雙通道音量調節及電平指示模塊設計與實現

羅純哲，李探元

(91245部隊，遼寧 葫蘆島125001)

在有線語音指揮調度系統模擬揚聲單機中需要對收發通道音量進行調節和電平指示，傳統方法采用機械電位器和電平指示專用集成電路實現，存在硬件組成復雜、占用安裝空間大、抗干擾能力和可靠性差等不足。本方案以宏晶公司生產的新型1T高速單片機STC12C5A60S2為核心，利用片內豐富的A/D資源和I/O口，通過軟硬件結合實現了雙通道音量程控調節和峰值電平的動態顯示，具有硬件電路簡單、顯示效果調整靈活和調試方便等優點。

1 總體設計方案

1.1 總體設計框圖

總體設計框圖如圖1所示，以單片機STC12C5A60S2為控制核心，接受音量調節按鍵指令，顯示音量設置值，通過軟件模擬I2C總線控制音量調節數字電位計，實現雙通道音量調節；通過A/D轉換口對峰值檢波器輸出的峰值電平值進行采樣、計算、處理，并通過 P0、P1口直接驅動LED發光條進行峰值電平動態顯示。

1.2 硬件設計

模塊硬件組成主要包括電源、峰值檢波器、微控制器、數字電位器、按鍵及顯示單元等。

1.2.1 電源

外部輸入的 9～12 V直流電源，通過高性能、低功耗AS1117線性穩壓電源模塊轉換為+5 V直流電源，并增加輸入輸出高頻濾波電路，使輸出紋波電壓進一步減小，電壓輸出幅度穩定，滿足模塊供電要求。

1.2.2 峰值檢波器

為了能夠實時采集到音頻信號的峰值電平，需要對輸入的音頻信號進行峰值檢波。圖2為峰值檢波單元電路原理圖。電路采用一片NE5532低噪聲雙運放輔以二極管、電阻、電容等元件構成正峰值檢波器，圖中 R1、R2為運放IC1A的偏置電阻，使運放正輸入端偏置于2.5 V，保證運放在單電源下正常工作，C4為峰值保持電容，R3為放電電阻，改變R3可以調節峰值保持時間，運放IC1B為輸出緩沖器，緩沖器輸出電壓減去2.5 V偏置電壓即可得到輸入音頻信號的峰值電壓。

1.2.3 微控制器

微控制器采用宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1 T)的單片機 STC12C5A60S2，它是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，但速度快8～12倍[1]。最高工作頻率可達 35 MHz，具有44個I/O口，每個I/O口驅動能力均可達20 mA，內部還集成有MAX810專用復位電路，512 B的E2PROM，1 280 B的 RAM，60 KB程序存儲器，2路 PWM，8路 10位高速 A/D（250 kS/s），主要針對電機控制等強干擾應用。另外還具有ISP（在系統可編程）/IPA（在應用可編程）功能，無需專用編程器和仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，方便軟件下載和調試。

本方案中，為了簡化硬件，STC12C5A60S2單片機采用內部 R/C振蕩器，2路音頻峰值電壓通過 P1.0、P1.1口輸入進行 A/D轉換和采樣；用P1.2、P1.3軟件模擬I2C總線，通過I2C總線控制數字電位器X9241調節通道音量；音量調節加減按鍵通過P1.4～P1.7輸入；設置音量和峰值電平通過P0、P2口直接驅動2個8位LED柱形發光條進行顯示。

1.2.4 數字電位器

音量調節單元采用Intersil公司生產的X9221A數字電位器，X9221A采用CMOS工藝，內部設有2個獨立的三端10 kΩ數字電位器，而且帶有非易失性存儲器E2PROM，能在設備掉電時自動存儲滑動端設定值，擦寫次數10萬次，保存期可達100年[2]。X9221A內部每個數字電位器的滑動端抽頭數為64，總電阻值為10 kΩ，每次調節的電阻值為 10 kΩ/64，范圍為 0～10 kΩ，電阻呈線性變化。與傳統機械電位器相比，數字電位器具有程控調節的功能，滑動端非接觸，因此壽命長，不受震動影響，而且體積小，易于裝配和節省空間。

本方案中，單片機通過P1.0、P1.1口軟件模擬I2C總線與X9221A進行通信，控制和調節數字電位器實現雙通道音量64級程控調節功能。

1.2.5 按鍵及顯示單元

每個通道分別設有音量加減按鍵，共計4個。顯示單元采用2個10位LED柱形發光條，最低位用于電源狀態指示，最高位用作音量設置狀態指示，中間8位用于音量設置值及峰值電平動態顯示。

1.3 軟件設計

STC12C5A60S2單片機軟件在Keil集成開發環境下，采用匯編語言對其編程，目標代碼利用STC提供的ISP下載工具STC-ISP.EXE通過串口下載到單片機，下載和調試非常方便。

1.3.1 主程序模塊

主程序模塊通過查詢方式完成雙通道音量設置和峰值電平的計算和顯示，流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

1.3.2 T0中斷服務程序模塊

主要完成音頻峰值采樣定時、音量設置狀態延時、峰值電平顯示周期定時、雙通道峰值電壓的A/D轉換、最大值比較和提取工作，程序流程圖如圖4所示。在音量設置狀態下，實現設置狀態延時保持，設定延時時間到后，自動轉入電平顯示狀態。在電平顯示狀態下，每次中斷都對雙通道峰值電壓進行A/D采樣，比較前后兩次采樣值提取最大值，得到顯示周期內音頻峰值最大值并保存，用于音頻峰值電平的計算和顯示。通過修改中斷次數比較初值，可以方便地調節音量設置狀態保持時間，也可以方便地調節峰值電平顯示周期，以找到符合人的心理學中視覺聽覺聯合感受[3]的顯示周期。

圖4 T0中斷服務程序流程圖

1.3.3 峰值電平計算及顯示模塊

主要完成峰值電壓—峰值電壓電平轉換及顯示數據計算、動態更新和顯示。

電路中某測試電壓與標準比較電壓0.775 V之比取常用對數的 20倍稱為電壓電平[4]，單位為 dBu，其數學表達式如下：

Lu=20lg（U/0.775）

其中，Lu為電壓電平，單位為 dBu；U為峰值電壓，單位為V。

峰值電壓－峰值電壓電平轉換及LED顯示對應關系如表1所示。

表1 峰值電壓－峰值電壓電平轉換及LED顯示對應關系

2 實驗結果與分析

為了調試方便，通過電腦媒體播放器連續播放語音和音樂，電腦輸出音頻信號輸入到模塊音頻輸入端，模塊音頻輸出端接電腦有源音箱的輸入，通過模塊音量調節按鍵調節雙通道輸出音量，根據音箱發出聲音大小判斷音量調節是否正確。通過實驗驗證，模塊雙通道音量調節功能正確可靠。通過改變電平顯示周期觀察電平動態顯示效果，調試發現：顯示周期越短，顯示的電平變化幅度大而且快速，視覺感受相對于聽覺感受滯后小，但因顯示變化速度太快，視覺上有閃爍感；隨著顯示周期的延長，顯示的電平變化幅度變小，視覺感受相對于聽覺感受滯后變大，視覺聽覺同步感變差，但視覺感受變好，沒有明顯的閃爍感。通過調試驗證，電平顯示周期在20 ms～80 ms范圍內選取，可得到較好的顯示效果。

本文根據某有線指揮調度系統模擬揚聲單機研制需要，設計了一種基于STC12C5A60S2單片機的雙通道音量調節和電平指示模塊方案，并制作實物進行了調試和驗證。驗證結果表明，方案設計合理可行，研制的模塊實物體積小、成本低、操作簡單、易于實現，具有較高的性價比和使用價值。

[1]STC12C5A60S2中文手冊完全版[OL].[2011-01-15].http：//www.stcmcu.com.

[2]Intersil.X9221 a double digital controlled potentionmeters data sheet[S].2007.

[3]唐偉.解讀 VU 電平表[J].音響技術，2008(7)：62-64.

[4]丁光亮，楚紀正，王琦.數字信號音頻電平的算法研究[J].通信技術，2010，43(7)：150-153.