Elektroakustik test sistemi için kullanılabilecek profesyonel ses arayüz tasarımı
Elektroakustik test sistemi esas olarak hoparlörlerin, mikrofonların ve diğer ürünlerin elektroakustik performansını test etmek için kullanılır.Elektroakustik ürünlerin geliştirilmesi ve üretiminde vazgeçilmez bir ekipmandır. Elektroakustik test sistemi, ses sinyallerinin analogdan dijitale ve dijitalden analoğa dönüşümünü gerçekleştirmek için genellikle bir ses kartının yardımına ihtiyaç duyar. Ses kartı tasarımı daha çok ses kalitesi etkisine odaklanır.Ses kartının ses efekti işleme işlevi, elektroakustik test sisteminin gereksiz maliyetini artıran elektroakustik testte kullanılmaz; genel ses kartı, sürekli frekans tarama testini tamamlamak için senkronizasyon protokolüne ihtiyaç duyar. . Elektroakustik test sistemi için özel bir ses arayüzünün geliştirilmesi, elektroakustik testin doğruluğunu artırmak, test sürecini basitleştirmek ve maliyetleri düşürmek için elverişlidir. Bu yazıda tasarlanan ses arayüzünün üst bilgisayar yazılımı, C ++ programlama dili ile tasarlanmış olup, güç kaynağı ölçüm sistemi yazılımı ile çağrılabilen arayüz fonksiyonlarını sağlar. Yüksek hızlı USB2.0 arayüz iletişimi, ses verilerini daha hızlı iletebilir. Alttaki bilgisayar, ana kontrol yongası olarak STM32F429'u kullanır.Çip, ses verilerini depolamak için bir FMC arabirimine ve genişletilebilir SDRAM'a sahiptir. WM8978 ses codec'i, ses sinyalinin dijitalden analoğa ve analogdan dijitale dönüşümünü gerçekleştirmek için kullanılır. , 16-bit ve 24-bit örnekleme doğruluğu elde edebilir ve elektroakustik test sistemlerinin ihtiyaçlarını karşılayan maksimum 192 kHz örnekleme oranını destekleyebilir.
1 Ses arayüzünün çalışma prensibi
Elektroakustik test sisteminde, ses arabirimi D / A ve A / D dönüştürme işlevlerini gerçekleştirmek, elektroakustik ölçüm cihazları için uyarma sinyalleri sağlamak ve giriş sinyallerini bilgisayar yazılımı analizi, ses arabirimi kaydı ve Oynatma işlevi süreci Şekil 1'de gösterilmektedir. Alttaki bilgisayar, farklı örnekleme oranlarına, farklı örnekleme hassasiyetlerine ve farklı kanal sayısına sahip wav dosyalarını tanımlayarak ses kodekini yapılandırabilir ve üst bilgisayarın gereksinimlerine göre kayıt veya oynatma işlevlerini gerçekleştirebilir.
2 Ses arabirimi donanım tasarımı
Şekil 2'de gösterildiği gibi, ses arabirimi, toplam 8 giriş kanalı ve 8 çıkış kanalı ile 4 adet 2 kanallı ses arabiriminden oluşur, bu nedenle hoparlör gücü test sistemleri gibi çok kanallı test gerektiren elektroakustik test sistemlerinde kullanılabilir. Dört 2 kanallı ses arabirimi, dört adet 2 basamaklı DIP anahtarı tarafından atanan cihaz kimlik numaralarıyla ayırt edilir.Dört 2 kanallı ses arabiriminin USB arabirimleri bir USB HUB'da toplanır ve USB HUB, bilgisayara bir USB arabirimi üzerinden bağlanarak Bilgisayardaki USB bağlantı noktası sayısı talebi karşılanır.
Şekil 3, 1 kanallı 2 kanallı ses arabirimini kullanan bir elektroakustik test sistemidir.Her 2 kanallı ses arabirimi, mono veya stereo kayıt ve oynatma gerçekleştirebilir.Kayıt ve oynatma işlevleri bağımsız olarak veya aynı anda gerçekleştirilebilir. Ses arabiriminin ana kontrol yongası, ses kodeğinin işlevini ayarlamak için I2C seri veri yolu aracılığıyla STM32F429'dur; ses veri iletimi için I2S yerleşik ses veri yolu ve ses kodeği WM8978 aracılığıyla; 1 USB PHY yongasını genişletmek için ULPI arabirimi aracılığıyla USB3300, yüksek hızlı modda USB2.0 iletişimini gerçekleştirir; FMC esnek depolama denetleyicisi arabirimi aracılığıyla, 32 MB bellek boyutuna sahip bir SDRAM yongası W9825G6KH-6, ses verilerini depolamak için genişletilir.
3 Ses arabirimi yazılım tasarımı
3.1 Alt bilgisayarın yazılım tasarımı
Alt bilgisayarın yazılımı, STM32 standart kitaplığına göre tasarlanmıştır ve program akış şeması Şekil 4'te gösterilmektedir. Deneyler, donanım açıldıktan sonra, donanımın başlatılabilmesi için bir gecikme olduğunu, aksi takdirde ses kodeğinin başlatılamamasına neden olacağını kanıtlamıştır.Bunun nedeni, WM8978 yongasının açıldıktan sonra başlaması için belirli bir süreye ihtiyaç duyması ve I2C'nin donanım başlatıldıktan sonra yazılabilmesidir. Yapılandırma komutları.
İlk donanım konfigürasyonu Şekil 5'te gösterilmektedir. Kaydı ve oynatmayı senkronize etmek için ana I2S, bağımlı I2S için bir saat sağlar, böylece ana yonga, ses kodeği ile senkronize tam çift yönlü iletişim gerçekleştirebilir, ancak kayıt ve oynatma için örnekleme hızı yalnızca aynı olabilir. Kesintisiz olarak kaydetmek veya oynatmak için, hem ana I2S hem de bağımlı I2S, DMA çift arabellek modunda yapılandırılır. CPU, DMA'nın bir arabelleğini okuduğunda ve ona yazdığında, kaydı veya kayıttan yürütmeyi durdurmaya gerek yoktur. DMA başka bir arabellek kullanabilir. USB, yüksek hızlı modda USB2.0 CDC cihazı olarak başlatılır ve USB, SDRAM için uygulanan veri alma arabelleğini kullanarak ses verilerini alır.
Donanımın başlatılması tamamlandıktan sonra, alt düzey makine, LED ışığının yanıp sönmeye devam ettiği USB bağlantısını bekler. USB bağlandıktan sonra, LED ışığı her zaman açıktır.Aşağıdaki bilgisayar, üst bilgisayardan komutu aldığında, komut değerine göre karşılık gelen işlevi yürütecektir.Bu işlevler aşağıdaki gibidir:
(1) Cihaz durumunu sorgulama işlevi, oynatma durumu, kayıt durumu, cihaz kimlik numarası, oynatma hacmi, örnekleme hızı ve örnekleme doğruluğu gibi bilgileri ana bilgisayara döndürebilir. Bunlar arasında, kayıt durumu 4 durum içerir: kayıt kapalı, kayıt açık, senkronize kayıt ve kayıt tamamlandı ve oynatma durumu 2 durum oynatma kapalı ve oynatma açık içerir.
(2) Örnekleme modu işlevini ayarlayın, kayıt ve oynatmanın örnekleme doğruluğunu 24 veya 16 bit olarak ayarlayın ve örnekleme hızı 8 kHz ~ 192 kHz'dir.
(3) Oynatma anahtarı ve kayıt anahtarı işlevi. Bağımlı I2S, ana I2S saat sinyalini kullanır.Bu, kayıt ve oynatmanın senkronizasyonunu sağlayabilir, ancak ana I2S kapatıldıktan sonra ikincil I2S'nin kullanılamaması sorununa neden olur. Bu sorunun çözümü, donanım başlatma tamamlandıktan sonra ana I2S'nin sürekli olarak DMA arabelleğinden ses kodekine veri göndermesidir.Kayıttan yürütme işlevini açmak istiyorsanız, yalnızca ana I2S'nin DMA arabelleğine ses verisi yazmanız gerekir. Oynatma işlevini kapatmak için boş verileri yazın. Kaydı bağımlı I2S'yi kapatarak kapatırsanız, I2S'nin bir sonraki açılmasından sonra iletilen ilk verinin hangi giriş kanalına ait olduğunu belirlemek imkansız olacaktır, bu da kayıt verilerinin sol ve sağ kanallarının belirsiz olmasına neden olur, böylece yalnızca CPU kontrol edilerek okunabilir. Kayıt işlevinin açılmasını veya kapanmasını kontrol etmek için verileri I2S arabelleğinden alın Bu, yalnızca bir kayıt anahtarı bayrağı kullanılarak yapılabilir.
(4) Eşzamanlı kayıt işlevi ve oynatma ve kayıt işlevleri aynı anda açılır.Kayıt ve oynatma teorik olarak kayıt ve çalmanın tam senkronizasyonunu sağlayabilen aynı saat sinyalini kullanır.
3.2 Ana bilgisayar yazılım tasarımı
Ana bilgisayar yazılımı bir ana iş parçacığına ve bir iletişim parçasına bölünmüştür Ana iş parçacığı, bilgisayara bağlı USB aygıtını bulabilir ve ses arayüzünün USB aygıt tutamacını iletişim dizisine ekleyebilir. Ana iş parçacığı tarafından sağlanan arayüz işlevi, kullanıcının aygıtın işlem bilgilerini iletişim dizisine gönderebilir.İletişim dizisi, alt bilgisayara gönderilecek kontrol komutunun türünü ve sorgulanan cihaz çalışma durumu bilgisi ve ana iş parçacığından alınan cihaz işlem bilgisine göre nasıl belirlenir Veri aktarımı gerçekleştirin.
Ana bilgisayar yazılımının özel çalışma süreci Şekil 6'da gösterilmektedir. Çalışırken takma işlevini gerçekleştirmek için, ana bilgisayar yazılımı ilk olarak USB CDC aygıtını ana bilgisayar yazılımı açıldıktan sonra ana pencereye kaydeder Ana bilgisayar yazılımı, Windows işletim sisteminin WM_DEVICECHANG mesajını alarak USB fişini tanımlayabilir. Çekme olayı. Ana bilgisayar yazılımı, libusb kitaplık işlevini çağırarak USB iletişimini uygular.Ana iş parçacığı, önce libusb kitaplığını başlatır, ardından USB veriyolunu ve veriyolu üzerindeki aygıtları arar, aygıt tanımlayıcısına göre ses arabirimlerini filtreler ve USB aygıt bilgilerini elde etmek için tüm ses arabirimlerini açar Cihaz numarasını işleyin ve sorgulayın, mevcut tutamaca karşılık gelen ses arabirimi kanalı, cihaz numarası aracılığıyla bilinebilir. Ana iş parçacığı, aygıt tutamacını ve karşılık gelen aygıt numarasını iletişim dizisine iletir ve iletişim dizisi 4 kanallı 2 kanallı ses arabirimini ayrı olarak çalıştırabilir. Son olarak yazılım bekleme durumuna girer Kullanıcı USB cihazını takıp çıkardıktan sonra yazılım cihazı tekrar arayacaktır. Kullanıcı, cihaz arabirimi işlevini çalıştırdıktan sonra, ana iş parçacığı, aygıtın işlem bilgilerini iletişim dizisine gönderecektir.
İletişim dizisi kurulduktan sonra, sürekli olarak cihaz durum bilgilerini sorgulayacak, USB iletişiminin normal olup olmadığını belirleyecek ve alt bilgisayarın çalışma durumunu sorgulayacaktır. Ana iş parçacığının cihaz işlem bilgisini aldıktan sonra, iletişim dizisi bunu cihaz durum bilgisi ile karşılaştırır ve bilgideki farklılığa göre alt bilgisayara karşılık gelen komutları veya veri iletimini gönderir. Bu tasarım şeması, üst bilgisayarın ve alt bilgisayarın çalışma durumunun senkronizasyonunu sağlayarak tüm sistemin daha kararlı çalışmasını sağlar.
4 performans testi
4.1 Sinyal çıkışı performans testi
Bilgisayar, sinüzoidal sinyali çıkarmak için PreSonus AudioBox 1818 VSL profesyonel ses kartını ve ses arayüzünü kullanır ve toplam harmonik distorsiyonu ölçmek için APx525 ses analizörünü kullanır.Ölçüm sonuçları Şekil 7'de gösterilmektedir. Ses arayüzü, tüm ses frekansı bandındaki uyarma sinyalinin toplam harmoniğini çıkarır. Distorsiyon, profesyonel ses kartından daha düşüktür, 1000 Hz'de toplam harmonik bozulma -77 dB ve profesyonel ses kartı -53,7 dB'dir.
4.2 Sinyal edinme performans testi
Ses kartı ve ses arabirimi, sırasıyla ses analizörü sinyal kaynağı tarafından sinüzoidal sinyal çıkışını toplamak için elektroakustik ölçüm sisteminde kullanılır Ölçülen voltaj Şekil 8'de gösterilmektedir. 10 Hz ila 20 kHz aralığında, ses arabiriminin genlik-frekans özellikleri Profesyonel ses kartlarına benzer şekilde, 20 kHz'in üzerindeki performans, profesyonel ses kartlarından daha iyidir.
4.3 Senkron Kayıt Fonksiyonunun Doğrulanması
Üst bilgisayar yazılımı dalga biçimini 1 kHz sinüs sinyali olarak okur, örnekleme hızı 48000 Hz, örnekleme doğruluğu 16 bit ve süre 1 saniyedir.Wav dosyasından sonra, Şekil 9'da gösterildiği gibi, birinci ve 48.000 seste Veri noktasına bir işaretçi ekleyin. Ardından ses arabirimi giriş ve çıkış kanallarını bağlayın, eşzamanlı kayıt işlevini kullanarak çıkış sinyalini doğrudan senkronize edin ve Şekil 10'da gösterilen dalga biçimini toplayın. Şekil 9 ve Şekil 10'da işaretlenen değerler aynı konumdadır ve ses arayüzünün eşzamanlı kayıt işlevinin, kayıt ve çalmanın tam senkronizasyonunu sağlayabildiğini gösterir.
5. Sonuç
PreSonus AudioBox 1818 VSL profesyonel ses kartı ile karşılaştırıldığında, bu yazıda tasarlanan ses arabirimi, çıkış kanalının daha düşük toplam harmonik bozulmasına ve giriş kanalının daha iyi genlik-frekans özelliklerine sahiptir.Kayıt ve oynatmanın tam senkronizasyonunu sağlayabilir ve düşük maliyetli avantajlara sahiptir. Elektroakustik ölçüm sistemi için tamamen profesyonel ses kartının yerini alabilir.
Referanslar
Hu Lianghong. Hoparlör elektroakustik parametreleri için kapsamlı bir algılama sisteminin geliştirilmesi Guilin: Guilin Elektronik Teknolojisi Üniversitesi, 2015.
Guo Qing, Yang Dongqi, Xu Cuifeng Hoparlör elektroakustik parametreleri için otomatik bir test sisteminin tasarımı. Bilim Teknolojisi ve Mühendisliği, 2015, 15 (34): 56-63.
Feng Jianfeng, Zhang Bo, Yang Dongkai.Yüksek hızlı USB3300 arayüzüne dayalı FPGA veri toplayıcısının tasarımı ve uygulaması.Sinyal ve Akıllı Bilgi İşleme ve Uygulama Ulusal Konferansı Bildirileri, 2013.
Tian Di, Wang Hongwei, Qi Mu Surong. STM32F429'a dayalı ses sinyali üreteci. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2014 (24): 87-90.
Zhang Yu, Meng Qingnan, Yang Kaiyu, vb. Delta-sigma teknolojisi ve FPGA'ya dayalı veri toplama sistemi Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2011, 37 (6): 141-144.
Zhou Jinglei, Sun Changcheng.Ses çalma ve kayıt denetleyicisinin STM32'ye dayalı tasarımı.Mikroproişlemci, 2017, 38 (1): 67-70.
Liu Li. Gömülü WM8960 ses sürücüsü ve çok parçacıklı oynatıcı tasarımı Harbin: Harbin Teknoloji Enstitüsü, 2015.
Zhou Jinglei, Wang Hao, Li Qian, vb. Yüksek güçlü hoparlör üniteleri için güç testi sistemi tasarımı Yabancı Elektronik Ölçüm Teknolojisi, 2018, 37 (5): 89-92.
Yang Haziran Hoparlör güç testinde bazı yeni trendler Elektroakustik teknolojisi, 2017 (Z4).
Li Sheng. SOPC'ye Dayalı Gömülü Veri İletim Sisteminin Tasarımı Hangzhou: Hangzhou Dianzi Üniversitesi, 2012.
yazar bilgileri:
Zhou Jinglei, Li Tengfei, Feng Yuan
(Elektronik Bilgi Okulu, Xi'an Politeknik Üniversitesi, Xi'an, Shaanxi 710048)
