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本科毕业设计（论文）有线听力测试系统设计全套设计加扣3012250582 燕 山 大 学2015年6月 本科毕业设计（论文）有线听力测试系统设计学 院：里仁学院 专 业：通信工程 答辩 日期：2015.6.23 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子与通信工程系 学号专 业班 级2011级通信1班题目题目名称有线听力测试系统设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1.搜集、查阅有关听力测试系统的资料，了解现有的听力测试系统技术；2.自行设计听力测试系统，要求测试结果通过有线方式上传；给出系统总体设计方案及软硬件设计方案；3.硬件调试，编写软件，调试程序；4.软硬件联调，性能分析。基本要求1.查资料，了解听力测试系统的现状，原理并比较各自的特点；了解测试点的频率、功率等参数；2.给出自己的设计方案，完成系统总体方案设计，包括硬件原理框图和软件设计方案；3.设计出并绘制具体的硬件电路图；4.硬件电路并调试通过；编写软件并通过调试；5.软硬件联调通过，给出系统的性能指标。参考资料1.有关听力测试系统的资料文献2.单片机原理3.单片机接口技术周 次第 周第 周第 周第 周第 周应完成的内容查资料，了解听力测试系统的现状，功能原理及参数，总体方案设计硬件设计硬件调试，软件编程，调试软硬件联调写论文，答辩摘要摘要听力测试系统是实现听力功能测试的声学电子仪器，可为听力损失的定性、定量和定位诊断提供参数依据，是最近耳病诊治和听力学研究的重要设备，本文从听力计的发展趋势和面临现状出发，基于对系统结构和功能要求的分析，论述了仪器的功能原理、软、硬件设计方法和正弦信号的实现过程。系统采用微处理器STC12C5A60S2来控制正弦信号的发生电路、功放滤波电路、音量控制电路及通讯接口等功能模块的协同工作，通过串行接口实现上、下机位的数据传输。测试者可以在LCD液晶屏上直接看见声音的频率和音量。本文设计了基于单片机的听力测试系统，通过Altium Designer软件绘制电路原理图、C语言编程，在Keil C软件里调试程序，在Proteus中实现了仿真。仿真成功，产生了正弦信号，经过DAC0832数模转换，LM358功放滤波，数字电位器的音量调节，最后按键，选择频率，将结果显示在液晶屏上。关键词正弦信号；功放滤波；数字电位器；编程I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractThe hearing test system is listening function testing the acoustic electronic instrument, can be used as qualitative and quantitative of hearing loss and locating diagnosis provides the basis of the parameters, is the important equipment of diagnosis and treatment of ear disease and audiology research recently, this paper starting from the development trend and the status quo of the face of audiometer, based on the analysis of system structure and function requirements, discusses the function of instrument principle, software and hardware design method and realization process of sine signal.System USES STC12C5A60S2 microprocessor to control the occurrence of sine signal circuit, power amplifier filtering circuit, the volume control circuit and communication interface function modules to work together, through the serial interface to realize data transmission of upper and lower ticket reservation. Testers can be directly on the LCD screen to see the frequency of the sound and volume.In this paper, design a listening test system based on single-chip microcomputer, through Altium Designer software rendering circuit principle diagram, the C language programming, in Keil C software debugger, in Proteus simulation was realized. The simulation is successful, the sine signal, after the DAC0832 d/a conversion, LM358 amplifier filtering, digital potentiometer for volume, the final key, choose the frequency, the results displayed in the LCD screen.In this paper, the main work is completed the design of hardware circuit and the underlying program debugging; Using C language to write the function more complete program; To complete all the hardware and software system of alignment test and the results show the work.Keywords Sine signal; Power amplifier filtering; Digital potentiometer; programmingIII 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.3 需要解决的问题21.4 本文的结构和主要内容3第2章 有线听力测试的整体设计方案52.1 听力测试系统的基本原理52.2 设计方案62.2.1 硬件电路的设计方案62.2.2 软件设计方案82.3 本章小结9第3章 硬件电路设计113.1 硬件电路总述113.2 微处理器及单片机最小系统123.2.1 微处理器123.2.2 单片机最小系统143.3 信号发生部分163.3.1 正弦信号电路163.3.2 数模转换电路173.4 功放滤波电路193.5 音量控制电路213.6 按键电路223.7 液晶显示电路233.8 通信接口电路243.9 本章小结27第4章 软件设计及电路仿真294.1 软件设计294.1.1 主程序模块304.1.2 外部中断模块304.1.3 定时中断模块314.1.4音量控制模块314.1.5 液晶显示模块314.2 仿真结果344.3 本章小结37结论39参考文献40致谢42附录143附录249附录353附录46229 第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景及意义目前，针对耳病患者的治疗有很多种方法，但是在确诊之前都要做全面听力检测。听力检测在耳科领域是最简单有效的一种方法，在实际生活中有广泛的应用。它是一种通过检测受试者对声音刺激反应的一种检测技术。从而对测试者的听力状况做出准确的判断，为佩戴助听器提供参考依据，根据自身的实际情况选择不同种类的助听器产品。可以这样说，听力检查的准确程度决定了助听器的验配的成败。听力计是检测听力功能的基本工具，是现代人们广泛认为能准确反应听力情况的普遍应用的最佳办法。它采用了电声学原理设计而成，首先产生正弦信号，通过功放、滤波，再放大，产生不同频率和强度的声音信号1。听力计具有准确可靠、频率范围广等优点，对于判断耳朵的听力状况，有很大的作用和影响2。1.2 国内外研究现状及发展趋势1879年在英国，Hughes发明了世界上第一台听力计，并撰写了名为感应电流平衡和实验研究的论文。听力计(audiometer)一词由此诞生。1912年，Hawksley在英国将听力计投入商业化生产，称为Hughes听力计(HugheSSonometer)。随后，听力计的发展经历过一个断档时期，直到1931年，Brown等重新提起听力计，并出现了现代电子管听力计的测试技术。直到二十世纪四十年代，B&K公司设计出它的首台听力计产品，听力计被广泛应用于医疗和科研领域。同时，美国的GrasonStadler公司研发了新一代的测听仪器，极大推动了听力计产品的普及。随着电子学和听觉生理学的发展，听力计采用的电声元件由早期的电子管发展到晶体管以至集成电路；指示器由刻度盘发展到数字显示以至屏幕显示；测试方法由手控主观反应发展到自动描记结果和计算机程控等等；测试内容在阈值测定的基础上发展了一系列功能检查和听觉中枢的测定。目前，包括美国、丹麦和德国在内的很多国际知名企业都在致力于听力计的创新和研究工作，同时也取得不少成果：1993年出现基于低版本DSP技术和PC机的数字信号处理听力工作站；1999年成功研制出用DDS技术产生高精度纯音信号的听力计；21世纪初出现集成模拟和数字技术CMOS的听力计系统；2004年伴随着手机技术的发展，研制出可移动的手机式听力计。但国外产品价格过高，不易掌握，可操作性不强，设备使用不灵活，不适合急救中心等需现场测试的部门使用。在我国，听力计的研究发展很快。20世纪50年代一些医院已经使用听力计测定听阈。随着测听手段及芯片技术的发展，人们对声音信号的要求越来越高。模拟技术、数字技术、DDS等技术的应用，使听力计的测量精度和准确性显著提高。随着听力计的应用范围越来越广，各种用途的听力计产品将会越来越多。目前国内外听力计的发展趋势主要表现在以下几个方面：（1）提高声音的质量和精度，趋于向电子集成模块来完成。（2）向低成本、多功能、便携式发展。（3）智能化水平有待提高。1.3 需要解决的问题从前面的叙述，我们可以看出，虽然听力计的研究取得了很大的进展，但是它本身还存在很多局限性，由很多问题还需要解决，主要体现在：1. 产品的体积大、价格高、不易携带；2. 用机械电位器设计的衰减电路准确性和精度较差，受环境影响较大；3. DSP技术成本较高，产品的智能化和自动化水平比较低。我的主要目标是设计可实用的、性价比高的、功能齐全的、小巧易带的听力测试系统，以便为进一步研究提供依据。论文的主要工作从以下几个方面进行论述：1. 详细介绍了系统设计的思想理念和结构特点，阐述了各个部分的工作原理。2. 完成了基于STC12C5A60S2单片机核心板的硬件电路的设计与调试，并且详细论述了数模转换DAC0832的基本原理、组成结构，和使用方法6。3. 讨论了正弦信号的产生原理以及音量控制程序的设计8。4. 利用C语言编写出一套功能比较完整的程序，从而实现了各个功能模块的实时可控，以便更好的进行工作。5. 完成了系统的测试工作。1.4 本文的结构和主要内容毕业设计是通过编程实现信号的产生，首先将正弦信号的采样值存到单片机STC12C5A60S2的存储器中，但是单片机输出的是数字信号，所以单片机后接数模转换器DAC0832，将数字信号转换为模拟信号。DAC0832为电流型数模转换器，且输出是不能连续变化的，而是以最小分辨率为单位进行跳变，所以需要运放滤波电路对DAC0832输出的信号进行处理10。波形的频率、声音的大小由按键进行控制，可通过LCD1602液晶显示屏显示出来。此外，根据设计的要求进行程序的编写，并将编写的程序装入单片机的程序存储器内。本文的章节安排如下：第二章主要是关于基于单片机的听力测试系统的设计理念、DDS技术的介绍以及这种实现方法的基本原理和框图。第三章是有关硬件电路的介绍。主要介绍了硬件电路所涉及到的模块、元器件等，主要包括单片机最小系统、数模转换电路、运放滤波电路、按键电路、音量控制电路、液晶显示电路、串行接口电路7。第四章主要介绍了软件设计的各个模块以及调试结果。主要包括主程序模块、外部中断模块、定时器中断模块、液晶显示模块。第2章 有线听力测试的整体设计方案 第2章 有线听力测试的整体设计方案设计方案决定着整个设计的方向、方法。针对本次毕业设计而言，就是设计一款体积小、重量轻、携带方便、测试过程简单快捷的听力测试系统。我采用的是基于单片机的方法来实现有线听力测试系统，用单片机完成信号的产生、频率的调节。用单片机实现可以降低成本、提高可靠性，而且可控性好。2.1 听力测试系统的基本原理随着微电子技术的不断发展，微处理芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口以及A/D转换器等。人们把这一种超大规模集成电路芯片称作“单片机微控制器”，简称单片机。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪器仪表等常规电子线路，可以容易的将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的智能仪器。采用单片机技术不仅能够解决许多传统仪器不能或不易解决的难题，同时还能简化电路，提高可靠性，降低成本以及加快新产品的开发速度。现在仪器仪表的设计重点已经从模拟和逻辑电路的设计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路以及输入输出通道的设计、通用或专用软件程序的开发。在本次设计中，利用单片机通过编程产生正弦信号。此次设计采用单片机作为数据采集、处理以及控制的中心。因为单片机本身就是一个微型计算机，它集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口。将要产生的波形数据（数字信号）存入单片机的存储器，并将编写的程序存入单片机的程序存储器内。当要产生、输出信号时，根据单片机接收的命令调用相应的中断子程序，输出所要产生的波形的数字值，再通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号3。但是D/A转换器（DAC0832）输出的是一系列阶梯状的电流信号，所以需经过运放整流电路，才能输出平滑的电压信号。波形的频率通过LCD1602液晶屏显示出来，频率的调节主要是通过调用延时子程序来实现，周期是1/tn，其中n是一个周期内的采样点数，t是相邻采样点之间的时间间隔，可通过改变t的大小来改变周期。频率的上下限主要和晶振频率、定时方式、D/A转换器的转换时间有关。而音量的调节则是通过数字电位器（MCP41010）来实现的。将它和单片机相连，经过编程，实现了声音信号的精密输出，音频输出误差在3dB 5dB之间。所以，通过程序控制就可以改变信号的频率，方便快捷。频率测试范围在500Hz 4kHz内根据需要自行设置。图2-1给出了整个设计的原理框图： 图2-1 原理框图2.2 设计方案听力测试系统整体的运行流程如图2-2所示：将程序下载到单片机里面，检查无误后，按下电源，单片机接收到指令后，根据不同的命令控制字进行识别并做出相应的响应，启动功能模块的运行，在测试端生成各种声音信号。信号通过传声器传递给人耳，当受试者听到刺激声音后，迅速做出判断，执行按键操作以反馈响应信息。待单片机查询到测试端的反馈信号后，将其结果显示在液晶屏上，可以直观的看到测试结果。当受试者在不了解测试过程或反应延迟的情况下按键，系统可快速识别并做出显示错误的提示和警告。2.2.1 硬件电路的设计方案作为整个系统的数据采集、处理以及控制中心的单片机，我选用型号为STC12C5A60S2的单片机。STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机。与普通的51单片机相比，它有8路10位A/D，多了两个定时器/计数器和一个串口。此外，STC12C5A60S2有SPI接口、EEPROM、1K的内部拓展RAM、WATCH_DOG。同时可以对STC12C5A60S2的I/O口进行定义（且有四种状态），且可以对中断优先级的四种状态进行定义。其指令代码、管脚功能可以完全兼容传统的8051，而且它的速度要快812倍。此外，STC12C5A60S2 支持串口程序烧写，对开发设备的要求很低，同时也大大降低了开发时间。图2-2 运行流程图数模转换所用芯片选用DAC0832。它是分辨率为8位的D/A转换集成芯片，与单片机（微处理器）完全兼容。DAC0832价格低、转换比较容易控制、接口简单，因此在单片机应用系统中被广泛应用。接口形式是衡量D/A输入/输出特性的指标之一，DAC0832片内包含输入数据寄存器，可以和单片机直接相连。DAC0832的输出是电流的形式，当输出要求时电压时，可以外接运算放大器。本次设计中使用的运算放大器的型号是LM358，为双运算放大器。既适合于双电源的工作状态，也可以在电源电压范围很大的单电源电路中使用。其价格低廉、增益高，且可频率补偿，广泛应用于电路中。液晶显示屏选用LCD1602，为工业字符型液晶，可分为两行显示32个字符。其内部有字符发生存储器，而且已经存储了160个不同的点阵字符图形。我们可以对LCD1602直接赋值，还可以在单片机编程中用字符型常量（或者变量）对其赋值。按键电路一共分为四个开关，分别为K1：频率增加；K2：频率减小；K3：音量增加；K4：音量减小。2.2.2 软件设计方案对于本次设计而言，引入中断实现分时操作，提高CPU的利用率，并及时处理意外事件，实现实时处理，提高实时性。调用中断子程序的过程与程序设计的子程序调用有些类似，只是中断调用由相应的软、硬件触发。能够发出中断请求信号的外设或事件称为中断源。中断管理程序具有以下功能：1. 实现中断返回；2. 能实现优先排队；3. 能实现中断嵌套；时钟是仪器中不可缺少的组成部分，作为定时器主要用于以下6个方面：1. 过程输入通道的数据采样周期的定时；2. 过程输出通道控制周期的定时；3. 参数修改按键数字增减速度的定时；4. 多参数巡回显示时的显示周期定时；5. 动态保持方式输出过程通道的动态刷新周期的定时；6. 电压-频率型A/D转换器定时电路；实现上述各种定时，不外乎使用硬件、软件两种方法。硬件方法还是采用可编程定时/计数器接口电路以及单片机内的定时电路。使用时，只要在监控主程序的初始化程序或时钟管理程序中，对它进行工作方式预置和时间常数预置即可7。在软件和硬件相结合的定时方法时，首先由定时硬件电路产生一个基本的脉冲。硬件定时时间到，产生一个中断，监控主程序随即转入时钟管理模块。在设计软件结构时，可串行或并行设置几个软件定时器。2.3 本章小结本章主要讲述了有线听力测试系统的设计方案及基本原理。此外，本章还介绍了基于单片机的有线听力测试的硬件设计方案、软件设计方案，以及基于这种方法的基本原理和框图。第3章 硬件电路设计第3章 硬件电路设计声音信号的产生主要是由单片机控制各个功能模块的工作来实现的。系统硬件设计不仅要生成稳定、高质的声音信号，还要准确、快速的反应测试时的需求。3.1 硬件电路总述STC12C5A60S2作为中央处理器，通过单片机实现整个系统的信息采集、数据处理和芯片控制等工作。将数字信号转化为模拟信号的数模转换器选用的是与微处理器完全兼容的接口简单而且转换易控制的芯片DAC0832。功放部分选用的是双运算放大器LM358。采用数字电位器MCP41010作为音量控制系统的核心部件，可实现085dB的灵活调节。将处理过的信号输送到功率放大电路以驱动耳机的发声。作为设计功能的一部分，听力计还需要和其他外围设备如PC机等进行通信联系。系统采用美信（MAXIM）公司的MAX232来实现USB的信号通信。RS232总线的异步通信是通过MAX232芯片完成的。整个系统由七大模块组成，分别是单片机最小系统、信号发生器、按键电路、数字电位器、功放滤波、换能器、系统的通信连接口。硬件结构框图如图3-1所示。各个模块的功能介绍：1. 单片机最小系统：单片机的基础结构，包括电源电路、晶振电路、复位电路。2. 信号发生器：也称音频振荡器。它有振荡电路组成，可以产生稳定的音频信号作为听力计的信号源。频率范围在500Hz4Khz之间。3. 按键电路：有4个按键，和单片机相连接，分别表示频率增减、音量增减。4. 数字电位器：对输出的声音信号的强度进行控制，按一定的强度输出。5. 功放滤波：放大信号的电压和电流，滤除杂波，用来驱动耳机，使耳机能够放出声音，满足听力测试的需求。6. 换能器：它是将电能转换为声能的换能器件，即耳机。7. 系统的通信连接：通过USB接口提供整个单片机系统与PC机之间的通信连接。3.2 微处理器及单片机最小系统3.2.1 微处理器系统设计需要实现大量随机数据和测试信息的固定存储、声音信号的精密控制、测量方式的多种选择以及实时通信等功能，对芯片存储容量、计算速度和指令系统等的要求很高。我采用51系列的微处理器STC12C5A60S2作为中央处理器。它是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低耗能/超强抗干扰的新一代8051单片机。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制。而且其片内的具有大容量程序存储器，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K的存储器，用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。写入单片机内的程序还可以进行加密，很好的保护了自己的劳动成果。单片机核心板电路如图3-1所示。图3-1 单片机核心板电路微控制器的功能：1. 接收并识别控制命令，执行相关操作，实现信号的产生。2. 实时采集受试者的反馈信息，对其进行反应速度、数据正误等方面的判断，将检测数据传送给液晶屏显示。3. 通过USB接口实现硬件程序烧录和芯片的在线调试。主要特点包括：1. 增强型8051CPU，1T,指令代码完全兼容传统8051；2. 用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/51K/60K/62K字节;3. 集成1280字节RAM；4. 通用I/O（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可以设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但是整个芯片最大不要超过55Ma；5. ISP（在系统可编程）/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器，可以通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片；6. 由EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）;7. 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶振12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；8. 共4个16位定时器，2个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器。做串行通信的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；9. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；10. 外部中断I/O口7路。传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RXD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2），CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3);11. PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列2路)：也可用来当2路D/A使用也可用来实现2个定时器也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）；12. A/D转换。10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/s(每秒钟25万次)；13. 通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；14. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RXD/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2),TXD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）。3.2.2 单片机最小系统单片机的最小系统主要包括电源、晶振、复位电路。1）电源 对于一个完整的电子设计来讲，首要问题是解决提供整个系统的电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个明显的问题，就是相比其他单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象的一个有效方法就是为单片机系统提供一个稳定可靠的电源供电模块。电源如图3-2所示。2）晶振 单片机系统里都有晶振，在系统中晶振作用很大，它结合单片机内部电路产生单片机需要的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，单片机运行速度就会越快，单片机接受一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率基础之上。晶振电路如图3-3所示。我采用的是22.1184M的晶振,它的时钟周期也就是晶振周期1/22.1184us,一个机器周期包含12个时钟周期，它的一个机器周期就是0.5425us。3）复位复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态，跟计算器清零按钮的作用一样，为确保系统中电路系统稳定可靠的运行，复位电路必不可少，单片机通过RESET接口对复位模块进行控制，电路如图3-4所示：图3-2 电源供电模块 图3-3 晶振电路图3-4 复位电路3.3 信号发生部分3.3.1 正弦信号电路系统中对声音信号的生成效率、频率精确度和信噪比等质量要求较高，我采用的是直接频率数字合成技术（DDS）作为信号发生器。DDS是一种把一系列的数字量形式的信号，通过数/模转换器转换为模拟量形式的信号合成技术。它基本结构包括：相位累加器，正弦查找表ROM，数模转换器DAC和低频滤波器。根据奈奎斯特定理，对于任意一个频率带宽为F的连续信号f(t)，可以用一系列离散的取样值f(t0),f(t1),f(tn)来表示。只要取样点的时间间隔T小于或等于1/2F，这样的表示是完整的，包含了连续信号f(t)的全部信息。对于一个周期的正弦波连续信号，可以沿其相位轴方向，以等量的相位间隔对其进行相位/幅值取样，得到一个周期的正弦波信号的离散相位复制序列。然后对模拟幅值进行量化，量化后的幅值采用相应的二进制数据进行编码。这样就把一个周期的正弦波连续信号转化为一系列离散的二进制表示的数字量。DDS技术就是依据上述理论，从连续信号的相位出发，把一系列数字量形式的信号，通过D/A转换器转换成模拟量形式的信号。它将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦查询表存储在ROM中。此正弦查找表中包含一个周期正弦波的数字相位信息，每个地址对应0 2N范围内一个相位点，存放该相位点的幅度数值，合成时改变相位增益。由于相位增量不同，一个周期内的采样点数也就不同，这样产生的正弦信号频率也就不同，从而达到频率合成的效果。同时，DDS还可以产生除正弦波以外的其他不同波形，如三角波、锯齿波、方波等，仅仅需要改变ROM中的存储数据即可。图3-5描述了DDS的基本原理：图3-5 DDS的基本原理相位累加器在N位频率控制字FCW（Frequency Control Word）的控制下，以参考时钟频率fc为采样率，产生待合成信号的数字线性相位序列，将其高P位作为地址码通过正弦查询表ROM（Read Only Memory）变换，产生D位对应信号波形的数字序列S(n)，再由数模转换器将其转换为阶梯模拟电压波形S(r),最后由具有内插作用的低通滤波器LPF将其平滑成连续的正弦波作为输出。奈奎斯特准则要求至少每周2次抽样才能构成输出波形，因此DDS的最大输出频率理论上为fc/2；由于滤波器的限制，最大输出频率fmax0.4fo。综上所述，DDS技术可以理解为数字信号处理综合的硬件实现问题，即给定信号幅度、频率，产生所需要的信号波形。从系统的角度可以认为是给定输入时钟fc和频率控制字FCW，输出某一对应的正弦信号。另外，也可以认为DDS是一个可变分频器。3.3.2 数模转换电路数模转换电路使用的是DAC0832，它是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换控制电路构成。DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。输出的模拟量与输入的数字量成正比，这就实现了数字量到模拟量的转换。一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有2 的8 次方共256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。芯片的主要性能是：1）分辨率分辨率它反映了输出模拟电压的最小变化值。定义为输出满刻度电压与2n的比值，其中n为DAC的位数。分辨率与输入数字量的位数由确定的关系。对于5V的满量程，采用8位的DAC时，分辨率为5V/256=19.5mV；当采用10位的DAC时，分辨率则为5V/1024=4.88mV。显然，位数越多分辨率就越高。2）建立时间建立时间是描述DAC转换速度快慢的参数。定义从输入数字量变化到输出达到终值误差正负1/2LSB（最低有效位）所需的时间。3）接口形式接口形式是DAC输入输出特性之一。包括输入数字量的形式：十六进制或BCD，输入是否带有锁存器等。DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器，由于其片内有输入数据锁存器，所以可以直接和单片机接口。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。该模块的主要作用是完成数字信号到模拟信号的转换。其片选信号和写信号1端口接单片机的P2.4接口，转移控制信号和写信号2端口接单片机的P2.5接口，可通过编程完成对DAC0832的控制。数模转换电路如图3-6所示。DAC0832输出的是电流信号，而且其输出不是连续可调的，而是以其绝对分辨率为单位进行增减，这样其输出不是连续的，经过DAC0832转换输出正弦波。如图3-7所示。图3-6 数模转换电路图3-7 正弦波形3.4 功放滤波电路为了使耳机能够输出高音质的声音信号，必须设计音频功率放大电路。音频功率放大器即功放，作用是放大周边设备（信号处理设备）送来的低电平音频信号，使它的输出功率能够驱动配接的扬声器负载，也就是把音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大电流去推动扬声器，进行声音的播放。完整的音频放大器是由多级放大电路组成的，在对音频信号进行放大时，先由小信号放大电路对信号进行电压的放大，再由功率放大器对信号进行功率的放大，来推动扬声器的工作。它兼具电压放大和电流放大的作用。功率放大器在扩声中有非常重要的作用，假如没有功率放大器的话，扬声器就不能够放出声音，所以也就没有扩声可言。系统中的负载设备是耳机。我选用的是LM358双运算放大器来实现功率放大。其内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。具有以下特性：1. 内部频率补偿；2. 直流电压增益高（约100dB）；3. 单位增益频带宽（约1MHz）；4. 电源电压范围宽：单电源（330V）；5. 低功耗电流，适合于电池供电，低输入偏流；6. 输出电压摆幅大（0到Vcc1.5V）。由此可见，LM358满足设计要求，而且噪声小、信号失真率低。电路如图3-8所示。运放功能由LM358完成，将DAC0832输出的电流信号转换为电压信号。滤波电路是一种能使有用信号通过同时抑制无用信号的电子装置。工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等。一般的滤波电路常用电阻、电容、电感组成。由R、C组成的滤波器具有体积小、重量轻、简单等特点。本次设计用R11和C11连接组成低通数字滤波器，不仅起到滤波作用，而且有平滑的作用。低通滤波器的截止频率为f=1/(2*pi*R11*C11)。本次设计中选择阻值为400欧姆的R11、电容值为0.1uF的C11，这样截止频率大约为400Hz，使波形输出效果较好。功放滤波电路如图3-8所示。图3-8 功放滤波电路3.5 音量控制电路一般设计中采用机械电位器实现声音信号的大小控制，而对于立体声设备来说需要使用数字电位器来控制声道的音量。设计时要求数字电位器的误差不得大于3dB，最好是小于1dB，这在普通机械电位器中是很难实现的，而且在长期的使用过程中电位器也会因为碳膜和触点磨损、受潮氧化等原因引发杂音接触不良，造成音质变差。为了克服这些缺点，我采用的是Microchip公司生产的一种集成数字电位器。它在单一芯片上集成一个10k欧姆的数字电位器，电位器的滑动端共有256个离散的调节节点，并有一个8b的EEPROM数据寄存器，直接控制滑刷在电位器上滑动的位置。我们可以通过相应指令往数据寄存器写8位字，调节精度达到256。MCP41010芯片具有工业标准的SPI同步串口，可以实现寄存器操作。MCP41010采用8引脚双列直插封装，其引脚排列如图3-9所示。其中PW0为电位器滑动端；PA0，PB0为电位器的两个终端；SCK，SI为SPI总线的串行时钟和串行数据线。MCP41010工作电压为2.7V5.5V。上电复位时，数据寄存器自动设定为80H，滑动端PW0指向PA0与PB0的中间。MCP41010的指令非常简单，由两段组成。每段均有一个字节：第一段为命令字节，第二段为数据。命令字节中第2，3位和6，7位为无效位，不用对其操作；C1，C0为指令选择位；P1，P0为电位器选择位，由于MCP41010只集成了一个电位器，所以P1，P0必须设为01。在MCP41010中，C1，C0为01时为写数据指令；C1，C0为00或11时为空操作。在MCP41010中写命令字节通常为0x11，数据字段为8 b/s数据，可以置滑动端到256个端点中任何一个，因此精度非常高。CS为数字电位器片选端，只有为低电平时，命令字和数据字才能进入16位移位寄存器。当出现上升沿时，移位寄存器的值进人数据寄存器，从而改变了电位器阻值。SCK为时钟线，数据在SCK的上升沿进入SI数据线。器件会在上升沿时自动监测低电平时SCK的脉冲数，也就是上升沿的个数，只有时钟数为16的倍数时，命令才能执行，否则命令失效。一个完整的MCP41010写时序包括以下几个部分：(1)起始位。以为低电平，SCK出现上升沿为起始标志。(2)传送MCP41010的命令字段。(3)传送8 b的数据字段。(4)停止位。以SCK为低电平，CS出现上升沿为SPI总线传输结束标志。图3-9 MCP41010引脚图3.6 按键电路听力测试系统有4个按键，分别是频率加、频率减、音量加、音量减。这4个模式的选择和状态的切换是通过与单片机相连接的按键来实现的。电路如图3-10所示。图3-10 按键电路3.7 液晶显示电路LCD(Liquid Crystal Diodes)具有耗电低、驱动电压低（正负几伏）、结构空间小而有效显示面积大、体薄物轻等优点，因此在仪器仪表中的应用十分广泛。LCD1602液晶驱动电路如图3-11所示：图3-11 液晶驱动电路LCD1602为字符型液晶显示器，可分为2行，每行显示16个字符，共显示32个字符。其可与8位或4位微处理器连接，其内藏式字符发生器ROM可提供160种工业标准字符，包括全部大小写字母、阿拉伯数字、日文片假名以及32个特殊字符的显示。LCD1602采用+5V单电源供电，功耗低。其采用标准的16脚接口，主要引脚的定义如下所述：第1脚：VSS为电源地；第2脚：VDD为5V正电源；第3脚：V0为液晶显示器的对比度调整端；第4脚：RS是寄存器选择端口，接高电平时选择数据寄存器，接低电平时选择指令寄存器；第5脚：R/W为读写信号线，高电平时读，低电平时写。第6脚：E为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令；第714脚：D0D7为8位双向数据线；第1516脚：背光。LCD1602内部结构由DDRAM、CGROM、IR、DR、BF、AC等大规模集成电路组成。其8位双向数据线与单片机的P0口相接。这里需要注意的是单片机的P0口必须接上拉电阻。因为单片机的P0口内部没有上拉电阻，所以必须要外接，否则P0口做输出时会不稳定。3.8 通信接口电路通信接口的功能是在PC机与单片机之间传输信号、提供缓冲、满足接口两边的时序要求，即为上位机发送命令到下位机，下位机根据上位机发送的命令，并执行相关的操作。在集散控制系统中，上位计算机与下位机之间的通信是很重要的，通过它实现上、下机位之间的数据传送、信息交换和通信处理。当控制器从总线上检测到某一传输请求时，控制器通过中断方式将此请求通知给MCU系统。MCU系统通过访问控制器的状态寄存器和数据寄存器进行相应的操作，以完成主机的传输请求。通信接口就好比是设备的中枢神经，它的通信方式、速率、效率直接关系到整个系统的工作性能。设计时一定要保证通信的准确、迅速、可靠、实时，这就要求一定要有一个完善成熟的通信系统，设计时主要解决两个问题：一是怎么连接，而是怎么进行通信。常用的通信接口方式有穿行接口、并行接口，还有USB通信接口。1.串行通信接口所谓的“串行通信”是指外设和计算机之间使用的一根数据信号线（另外需要地线，可能的话还需要控制线），二进制数据在一根信号线上一位一位的进行顺序传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度，可以在系统间交换信息。串行通信优点是使用简单，数据线少，传输距离长，在远距离通信中可以节约通信成本。但其传输速度要比并行传输慢，目前串行通信的最大带宽可以达到120012800bps,普通串行通信的带宽也能够达到115Kbps。2.并行口通信并行口是电脑与其他设备传送信息的一种标准接口。它规定了多位二进制数据可以同时传输，从而提高数据传输效率。通常以8位、16位或者32位的数据宽度同时进行传输。每一位都要有自己的数据传输线和发送接收器件，在诗中脉冲的作用下数据从一端传送到另一端。这种接口的数据传输速度比串行口要快，而且数据可靠，通信方式灵活，但是传送距离比较短，结构较为复杂。并行口使用的是25孔D行连接器，最高传输速率可达1Mbps，常常用于连接打印机等的近距离设备。3.USB接口通信USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。Intel, Compaq, Digital, IBM, Microsoft, NEC, Northern Telecom等世界上著名的计算机通信公司于1996年1月15日制定了USB1.0通用串行规范，它具有很高的数据传输速度（USB1.1支持最高速度达到12Mbps，慢速达到1.5Mbps）。可以连接最长5米的电缆线。目前电脑普遍带有多个USB接口，所以说它是非常适合作为主机和系统的通信连接端。USB是一种应用在PC领域的新型接口技术，为PC的外设扩充提供了一个很好的解决方案。但是编程复杂，需要写专用的驱动程序。由此我们可以知道，计算机与计算机或者计算机与终端之间的数据传输可以