)節(jié)音量的警報器設(shè)計

隨著報警器的多樣化和廣泛應(yīng)用，有效地控制各種事故的發(fā)生。不同的應(yīng)用場合要求不同的音源，因此對報警音源的種類要求越來越多。
    警報器輸出音量大，通常在120 dB以上，因此輸出功率大，如果音量調(diào)節(jié)采用線性方式，效率僅為40％～60％，損耗功率大所需要的散熱片面積也大，不利于安裝和節(jié)能。
    因此通常采用開關(guān)方式調(diào)節(jié)音量，效率可達(dá)85％～95％，但現(xiàn)有的警報器調(diào)節(jié)音量時音色改變，音量越小音色改變越大，且整體電路復(fù)雜。因此需要開發(fā)一種調(diào)節(jié)音量時音色不變、效率高、可產(chǎn)生多種報警音源，且電路簡單的大功率報警器。
    文中分析了國際上通用的各種報警音源的基礎(chǔ)上，提出了一種混合開關(guān)方式調(diào)節(jié)音量的方法，并利用MK7A23P單片機以脈寬方式調(diào)節(jié)音量，解決了上述問題。MK7A23P單片機具有較強的抗干擾能力，內(nèi)含RC振蕩器、WDT及復(fù)位電路，有ADC和PWM發(fā)生器，與其他系列單片機相比，省去了很多外圍元件，且價格低廉，適于各種工業(yè)控制器。
    因此利用MK7A23P設(shè)計的大功率警報器，整體電路簡單、工作穩(wěn)定，提高了生產(chǎn)能力和產(chǎn)品的競爭能力。

1 利用MK7A23P組成的大功率警報器
1．1 國際上通用的報警音源分析
    表1中列出了國際上通用的幾種報警音源的頻率和用途。

    報警音源雖然種類多，但可分為3大類：一是兩種頻率改變狀態(tài)；二是頻率快速連續(xù)改變狀態(tài)；三是頻率慢速漸變狀態(tài)。圖1表示典型的3種音源的波形圖，這種波形可通過編程的方法得到高穩(wěn)定度的音源。

    通過分析可知所有的音源為占空比為50％的方波，因此可利用調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法調(diào)節(jié)音量。
1．2 常用的開關(guān)調(diào)節(jié)音量的方法及缺點
    通常使用的脈寬方式調(diào)節(jié)音量的方法有兩種：一是在音源信號的每個周期內(nèi)按照衰減要求比例衰減高電平時間，實現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)。由于頻率不變，因此基頻不變，但平均電壓降低從而可調(diào)節(jié)音量，如圖2所示。這種方法如果使用硬件電路實現(xiàn)，則電路比較復(fù)雜，利用單片機實現(xiàn)，則進行乘除法計算，要求運行速度很快。

    二是音源信號和占空比可調(diào)的信號相乘也可實現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)，但相乘的信號頻率應(yīng)在15 kHz以上，圖3所示。

    第一種方案的優(yōu)點是開關(guān)管的工作頻率與音源的頻率相同，因此效率高。缺點是雖然基頻不變，但音色改變，音量越小音色改變量越大。由信號處理理論中可知，頻率不變時隨著脈寬的減少諧波量增加，因此音源的音色改變，尤其是緊急調(diào)頻調(diào)時最嚴(yán)重，無法使用。
    第二種方案的優(yōu)點是改變音量時音色不變。由采樣理論可知采樣頻率大于信號頻率的2倍以上時可恢復(fù)原來的信號，實際上為了避開“可聽頻率”造成的噪聲，相乘的信號頻率為15 kHz以上，此時采樣速率可達(dá)9倍以上，可完整地回復(fù)原來的波形，從而音色不變。
    缺點為：一是相乘信號的頻率較高，因此開關(guān)管工作在高速狀態(tài)，效率降低；二是要求音源波形的上升沿與相乘的信號波形的上升沿必須同步，否則產(chǎn)生噪音(圖3中的同步點)；三是以連續(xù)調(diào)頻改變量較慢時，隨周期變短則減少一個高頻脈沖，音量減少，在小音量時可出現(xiàn)嚴(yán)重的周期性的“嘟、嘟”聲音。
1．3 大功率警報器整體電路框圖
    整體電路框圖如圖4所示，由簡單的驅(qū)動器組成的功率放大器、音量調(diào)節(jié)用電位器、過壓檢測器、音源選擇開關(guān)、單片機等部分組成，具有完善的保護功能和很高的效率。

    框圖中開關(guān)功率放大器部分通過電路控制可以改變輸出端的脈沖寬度，從而改變波形的能量，可以控制開關(guān)音量調(diào)節(jié)。根據(jù)頻率與聲音的關(guān)系可以知道，當(dāng)功率放大器的功率管總是處于開關(guān)狀態(tài)時，如果方波的高度不變，改變其寬度即可改變音量，從而實現(xiàn)開關(guān)音量調(diào)節(jié)。
1．4 MK7A23P單片機的特性
    MK7A23P是帶15位A／D的RISC高性能8位微控制器，它內(nèi)含2×16bit的OTP形式ROM程序存儲器、128×8 bit的RAM、5個定時器／計數(shù)器、多個I／O口、4路比較器和2路PWM輸出。一個指令周期由2個系統(tǒng)時鐘組成，因此運行速度很快，有4種復(fù)位形式，雙時鐘模式，有內(nèi)部RC振蕩器、WTD，有8腳和14腳等多種封裝，I／O口在輸入狀態(tài)下，可置為上拉電阻模式。因此可省去外部的復(fù)位電路、振蕩器和上拉電阻。
1．5 改進的大功率警報器的音量調(diào)節(jié)技術(shù)
    音源的每個周期中比例調(diào)節(jié)脈寬的方法導(dǎo)致音色改變，因此除了連續(xù)調(diào)頻調(diào)以外的音源可用與2種信號相乘方法進行音量調(diào)節(jié)。而連續(xù)調(diào)頻的音量調(diào)節(jié)采用每周期中比例調(diào)節(jié)脈寬的方法，實驗表明，由于頻率改變較慢，因此聽覺上音色改變量很小。
    音量可分為64步或128步調(diào)節(jié)，實驗表明64步時最小音量較大，因此采用128步調(diào)節(jié)。
    按音量的衰減比例調(diào)整脈寬時，脈寬的時間由式(1)決定。式中TPWM為脈寬時間，N為A／D讀入的衰減量，范圍是0～128的連續(xù)量，TS為音源信號的周期。
   
    MK7A23P單片機無乘法指令，但運行速度很快，使用內(nèi)部RC振蕩器以4 MHz工作時，運行16×8乘法程序僅需要約50μs，而音源的最高頻率1 650 Hz時周期為606μs，有足夠的處理時間。除256可右移8次即可實現(xiàn)，且運行時間很短。
    設(shè)計程序時，按音源的頻率產(chǎn)生中斷，然后計算脈寬，輸出高電平延時TPWM后再輸出低電平。
    其他音源調(diào)節(jié)音量時，可使用MK7A23P內(nèi)部的PWM發(fā)生器。MK7A23P內(nèi)有8位的PWM1、PWM2發(fā)生器，時間常數(shù)由4個定時器管理，可自動裝入，運行速度很快。
    設(shè)置PWM1的相關(guān)參數(shù)，輸出頻率為15 kHz(或30 kHz，效果更好)脈寬改變的方波。
    設(shè)計程序時，按音源的頻率產(chǎn)生中斷，把讀入的AD值放入脈寬調(diào)整定時器，然后啟動PWM1工作即可。
    因此根據(jù)所選擇的音源，運行不同的程序，確保音色不改變的情況下，以脈寬方式調(diào)節(jié)音量，提高功率放大器的效率。
    圖5為整體電路圖，大部分功能由單片機處理，而MK7A23P內(nèi)有上拉電阻、復(fù)位電路、振蕩器、WDT等，因此電路簡單，S1和S2為模式和音源選擇開關(guān)。功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，輸出信號經(jīng)過Q3電平轉(zhuǎn)換后通過射極跟隨器輸出，C1、R1、R2組成自舉電路，提高輸出的高電平電壓，從而進一步提高效率。

    圖6為采用第一種方案的實測波形，即信號相乘方法。每個音源波形的高電平上升沿處有高電平脈沖，有效地避免頻率的微變而產(chǎn)生的噪音。最大音量輸出時揚聲器中電流是連續(xù)的，而最小輸出時揚聲器中電流也是連續(xù)的，且對揚聲器的沖擊很小。如果加濾波器可進一步慮除高頻脈沖，減少對揚聲器的沖擊。因此除了連續(xù)調(diào)頻調(diào)以外的音源采用這種方法，即可有效地避免音色的改變。

    圖7為采用第二種方案的實測波形，即比例衰減方式?？芍畲笠袅枯敵鰰r揚聲器中電流是連續(xù)的，而最小輸出時揚聲器中電流是不連續(xù)的且對揚聲器的沖擊較大。但可避免采用第一種方案時，頻率慢速改變而產(chǎn)生的周期性的“嘟、嘟”聲音，而且音色改變量也不大。

2 結(jié)束語
    實驗證明根據(jù)不同的音源，采用不同方式處理輸出的脈寬，可避免音色改變，如果使用硬件電路設(shè)計則電路復(fù)雜，但利用高性能價格比的MK7A23P實現(xiàn)，整個電路簡單，且工作穩(wěn)定、抗干擾能力強。效率可達(dá)到85％以上，所需要的散熱片體積減少1／3以上，便于安裝和維護。