CN209994551U - 一种基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器，包括电源模块，时钟模块，MCU模块，数模转换模块；所述电源模块给MCU模块提供稳定的工作电压；所述时钟模块是给芯片提供时钟信号；所述MCU模块为控制单元，采用dsPIC33EP256MU806芯片，实现脉冲信号的设置，并通过I/O口或者PWM口输出脉冲信号；包括所述数模转换模块负责将dsPIC33EP256MU806芯片输出的数字信号转换为对应大小的电压信号。其所发射的脉冲声信号频段宽，重复性好，持续时间短。
Description
技术领域
本实用新型涉及脉冲声信号发生器，具体是一种以dsPIC33EP256MU806芯片为核心的输出脉冲波形可调的声音信号发生器，可以用于现场声学参数测量的声源。
背景技术
现场测量材料和结构的声学参数采用的是几何声学的原理，麦克风接受直达声测试结果才有效，为了防止测试环境的反射声波被采集，因此要求声源发射声信号的持续时间足够短（ms级），并且频带宽，一次测试便可获得所有频带上的信息，使测试过程省时省力；这就需要一种声脉冲信号。
传统的声脉冲产生方法，例如电火花，枪炮以及发令枪等，都很难产生出波形可控且可重复的声脉冲信号来适应声脉冲法测试的需要。随着计算机和电子技术的发展，如今普遍采用电声系统来产生声脉冲信号，其原理是：由计算机输出电脉冲信号，经由数据数据采集卡进行 D⁄A 转换，再到功率放大器进行放大，然后驱动扬声器发声，产生出各种波形的声脉冲信号。这种方法设计灵活，所产生的声脉冲信号理论上完全可重复，但其硬件投资较大，而且现场使用也不是很方便。
为了使脉冲声源小型化，多个机构研究和设计了声脉冲信号发生器，例如上海交通大学的蒋伟康、张继萍等在文章《测量吸声系数的多传声器脉冲响应方法》中描述了一种脉冲声信号的产生，它是一种利用周期可调通/断多谐数字式振荡器用来产生均匀的脉冲信号，该电路主要由时基电路NE555和14级二进制串行计数器/分频器CD4020等构成。NE555组成多谐振荡器的通/断周期很长，电路采用计数器CD4020将定时器输出分频计数，可灵活调节通/断周期，以满足实际使用的要求。但这种发生器的脉冲持续时间达20ms，且脉冲波形不可控，无法满足现场条件下的近距离测量的要求。专利号为ZL201510543789.X 的《脉冲波形可调的声音信号发生器》公开了一种脉冲波形可调的声音信号发生器，仍然是基于NE555，只不过增加了信号占空比可调电路，实现了脉冲波形可控、频率可调的功能，但是没有涉及脉冲持续时间的控制功能，同样无法满足现场声学参数测试的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提出一种声脉冲信号持续时间足够短，且可以根据现场测试要求选择不同的波形和频率，实现发射时间可调，波形可调、频率可选的功能。
本实用新型所述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器，包括电源模块，时钟模块，MCU模块，数模转换模块；
所述电源模块给MCU模块提供稳定的工作电压；
所述时钟模块是给芯片提供时钟信号；
所述MCU模块为控制单元，采用dsPIC33EP256MU806芯片，实现脉冲信号的设置，并通过I/O口或者PWM口输出脉冲信号；
包括所述数模转换模块负责将DSPIC33EP256MU806芯片输出的数字信号转换为对应大小的电压信号。
作为对上述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器的进一步改进，数模转换模块采用MCP4911芯片，MCP4911芯片的VSS引脚接低电平，MCP4911的CS引脚、SCK引脚、SDI引脚分别与dsPIC33EP256MU806芯片的RD11引脚、RD10引脚、RD9引脚相连。
作为对上述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器的进一步改进，I/O口包括dsPIC33EP256MU806芯片的F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8引脚；PWM口包括dsPIC33EP256MU806芯片的RE1、RE3、RE5和RE7引脚。
作为对上述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器的进一步改进，它还包括用以控制脉冲持续时间的脉冲持续时间选择电路。
作为对上述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器的进一步改进，dsPIC33EP256MU806芯片的RD0、RD1、RD2、RD3和RD4引脚上连接一个时间档位开关，通过时间档位开关控制脉冲持续时间分别为4ms、2ms、1ms、0.8ms、0.5ms。
dsPIC芯片属于现有技术。我们知道，单片机控制功能强，数字信号处理器（DSP）数字信号处理能力强，因而，将高性能16位单片机加上DSP功能，就产生了 dsPIC芯片。DsPIC是一种将单片机的特征同数字信号处理器DSP的能力结构在一起的器件。
本实用新型以dsPIC33EP256MU806和MCP4911数模转换芯片为核心。其中，dsPIC33EP256MU806为控制单元，实现脉冲信号和持续时间设置。 MCP4911数模转换芯片，负责将dsPIC33EP256MU806芯片输出的数字信号转换为对应大小的电压信号。
本技术可以采用三种方法产生声脉冲信号：（1）dsPIC33EP256MU806芯片输出数字信号，再通过MCP4911将其转换为对应的模拟电压值，再经过二级运算放大器，最终输出模拟电压值；（2）用定时器定时改变I/O引脚的输出值（交替的输出0和1），形成脉冲波；（3）dsPIC33EP256MU806芯片自带的功能产生脉冲波，即脉宽调制信号，方法是直接配置寄存器。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：
（1）脉冲输出时间可调，输出波形可以选择、输出波形频率可以选择；
（2）本实用新型采用高性能芯片dsPIC33 EP256MU806 作为处理器，使得系统的处理速度更快，集成度更高，抗干扰能力增强；
（2）本脉冲信号发生器以dsPIC33EP256MU806和MCP4911数模转换芯片为核心器件，硬件电路简单。由于单片机系统是一个开放性系统，可根据测试情况的需要，增加新的功能，但不用更换硬件，可扩展性好。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是基于dsPIC芯片的脉冲信号发生器电路结构框图；
图2a、图2b是电源模块的电路图；
图3是时钟模块电路图；
图4是MCU模块的电路图；
图5是数模转换模块的电路图；
图6是脉冲时间开关模块的电路图；
图7a、图7b、图7c是脉冲波形的选择开关电路图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释，而本实用新型并不局限于以下实施例。
参见图1所示，基于dsPIC芯片的脉冲信号发生器包括电源模块，时钟模块，MCU模块，数模转换模块；
所述电源模块给MCU模块提供稳定的工作电压；
所述时钟模块是给芯片提供时钟信号；
所述MCU模块为控制单元，实现脉冲信号和持续时间设置；
所述数模转换模块负责将dsPIC33EP256MU806芯片输出的数字信号转换为对应大小的电压信号。
参见图2，dsPIC33EP256MU806芯片采用3.3V工作电压，本实用新型的脉冲信号发生器电源的型号为WRA1205N-2W的电源，如图2a所示，其额定功率为2W，输入电压为12V，输出电压为5V，为了满足dsPIC33EP256MU806芯片工作电压，再使用一个1085稳压器使电压即可，WRA1205N-2W的电源输出端+VO接1085稳压器的输入端Vin，如图2b所示，当1085稳压器的输出电压为3.3V时，发光二极管LED2发亮，便于观察和实验的进行。
参见图3，时钟电路是给dsPIC33EP256MU806芯片提供时钟信号的。dsPIC33EP256MU806芯片上具有锁相环（PLL）和内部振荡器。片上锁相环（PLL），可基于选定的内部振荡器升高工作频率。在外部接8M的晶振X1来启动时钟电路，外部的晶振X1两端与dsPIC33EP256MU806芯片的RC12、RC15引脚相连，电路如图3所示。
参见图4，dsPIC33EP256MU806为控制单元，实现脉冲信号和持续时间设置。
参见图5，MCP4911数模转换芯片，负责将dsPIC33EP256MU806芯片输出的数字信号转换为对应大小的电压信号。
MCP4911的VDD引脚接高电平，MCP4911的VSS引脚接低电平，MCP4911的CS引脚与芯片的RD11引脚连相连，MCP4911的SCK引脚与芯片的RD10引脚相连，MCP4911的SDI引脚与芯片的RD9引脚相连。
该电路采用三种方法产生声脉冲信号：
（1）dsPIC33EP256MU806芯片输出数字信号，再通过MCP4911将其转换为对应的模拟电压值，在经过二级运算放大器，最终输出模拟电压值。
dsPIC33EP256MU806芯片飞命令和数据通过SDI引脚送到数模转换器，数据在时钟SCK上升沿时输入转换器。在写命令期间，CS引脚要保持为低电平。MCP4911芯片接收到dsPIC33EP256MU806芯片的数字信号，通过数模转换输出伪随机脉冲信号。
（2）用定时器定时改变dsPIC33EP256MU806芯片I/O引脚的输出值（交替的输出0和1），形成脉冲波。通过对定时器的控制从而改变I/O引脚的输出值（交替的输出0和1），进而产生脉冲信号。而dsPIC33EP256MU806芯片F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8引脚正是其数字量输出端。F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8引脚分别输出的是100Hz、160Hz、250Hz、400Hz、630Hz、1000Hz、1600Hz、2500Hz的单频脉冲波。
（3）dsPIC33EP256MU806芯片自带的功能产生脉冲波，即脉宽调制信号，方法是直接配置寄存器。
dsPIC33EP256MU806芯片自带的功能可产生脉冲波，通过直接配置寄存器，可以在其RE1、RE3、RE5和RE7引脚分别产生4000Hz、6300Hz、10kHz和20kHz的单频脉冲波。
为了实现对脉冲波形的选择，在dsPIC33EP256MU806芯片的RD5、RD6、RD7引脚上各自连接一个开关，用以控制脉冲波形，分别对应的是伪随机信号、连续信号和混频信号。参见图7a、7b、7c，RD5、RD6、RD7引脚各与一个上拉电阻相连，RD5引脚、RD7引脚各通过按钮开关S6、S4接地，RD6引脚连接一个档位开关S3。
参见图6，为了实现对脉冲持续时间的选择，在dsPIC33EP256MU806芯片的RD0、RD1、RD2、RD3和RD4引脚上连接一个时间档位开关S2，如图6所示，用以控制脉冲持续时间，分别对应4ms、2ms、1ms、0.8ms、0.5ms。这样，根据不同开关的情形，可控制各个端口的高低电平，作出相应的选择。
工作过程举例:
对照图4、图6和图7，S3档位开关掷向连续信号“开”，按下按钮S4，RD6为低电平，输出连续信号，信号持续时间由按下按钮S4的时间决定；
S3档位开关掷向连续信号“关”，按下按钮S4，RD6为高电平，根据时间档位开关S2的位置，以此来决定脉冲持续时间，再判断RD7是否为低电平，如果是，则把定时器和PWM口全部打开，输出脉冲混频信号；
S3档位开关掷向连续信号“关”，按下按钮S4，RD6为高电平，根据时间档位开关S2的位置，以此来决定脉冲持续时间，再判断RD7是否为低电平，如果不是，再判断dsPIC33EP256MU806芯片F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8引脚的电平，若F1为高电平，其余引脚为低电平，则定时器和PWM口打开，输出频率为100Hz的单频脉冲方波信号；同理，若F6为高电平，其余引脚为低电平，则定时器和PWM口打开，输出频率为1000Hz的单频脉冲方波信号；
S3档位开关掷向连续信号“关”，按下按钮S6，RD5为高电平，根据时间档位开关S2的位置，以此来决定脉冲持续时间，通过SDI传给数模转换芯片MCP4911，由数模转换芯片把随机数转换成0～3.3V的模拟量，输出脉冲伪随机信号。
本脉冲信号发生器可产生两种常用波形的脉冲信号：方波脉冲和伪随机噪声脉冲，且脉冲信号的持续时间从0.5ms～4ms 五档可选；该信号发生器可发射0-20kHz内三分之一倍频程的频率信号，以及0-20kHz内伪随机噪声信号。所发射的脉冲声信号频段宽，重复性好，持续时间短。其产生的脉冲信号经过属于现有技术的功率放大器放大后可驱动扬声器发声（该技术属于公知技术，不再描述），产生测试用声脉冲信号。
Claims (5)
1.一种基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器，包括电源模块，时钟模块，MCU模块，数模转换模块；其特征是：
所述电源模块给MCU模块提供稳定的工作电压；
所述时钟模块是给芯片提供时钟信号；
所述MCU模块为控制单元，采用dsPIC33EP256MU806芯片，实现脉冲信号的设置，并通过I/O口或者PWM口输出脉冲信号；
包括所述数模转换模块负责将dsPIC33EP256MU806芯片输出的数字信号转换为对应大小的电压信号。
2.如权利要求1所述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器，其特征是：数模转换模块采用MCP4911芯片，MCP4911芯片的VSS引脚接低电平，MCP4911的CS引脚、SCK引脚、SDI引脚分别与dsPIC33EP256MU806芯片的RD11引脚、RD10引脚、RD9引脚相连。
3.如权利要求1所述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器，其特征是：I/O口包括dsPIC33EP256MU806芯片的F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8引脚；PWM口包括dsPIC33EP256MU806芯片的RE1、RE3、RE5和RE7引脚。
4.如权利要求1所述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器，其特征是：它还包括用以控制脉冲持续时间的脉冲持续时间选择电路。
5.如权利要求1所述的基于dsPIC芯片的脉冲声信号发生器，其特征是：dsPIC33EP256MU806芯片的RD0、RD1、RD2、RD3和RD4引脚上连接一个时间档位开关，通过时间档位开关控制脉冲持续时间分别为4ms、2ms、1ms、0.8ms、0.5ms。
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