Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

им. А.Н. ТИХОНОВА

Выпускная квалификационная работа

Автономная система аудиоподготовки помещения

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

С.Д. Круглов

Москва 2018 г.



Оглавление

• Введение
• 1. Теоретические сведения
• 1.1 Эквализация помещения
• 1.2 Методика калибровки
• 1.3 Ряды Фурье
• 1.4 Синусно-косинусная форма ряда Фурье
• 1.5 Комплексная форма ряда Фурье
• 1.6 Преобразование Фурье
• 2. Технические сведения
• 2.1 Обзор существующих решений
• 2.2 Выбор микроконтроллера
• 2.2.1 Сравнение программирования и отладки
• 2.2.2 Разрядность микроконтроллеров
• 2.2.3 Оперативная память в микроконтроллере
• 2.3 Характеристики семейства STM32
• 2.4 Минимальная схема обвязки STM32
• 2.5 Питание микроконтроллера
• 2.6 Схема сброса
• 2.7 Режим загрузки
• 2.8 Осциллятор
• 2.9 Аналогово-цифровой преобразователь
• 2.10 Характеристики аналогово-цифровых преобразователей
• 2.11 Классификация аналогово-цифровых преобразователей
• 3. Разработка автономной системы аудиоподготовки помещения
• 3.1 Реализация алгоритма
• 3.2 Прототипирование печатного узла
• 3.3 Конфигурирование микроконтроллера
• 3.4 Разработка печатного узла
• 3.5 Трассировка платы
• Выводы
• Список сокращений
• Список литературы


Введение

Некоторые люди увлекающиеся музыкой высокого качества предпочитают тонкую настройку своих аудиосистем. Сейчас на рынке представлен большой спектр, как аппаратных, так и программных решений. Все они отличаются по своим характеристикам (анализ амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик, диапазон воспринимаемых частот, количество каналов, т. д.) и ценам. В этой работе приводится пример создание устройства для автономной системы аудиоподготовки помещения.



1. Теоретические сведения

1.1 Эквализация помещения

Изменение параметров акустической системы (АС) для их лучшего звучания является частой практикой для людей, работа которых тесно связанна со звуком. Различные факторы вынуждают производить изменение амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), такие как взаимодействие с другими АС, архитектурная неточность помещения и температурные условия. При взаимодействии нескольких акустических систем между собой и помещением происходит изменение АЧХ во многих точках пространства. Температурные условия характеризуется эффектом коэффициента поглощения в условиях изменения температуры и влажности воздуха и не играет большой роли. фурье микроконтроллер оперативная память

Для концертных залов или во время студийной записи, эквализация вряд ли будет уместна. Предполагается, что устройство этих помещений предусмотрено для работы с живым звуком (правильная архитектура помещения, наличие звукопоглощающих панелей, мебель и т. п.), в результате чего вносятся минимальные искажения. С помещениями, в которых не предусмотрена работа со звуком, чтобы получить действительное звучание необходимо проводить эквализацию. Задача эквализации -- сделать АЧХ ровной для отдельно взятой АС в нескольких точках помещения, а за тем, и для нескольких АС. Как правило, для этих целей используются высокоточный микрофон, анализатор спектра и многополосный эквалайзер. В процессе выявляются проблемные области в АЧХ, после чего производятся изменения в АС. В данном случае под изменениями имеется в виду изменения, вносимые в сигнал на этапе обработки цифровым процессором, в результате чего слушатель может получить достоверное звучание во всех точках пространства комнаты, лишенное влияния этой комнаты и самой АС.

Некоторые обстоятельства могут усложнить задачу эквализации. Например, это может быть неравномерность самой АС, которую пытаются подстроить, или использование нескольких АС от разных производителей. Неправильное расположение АС в помещении или неверный выбор место для прослушивания также усугубляет ситуацию. Все это говорит о том, что одной эквализации может быть недостаточно. Необходимо принять ряд важных мер еще до начала процесса. В это число входит правильная расстановка и подбор аппаратуры, выбора точки прослушивания.

Если речь идет о любительском уровне (настройка домашнего кинотеатра или собственной звуковой системы), то далеко не всем хватит бюджета на акустическую отделку комнат в квартире, а эквализация помещения требует определенных навыков и аппаратуры. Для таких целей существуют автоматизированные системы, где есть все необходимое.

1.2 Методика калибровки

Методику тестирования можно разделить на 2 части: аппаратную и программную. Через АС, которую необходимо откалибровать, воспроизводится однотональный сигнал, улавливающийся измерительным микрофоном. Для таких целей используется конденсаторные микрофоны с круговой диаграммой направленности и чрезвычайно ровной АЧХ, а так же предусилитель. Данные оцифровываются, а потом обрабатываются процессором. На основе полученных данных строятся графики АЧХ и фазо-частотная характеристика (ФЧХ). По анализу этих графиков, можно судить об искажениях, вносимых в сигнал. В случае, когда, АС несколько - тестирование каждой такой системы происходит отдельно, а за тем, тестируются вместе. Для анализа полученных данных, используется преобразование Фурье или если быть более точным одна из его разновидностей - быстрое преобразование Фурье (БПФ), с применением определенных правил. К примеру, различная длинна записи измеряемого сигнала, которая зависит от частоты: в области высоких частот время записи короткое, и наоборот. Так же необходимо учитывать, что программной эквализации поддаются преимущественно низкие частоты. Более подробный разбор и описание будет представлено ниже.

1.3 Ряды Фурье

Некоторые периодические сигналы можно разложить в ряд Фурье. Для того чтобы это было возможно, фрагмент сигнала длительностью в один период должен удовлетворять условиям Дирихле:

· Не должно быть разрывов второго рода.

· Число разрывов первого рода должно быть конечным.

· Число экстремумов должно быть конечным.

1.4 Синусно-косинусная форма ряда Фурье

Ряд Фурье в синусно-косинусной форме имеет вид:

Частоты кратные периоду повторения сигнала называются гармониками и нумеруются индексом . Коэффициенты называются коэффициентами Фурье. Коэффициенты рассчитываются по формуле:

Коэффициенты рассчитывается по формуле для .

В формуле можно найти неудобство в присутствии синуса и косинуса. После тригонометрических преобразований, сумма этих слагаемых трансформируется в косинус. Данная форма записи носит название «вещественная форма» и определяется формулой ниже:

1.5 Комплексная форма ряда Фурье

На практике, для анализа сигналов чаще используют комплексную форму записи т.к. она более компактна. Она выводится с помощью представлением синуса в виде полсуммы комплексных экспонент через формулу Эйлера:

Используя данную формулу, получаем комплексную форму записи:



Связь между коэффициентами в комплексной форме записи с амплитудами и фазами , в вещественной форме записи представлены выражениями ниже:

, ,

Также существует и связь между коэффициентами синусно-косинусной формы:

, ,

Формула для расчёта коэффициента :

1.6 Преобразование Фурье

Преобразование Фурье является мощным инструментом при анализе сигналов. Оно ставит в соответствие сигналу, заданному по времени, его спектральную функцию, при этом осуществляется переход из временной области в частотную:

В техническом плане, для анализа спектра применяются как аппаратные решения, так и программные, использующие для этого вычислительную мощность процессора. В первом случае используется анализатор спектра. Конструктивно он выполнен из множества фильтров, пропускающих только определенные частоты. По мощностям на выходе каждого из фильтров, можно судить о спектре сигнала, поданного на вход анализатора спектра.

Сегодня чаще всего прибегают к цифровым методам анализа сигналов. В сравнении с аппаратными устройствами, обработка сигнала с помощью компьютера медленнее, но есть выигрыш в точности. Для второго способа используется дискретное преобразование Фурье (ДПБ) в частности его быстрый алгоритм - быстрое преобразование Фурье (ДПБ выполняется за время , когда БПФ требуется на это ). Ниже приведено соотношение ДПФ:

Эта форма записи имеет комплексный вид. Не все языки программирования поддерживают комплексные числа, как тип данных. Для этого возможно выразить формулу в тригонометрическом виде.

Как уже было сказано выше алгоритм ДПФ не применяется на практике, из-за длительности преобразования. Для этого используют БПФ. БПФ является скорее группой алгоритмов, чем единичным преобразованием. С момента его появления он претерпел множество оптимизаций. Но его суть осталась прежней - уменьшить количество действий за счет периодичности тригонометрический функций. Из минусов этого алгоритма можно выделить ограничение, накладываемое на количество отсчетов - их количество должно быть выражено степенью с основанием 2, и сложность реализации.



2. Технические сведения

2.1 Обзор существующих решений

На данный момент рынок предлагает достаточное количество решений в области Hi-Fi, в том числе и для настройки домашних акустических систем. Некоторые из них представляют собой простую систему из микрофона, c предусилителем и звуковой карты, которые являются полупрофессиональными устройствами. Таким примером может служить звуковая карта ESI Juli@ в которой находится аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с разрешением 24 бита и частотой дискретизации 192 кГц, в связке с микрофоном Nady CM-100. Диапазон измеряемых частот у такой системы 20 -21 кГц. После замеров, данные можно обработать в специальном программном обеспечении на компьютере.

Рис. 1. ESI Juli@

Другим примером может служить устройство профессионального класса от фирмы Denon - Denon AVR-X2300W. Это устройство включает в себя некоторое количество интерфейсов (HDMI, Ethernet, USB) и средств сетевой связи (Bluetooth, Wi-Fi), декодеры, цифровой тюнер. Все это позволяет пользователю не только эквализировать помещение, но так же и настроить звук своей акустической системы, как ему того захочется.

Рис. 2. Denon AVR-X2300W

Обе системы занимают свои ниши: если первое устройство предназначено для небольших аудиосистем любительского класса, то второе необходимо для постройки домашних кинотеатров, позволяющее слушать объемный звук.

2.2 Выбор микроконтроллера

Для поставленной цели были рассмотрены некоторые типы микроконтроллеров (МК). Больше всего внимания было уделено семействам AVR фирмы Atmel и STM32 от STMicroelectronics. Оба семейства популярны среди разработчиков. Существует большое количество документации и программного обеспечения, которые облегчают работу с ними. После долгого анализа выбор был сделан в пользу последнего. Ниже будут приведены сравнительные характеристики, а также дано общее описание этих двух семейств.

2.2.1 Сравнение программирования и отладки

Для отладки МК можно использовать отладочные платы. В случае с AVR это открытый проект Arduino под лицензией General Public License (GPL), который предлагает набор отладочных плат c МК, платами расширения и готовое API, а также студию написания Arduino IDE. Все это позволяет в сжатые сроки определиться с направление разработки. Минусы у такого подхода только в использовании IDE со всеми предоставленными библиотеками, которые скрывают реализацию и не позволяют более тонко настроить периферийные устройства. Для этих целей можно использовать Atmel Studio или AVR Studio.

Компания STMicroelectronics предлагает собственные наборы отладочных плат, которые оснащены кроме самого МК разными устройствами: микрофон, акселерометр. Одна из самых популярных серий -- Discovery.

Все отладочные платы оборудованием для программирования с помощью USB интерфейса. Одним из самых важным отличием с точки зрения прошивки МК, является работа загрузчика. В случае STM32 загрузчик записывается производителем в специально отведенной памяти -- System Memory. Запускается загрузчик при определенных логических уровнях на выводах BOOT0 и BOOT1. Таким образом, загрузчик невозможно повредить каким либо образом. Загрузчик в AVR помещается в конец пользовательской FLASH памяти, и никак не отделен, что не безопасно для самого загрузчика.

2.2.2 Разрядность микроконтроллеров

Разрядность играет большую роль в вычислении таких алгоритмов. В алгоритме, используемом в этой работе, тип массивов является float, который занимает 32 бита согласно формату IEEE-754. Микроконтроллеры семейства AVR являются 8-ми битными, что говорит о достаточно долгой работе с этим типом данных. STM32 напротив являются 32 битными, чего достаточно для наших целей. Кроме того -- арифметико-логическое устройство (АЛУ) в AVR целочисленное и операции с плавающей точкой реализованы на программном уровне, что увеличивает нагрузку и замедляет работу. Семейство STM32 имеет модуль поддержки операций с плавающей точкой.



2.2.3 Оперативная память в микроконтроллере

Количество оперативной памяти стал решающим фактором при выборе МК. Алгоритм БПФ требователен к ресурсам, особенно к оперативной памяти (RAM). AVR с 8-ми битной архитектурой не позволяют адресовать необходимое количество памяти. Рассмотренные варианты, такие как подключения внешней SRAM через интерфейс или использования FLASH памяти для хранения массивов данных, тоже не выглядели лучшей идеей. В первом случае было бы много элементов, без которых хотелось бы обойтись. Во втором -- небезопасная работа с памятью, где небольшая ошибка могла бы повредить код программы. Более того -- при и так невысокой скорости 8-ми битных микроконтроллеров, доступ к сторонней памяти замедляет работу еще больше.

Микроконтроллеры семейства STM32 обладают большей оперативной памятью. В работе был выбран STM32F405RGT7TR у которого 192 Кб против 32Кб у подсемейства XMEGA AVR. Необходимости в наращивании дополнительной памяти нет. Выбранный МК имеет все необходимые интерфейсы (Serial Peripheral Interface (SPI) и Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART), для связи с внешними устройствами).

2.3 Характеристики семейства STM32

Примечательно, что МК с одним и тем же корпусом в рамках одного подсемейства имеют одно расположение вводов. Таким образом, возможна замена одного МК на другой без лишних действий над печатным узлом. Характеристики, описанные ниже, относятся к микроконтроллерам серии STM32F405xx и другим сериям.

· Ядро Cortex-M4

· До 1Мб FLASH памяти и до 192Кб SRAM памяти

· Аналоговый генератор случайных чисел

· До 6 Ч USART: 10,5 Мбит/с

· 3 Ч SPI: 37,5 Мбит/с

· 3 Ч 12-разрядных АЦП

· 3 Ч I2C

· 2 Ч 12-разрядных ЦАП

· До 17 таймеров: 16 и 32 разряда на частоте 168 МГц

2.4 Минимальная схема обвязки STM32

Минимальная схема обвязки для МК STM32 сводится к подключению источника питания. Микроконтроллер содержит в себе RC-генераторы и внутреннюю схему сброса. Однако для достижения поставленной задачи, характеристики стандартных устройств не обладают нужной точностью. Необходимая схема обвязки была разработана в соответствии с требованием документаций.

2.5 Питание микроконтроллера

Для питания STM32 требуется напряжение питание в диапазоне от 2.0 до 3.6 В. В устройстве предусмотрен внутренний стабилизатор напряжения для ядра дающее на напряжение выходе 1.8 В.

Часы реального времени, а так же небольшое количество регистров может быть подключено к другому источнику питания через вывод и быть независимым от основного. Напряжение этого источника должно быть в пределах от 1.65 до 3.6 В. Таким образом можно организовать резервное питание с помощью, например, аккумуляторной батареи и добиться функционирования даже при полном отключении МК. В случае если в этом нет необходимости, вывод должен быть соединен с одним из выводов . Второе опциональное питание используется для подключения аналоговой части микроконтроллера, которая включает в себя аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), блок сброса и RC цепь. Включение можно производить через выводы и с помощью общего источника питания, используя при этом дроссель для стабилизации помех. При использовании АЦП диапазон напряжение питания становится меньше -- от 2.4 до 3.6 В. На корпусах где количество ног 100 и более присутствует вывод для задания опорного напряжения.

Рис. 3. Внутреннее устройство МК

На остальных типах микроконтроллерах опорное напряжение равно напряжению питания аналоговой части.

Для питания цифровой части предусмотрено несколько выводов и . Каждый из этих выводов нужно подключить к источнику питания с использованием стабилизирующих конденсаторов.

Рис. 4. Схема обвязки питания

2.6 Схема сброса

В общем случае схема сброса предусмотрена изначально производителем и нет необходимости в ее организации на плате конечного продукта разработчиком. Однако для тестирования и отладки можно устроить систему сброса с помощью вывода NRST. Этот вывод подключается к источнику питания через ограничительный резистор в 10 кОм. Сброс происходит замыканием этого вывода на землю.

2.7 Режим загрузки

Загрузка микроконтроллера может быть начата из 3 различных режимов. Режим загрузки определяется с помощью выводов BOOT0 и BOOT1. В зависимости от поданных на них логических уровней, определяется, какая именно область памяти будет считаться за первые 2кБ. Это позволяет выполнять код из пользовательской FLASH , SRAM или системной памяти. В случае выбора системной памяти, микроконтроллер начинает исполнение загрузчика, что позволяет перепрашивать микроконтроллер. Ниже приведена таблица с пояснением.



Таблица 1. Режимы загрузки

BOOT1	BOOT0	Что запускается
-	0	Программа из FLASH памяти
0	1	Bootloader
1	1	Программа из SRAM памяти

Для нормальной работы BOOT0 должен быть подключен к земле. Если предвидится отладка, то есть необходимость в перемычках для быстрого переключения режима загрузки.

Рис. 5. Схема переключения режимов работы

2.8 Осциллятор

В состав периферии STM32 входят RC-генераторы. В сравнении с кварцевыми резонаторами или генераторами они не такие точные. Вместо стандартного генератора предлагается использование внешнего высокочастотного генератора (HSE) для тактирования процессора и внешнего низкочастотного генератора (LSE) для тактирования часов реального времени и сторожевого таймера. Для реализации нашей задачи требуется использование по крайне мере HSE.

Для настройки HSE можно использовать кварцевый или керамический резонатор. В таком случае диапазон допустимых значений находится в пределах от 4 до 16 МГц. Частота LSE генератора должна быть равна 32.168 кГц. Такое точное значение необходимо для точной работы часов реального времени.

Рис. 6. Схема включения внешних резонаторов

2.9 Аналогово-цифровой преобразователь

Аналогово-цифровые преобразователи -- одни из самых ключевых элементов современной схемотехники. С их помощью можно перевести аналоговый сигнал в цифровую форму, после чего устройствам как процессоры возможно с ними работать. Принцип работы заключается в преобразовании непрерывной функции времени , которая описывает исходный сигнал в последовательность отсчетов , отнесенных к некоторым моментам времени. Так же этот процесс, в общем случае, можно назвать дискретизацией. Одной из самых известных типов дискретизаций является равномерная, которая базируется на теореме отсчетов (теорема Котельникова). Согласно этой теореме период дискретизации должен быть выбран согласно условию

где -- максимальная частота спектра преобразуемого сигнала. Однако такое условие применительно к сигналам с ограниченным спектром, когда в действительности спектр сигнала стремится к нулю асимптотически. Если применять условие теоремы Котельникова к существующим сигналам, приводит к появлению высокочастотных искажений в выборке, и, как следствие, к неточности расчётов. Для исключения ложных частотных компонентов сигнала следует повысить частоту дискретизации или поставить перед входом АЦП фильтр низких частот (ФНЧ). Еще одним способом является использования цифрового фильтра во время постобработки сигнала.

2.10 Характеристики аналогово-цифровых преобразователей

АЦП является сложным устройством с достаточно большим количеством характеристик. Будет рассмотрена лишь малая часть из них.

· Разрядность -- округленный до целого числа двоичный логарифм номинального числа значений выходного кода: , где b -- число значений выходного кода.

· Частота преобразования -- частота взятия выборок во время дискретизации сигнала. Измеряется в Гц или SPS (samples per second).

· Соотношение сигнал/шум -- позволяет оценить вносимые преобразователем искажения. Соотношение сигнал/шум определяется как отношение среднеквадратичного значения напряжения гармоник восстановленного сигнала, к среднему квадратичному значению полного напряжения восстановленного сигнала.

· Напряжение смещения нуля -- действительное значение входного напряжения, при котором выходной код АЦП равен нулю.

В реальном случае точность АЦП напрямую зависит от отношения сигнал/шум входного сигнала. При большом количестве шумов, различие соседних уровней, становится затруднительным. Появляется еще одна характеристика, которую приводят производители - реально достижимое разрешение. Это разрешение меньше, чем обычная разрядность АЦП. Ее использование уместно в том случае, когда сигнал действительно очень сильно зашумлен. Использование этой характеристики заключается в отбросе старших разрядов кода, в которых и содержится шум.

2.11 Классификация аналогово-цифровых преобразователей

В современное время разработана масса схемотехнических решений для АЦП. Каждый из них занимает собственную нишу по скорости преобразования и по точности. Главный признак, который различает АЦП - это каким именно образом во времени происходит оцифровка аналоговой величины. Основные из них: последовательные, параллельные и параллельно-последовательные.

Наиболее распространенным видом аналого-цифровых преобразователей в настоящее время являются АЦП последовательного приближения. Их преимуществом является высокая скорость преобразования и точность достигающая 16 - 24 бит.



3. Разработка автономной системы аудиоподготовки помещения

3.1 Реализация алгоритма

Процесс программирования был разбит на несколько частей. В первой части стояла реализация алгоритма БПФ. Основной задачей стояла оптимизация по потребляемой памяти алгоритма, так как предполагалось его исполнение во встраиваемой системе. Написание кода для микроконтроллера происходит на языке C, так что и написание алгоритма тоже велось на языке C.

Процесс разработки включал в себя генерацию .wav файла с синусоидой определённой частоты. Данный тип файла был выбран из-за удобного представления информации о сигнале, которая похожа на ту, которая получается после работы АЦП -- отсчеты с определенным интервалом. После этого .wav передавался в качестве аргумента, отладочному приложению, где алгоритм обрабатывает массив данных, полученный из .wav. Результатом этой операции является текстовый файл, который содержит отсчеты, представляющие спектр сигнала. За тем строился график с помощью программы gnuplot, который сравнивался со спектральным анализом в программе Audacity. Графики результатов приведены ниже:

Рис. 7. Результаты разложения в спектр

3.2 Прототипирование печатного узла

Для разработки базового функционала стоял выбор между двумя отладочными платами: STM32VLDISCOVERY и STM32F4DISCOVERY. Выбор был сделан в пользу последней из-за МК с достаточным размером RAM (192 КБ против 8 КБ). Так же на плате присутствует акселерометр, кнопки (пользовательская и RESET), а так же отладчик ST-Link, с помощью которого и происходила отладка проекта.

Рис. 8. STM32F4DISCOVERY

Написание кода происходила в среде MDK-Arm. В бесплатной версии среда имеет ограничение на объем памяти для программ в 32 КБ. Этого более чем достаточно для поставленной задачи.

Для написания функционала можно было пойти несколькими путями: написание кода через обращения к регистрам, использование библиотеки Standard Peripheral Library (SPL), c помощью генератора кода STM32Cube, через который можно настроить микроконтроллер с его периферией в графическом интерфейсе, а потом сгенерировать проект под необходимую среду разработки. Первый способ не очень подходит, так как требует помнить названия регистров и конфигурационных битов, в них, хоть и полезен на начальных этапах изучения для понимания работы самого МК. В итоге был выбран третий, который является логической заменой SPL. Хочется заметить, что хотя с его помощью и можно автоматизировать конфигурацию самого МК и его периферии, это не освобождает от незнания структуры самой микросхемы и изучения документации.

В STM32F4DISCOVERY есть 12 битный АЦП. Для целей работы этой разрядности не достаточно. Желательно использовать 16-24 битные АЦП с частотой дератизации 96 kSPS. Для реализации проекта был выбран ADS8320EB. Это 16-битный АЦП последовательного приближения с частотой выборок 100 kSPS. Процесс передачи информации происходит через SPI интерфейс в режиме 0,0 в полудуплексном режиме. В качестве источника опорного напряжения использовался TL431. Опорное напряжение выбирается с помощью резисторов. Ниже приведен пример из документации.

Рис. 9. Схема включения TL431

Опорное напряжение можно выбрать, используя формулу

Для прототипирования печатного узла был выбран MCP3201. Этот АЦП по характеристикам похож на выбранный ADS8320EB для проекта за исключением его разрядности, которая составляет 10 бит.

3.3 Конфигурирование микроконтроллера

Настройка работы МК происходит путем записи чисел в его определенные регистры. Серия STM32 выделяется большим количеством конфигурационных регистров, в отличие, например, от МК на ядре AVR. Благодаря такому большому количеству регистров возможна тонкая настройка периферийных устройств. Для настройки SPI интерфейса требуется сконфигурировать 4 регистра. Для текущего проекта будет достаточно 2 из них: SPI control register 1 и SPI control register 2:

SPI control register 1 (SPI_CR1)

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

BIDI MODE

BIDI OE

CRC EN

CRC NEXT

DFF

RX ONLY

SSM

SSI

LSB FIRST

SPE

BR[2:0]

rw

rw

rw

rw

rw

rw

rw

rw

rw

rw

rw

rw

rw

SPI control register 2 (SPI_CR2)

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	0
Reserved	TXEIE	RXNEIE	ERRIE	FRF	Res.	SSOE	RXDMAEN
	rw	rw	rw	rw		rw	rw

Конфигурированием этих двух регистров, можно настроить полудуплексный режим работы, настройку расчета контрольной суммы, если такая предусмотрена, размер передачи пакета (8 или 16 бит), порядок передачи бит, скорость передачи, режим работы SPI, разрешением прерываний и управлением сигнала для выбора ведомого устройства. Как и утверждалось выше, для настройки использовалась библиотека HAL. Участок кода ниже приведен как пример, использования библиотеки HAL.

static void MX_SPI1_Init(void)

{

hspi1.Instance = SPI1;

hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;

hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES_RXONLY;

hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;

hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;

hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;

hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;

hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;

hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;

hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;

hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;

hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;

}



Рис. 10. Схема питания

3.4 Разработка печатного узла

Проектирование электрической схемы происходило в системе KiCad. Это программный комплекс, который включает в себя несколько пакетов, каждый из которых предназначен для определенной цели. Среди них редактор электронных схем, редактор печатных плат, автотрассировщик (позволяет подключать сторонние, если те совместимы), 3D-визуализация печатных узлов. Одной отличительной особенностью является независимое представление электронных компонентов на электрической схеме от их посадочных мест, чего, например, нет в Proteus.

Питание схемы происходит через USB порт, где разделяется на две основные части: питание микроконтроллера от напряжения 3.3 В и АЦП от напряжения 5 В. Питание стабилизируется с помощью стабилизаторов напряжения LM117. К земле притянуты конденсаторы, сглаживающие помехи, как указано в документации.

Рис. 11. Схема питания

Передача результатов вычисления МК осуществляется через интерфейс UART. Для связи с ПК по интерфейсу USB необходим переходник USB-UART. Для этого был использована популярная микросхема CP2102. Для ее включения была использована диодная сборка SP0503BAHTG для предохранения от перепадов напряжения. Так же были использованы конденсаторы, чтобы исключить помехи в сигналах.

Рис. 12. Схема преобразователя USB-UART

Итоговая схема приведена ниже.



Рис. 13. Схема итогового устройства

3.5 Трассировка платы

Трассировка платы происходила все в той же среде KiCad. Как видно из рисунка для монтажа были выбраны преимущественно SMD компоненты. Плата получилась двухсторонней. Благодаря 3D визуализации можно оценить размеры, и внешний вид платы.

Рис. 14. Печатная плата



Рис. 15. 3D изображение печатного узла



Выводы

В данной работе был описан цикл разработки устройства для автономной аудиоподготовки помещения. Как итог, можно сказать, что она является незаконченным или в стадии прототипа. В данном экземпляре не предусмотрены следующие особенности:

· На входе АЦП не стоит фильтр нижних частот для исключения высокочастотных составляющих, которые будут вносить искажения при оцифровке сигнала. Для целей этого проекта лучше всего использовать фильтр Баттервоорта построенный на операционных усилителях. Его преимуществом является гладкая АЧХ на частотах полосы пропускания.

· Для обратной связи с компьютером использовались стороннее программное обеспечение, предназначенное для отладки, в частности - программа поставляемая STMicroelectronic - STMStudio, позволяющая отслеживать переменную по адресу в памяти и выводить ее значение, а также строить по этим значениям график. В итоговой плате предусмотрена связь МК с компьютером через USB. Через этот интерфейс можно передавать данные на компьютер и вводить по ним информацию в удобном для пользователя формате в собственно разработанном программном обеспечении.

· Переписать программу для МК, отвечающую за работу переферийных устройств на более низком уровне. Причиной этому является тот факт, что HAL потребляет оперативной памяти больше предложенного решения. В рамках этого проекта это может быть актуальною.



Список сокращений

АС - акустическая система

АЛУ - арифметико-логическое устройство

АЦП - аналогово-цифровой преобразователь

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БПФ - быстрое преобразование Фурье

ДПБ - дискретное преобразование Фурье

МК - микроконтроллер

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

ФНЧ - фильтр низких частот

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

API - Application Programming Interface

GPL - General Public License

SPI - Serial Peripheral Interface

SPL - Standard Peripheral Library

HAL - Hardware Abstraction Layer

RAM - Random Access Memory

UART - Universal Asynchronous Receiver-Transmitter



Список литературы

1. А. Б. Сергиенко, «Цифровая обработка сигналов», 2002

2. А.В Кузнецов, К.А. Палагута, П.И. Савостин, «Аналоговая и цифровая электроника», 2010

3. П. Хоровиц, У. Хилл, «Искусство схемотехники», 2010

4. М.Х. Джонс «Электронника - практический курс», 1999

5. Л.А. Бессонов, «Электрические цепи», 2007

6. Bob McCarthy, “What It Really Means To Equalize The Room” / ProSoundWeb - Электрон. Журн. - Режим доступа к журн.: https://www.prosoundweb.com/topics/sound_reinforcement/equalizing_the_room/

7. Сергей Рубанов, «Тест систем автоматической калибровки под особенности помещения» - Электрон. Журн. - Режим доступа к журн.: https://www.ixbt.com/multimedia/acoustics-correction.shtml

8. Василий Запотылок, «Методика тестирования акустических систем» / Tech Labs - Электрон. Журн. - Режим доступа к журн.: http://www.tech-labs.ru/

9. О.П. Новожилов «Электроника и схемотехника в 2 ч. Часть 1. Учебник для академического бакалавриата», 2016

Размещено на Allbest.ru