基于STM32的電聲綜合測試儀硬件設計

周靜雷，孫 端

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

基于STM32的電聲綜合測試儀硬件設計

周靜雷，孫 端

（西安工程大學電子信息學院，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計方案，并給出了該儀器下位機軟件的運行流程。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備的功能，并且測試儀通過USB端口與計算機進行通信，在測試過程中可以使用上位機軟件控制電路模態。經過實踐檢驗，該電聲綜合測試儀能夠滿足設計需求，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；硬件設計；微處理器；USB通訊；頻率合成芯片；儀器校準

1 引言

電聲測試是指在研發與生產過程中對揚聲器等電聲器件及電聲設備進行頻率響應、阻抗、失真、極性、T-S參數等基本參數進行測試的過程，是設計揚聲器與評估揚聲器性能的重要依據[1-2]。

提出了一種電聲綜合測試儀具體的硬件設計方案，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備的功能，并且測試儀通過USB端口與計算機進行通信，在測試過程中可以使用上位機軟件控制電路模態，提高了電聲測試效率，減少了電聲產品的開發成本及難度。

2 電聲測試基本原理及方法

目前主流的電聲測試系統都是基于計算機、專業聲卡以及硬件系統的綜合測試系統[3]。一般情況下，一套電聲綜合測試系統的聲學測試結構原理如圖1所示，首先聲卡發出激勵信號，激勵信號經過功率放大器進行放大，放大后的激勵信號激勵被測的揚聲器發聲，然后通過傳聲器對聲音信號進行采集，將揚聲器發出的聲信號轉變為電信號然后輸入到聲卡，再由計算機對其進行分析與計算，得出待測揚聲器的各項參數[4-5]。應當注意的是，測量揚聲器時，激勵信號可以選擇步進正弦掃頻信號、離散對數掃頻信號、連續對數掃頻信號[6]。另外，傳聲器在采集揚聲器響應信號時，為避免外界噪聲干擾，需在消聲箱內進行。

圖1 電聲測試系統聲學測試結構原理圖

測量分頻器、功率放大器時應用到電學測試結構。一套電聲綜合測試系統的電學測試結構原理如圖2所示，由聲卡發出激勵信號并接收響應信號就可測得被測設備的頻率響應。測量揚聲器的阻抗，T-S參數時需要在此基礎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 電聲測試系統電學測試結構原理圖

圖3 電聲測試系統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 電聲綜合測試系統設計思路

電聲綜合測試系統的設計思路如圖4所示，該系統需要有一臺裝有專業聲卡的計算機，其主要作用是作為上位機測試軟件的載體。上位機測試軟件通過對專業聲卡的驅動來實現測試信號的產生以及對傳聲器錄入信號的AD采樣，同時通過USB接口與測試儀進行實時通信來監控和發送指令到測試儀，測試儀通過識別指令進行相應的動作。另外需要一臺集成了功率放大器以及標準信號源的電聲綜合測試儀，該測試儀具備通道選擇功能，由計算機發送指令，既可以選擇接入聲卡輸出的信號，也可以選擇接入內置標準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，聲卡輸出經過功率放大器的信號，或內置標準信號源的信號，從而極大豐富了電聲測試系統的測試與分析功能，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。此外該系統還需要相應的被測設備，傳聲器，消音箱等結構。

4 電聲綜合測試儀硬件設計方案

4.1 硬件電路結構

該電聲綜合測試儀的硬件電路結構如圖5所示，電路采用模塊化設計方法，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行耦合，這樣使得儀器在安裝與調試時更為方便。

本設計使用了STM32F103V8T6芯片。該芯片是一款基于Cortex-M3內核的32位ARM微控制器，其內部集成了64k字節的Flash和20k字節的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，需要在使用前進行校準。一般的測試儀只能送至生產廠商使用外接信號源人工校準，其過程復雜而且費時，并且無法保證測試儀使用環境不同時的精度[10-11]。本測試儀為了達到高精確性校準的目的，在電路中集成了TI公司的DDS芯片AD9850作為標準信號源。通過上位機操作使AD9850產生正弦波，并且通過DAC8801衰減器將輸出信號衰減為規定幅值。需要校準時使用內置標準信號源對電路各模塊進行校準，通過USB總線將校準數據下載到ARM閃存中，使用儀器時從閃存中讀取數據,從而完成儀器自校準功能。也可以通過上位機控制電路通道使得AD9850產生的正弦波信號經過功放電路后驅動揚聲器發聲。

圖5 電聲綜合測試儀硬件結構圖

功放板電路采用LM3886T芯片對信號進行放大。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電路確保電路安全性,并且這種保護電路可以對輸出端進行過壓、欠壓、過載、短接以及瞬時峰值溫度保護。

本儀器的信號分配與調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，通過接收上位機命令，可以對輸入輸出信號進行切換與選擇，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 下位機程序

下位機軟件流程圖如圖6所示。儀器在開機初始化之后根據上位機命令對電路相應模塊進行AD采集，然后向上位機發送采集數據以達到校準的目的。本設備的ARM程序可以通過USB總線接收從上位機發送的數據，上位機一次傳輸一個64字節的數組，下位機對這個數組進行分析，從而執行相應的操作。下位機操作模式分為三種，分別是控制模式、存儲模式和查詢模式。控制模式可以依照上位機的命令來對繼電器、LED燈、AD9850芯片以及DAC-8801芯片等進行控制；存儲模式可以將上位機校準后的修正值存儲到ARM閃存中；使用儀器時再通過查詢模式向上位機發送存儲的數據，從而保證儀器的精確性。

圖6 下位機軟件流程圖

4.3 上位機程序

上位機軟件的操作界面如圖7所示。上位機軟件主要使用C++語言實現，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境和快速編譯優化方法，可以滿足本應用的程序設計。上位機軟件通過使用USB組件發送與接收數據，從而實現控制、存儲與查詢功能。當USB設備連入主機后，主機就會通過枚舉讀取設備的描述符信息，從而加載相應的驅動實現對設備的識別與通信[12]。

4.4 注意事項

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

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

圖7 上位機操作界面

5 試驗結果與分析

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

表1 電聲綜合測試儀試驗結果

6 結束語

通過使用性能優良、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計方法，給出了一種電聲綜合測試儀具體的硬件設計方案，結合上位機分析軟件就可以對測試信號進行分析與處理。本設計的創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備的功能，并且測試儀通過USB端口與計算機進行通信，在測試過程中可以使用上位機軟件控制電路模態。經過實踐檢驗，該電聲綜合測試儀能夠滿足設計需求，并且使用方便可靠，可以顯著提高電聲綜合測試效率，是對傳統電聲測試系統硬件的一種改進。

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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、聲頻測量。

2016-08-11