基于MK7A23P混合脉宽方式调节音量的警报器设计

随着报警器的多样化和广泛应用，有效地控制各种事故的发生。不同的应用场合要求不同的音源，因此对报警音源的种类要求越来越多。
    警报器输出音量大，通常在120 dB以上，因此输出功率大，如果音量调节采用线性方式，效率仅为40％～60％，损耗功率大所需要的散热片面积也大，不利于安装和节能。
    因此通常采用开关方式调节音量，效率可达85％～95％，但现有的警报器调节音量时音色改变，音量越小音色改变越大，且整体电路复杂。因此需要开发一种调节音量时音色不变、效率高、可产生多种报警音源，且电路简单的大功率报警器。
    文中分析了国际上通用的各种报警音源的基础上，提出了一种混合开关方式调节音量的方法，并利用MK7A23P单片机以脉宽方式调节音量，解决了上述问题。MK7A23P单片机具有较强的抗干扰能力，内含RC振荡器、WDT及复位电路，有ADC和PWM发生器，与其他系列单片机相比，省去了很多外围元件，且价格低廉，适于各种工业控制器。
    因此利用MK7A23P设计的大功率警报器，整体电路简单、工作稳定，提高了生产能力和产品的竞争能力。

1 利用MK7A23P组成的大功率警报器
1．1 国际上通用的报警音源分析
    表1中列出了国际上通用的几种报警音源的频率和用途。

    报警音源虽然种类多，但可分为3大类：一是两种频率改变状态；二是频率快速连续改变状态；三是频率慢速渐变状态。图1表示典型的3种音源的波形图，这种波形可通过编程的方法得到高稳定度的音源。

    通过分析可知所有的音源为占空比为50％的方波，因此可利用调节脉冲宽度的方法调节音量。
1．2 常用的开关调节音量的方法及缺点
    通常使用的脉宽方式调节音量的方法有两种：一是在音源信号的每个周期内按照衰减要求比例衰减高电平时间，实现脉宽调节。由于频率不变，因此基频不变，但平均电压降低从而可调节音量，如图2所示。这种方法如果使用硬件电路实现，则电路比较复杂，利用单片机实现，则进行乘除法计算，要求运行速度很快。

    二是音源信号和占空比可调的信号相乘也可实现脉宽调节，但相乘的信号频率应在15 kHz以上，图3所示。

    第一种方案的优点是开关管的工作频率与音源的频率相同，因此效率高。缺点是虽然基频不变，但音色改变，音量越小音色改变量越大。由信号处理理论中可知，频率不变时随着脉宽的减少谐波量增加，因此音源的音色改变，尤其是紧急调频调时最严重，无法使用。
    第二种方案的优点是改变音量时音色不变。由采样理论可知采样频率大于信号频率的2倍以上时可恢复原来的信号，实际上为了避开“可听频率”造成的噪声，相乘的信号频率为15 kHz以上，此时采样速率可达9倍以上，可完整地回复原来的波形，从而音色不变。
    缺点为：一是相乘信号的频率较高，因此开关管工作在高速状态，效率降低；二是要求音源波形的上升沿与相乘的信号波形的上升沿必须同步，否则产生噪音(图3中的同步点)；三是以连续调频改变量较慢时，随周期变短则减少一个高频脉冲，音量减少，在小音量时可出现严重的周期性的“嘟、嘟”声音。
1．3 大功率警报器整体电路框图
    整体电路框图如图4所示，由简单的驱动器组成的功率放大器、音量调节用电位器、过压检测器、音源选择开关、单片机等部分组成，具有完善的保护功能和很高的效率。

    框图中开关功率放大器部分通过电路控制可以改变输出端的脉冲宽度，从而改变波形的能量，可以控制开关音量调节。根据频率与声音的关系可以知道，当功率放大器的功率管总是处于开关状态时，如果方波的高度不变，改变其宽度即可改变音量，从而实现开关音量调节。
1．4 MK7A23P单片机的特性
    MK7A23P是带15位A／D的RISC高性能8位微控制器，它内含2×16bit的OTP形式ROM程序存储器、128×8 bit的RAM、5个定时器／计数器、多个I／O口、4路比较器和2路PWM输出。一个指令周期由2个系统时钟组成，因此运行速度很快，有4种复位形式，双时钟模式，有内部RC振荡器、WTD，有8脚和14脚等多种封装，I／O口在输入状态下，可置为上拉电阻模式。因此可省去外部的复位电路、振荡器和上拉电阻。
1．5 改进的大功率警报器的音量调节技术
    音源的每个周期中比例调节脉宽的方法导致音色改变，因此除了连续调频调以外的音源可用与2种信号相乘方法进行音量调节。而连续调频的音量调节采用每周期中比例调节脉宽的方法，实验表明，由于频率改变较慢，因此听觉上音色改变量很小。
    音量可分为64步或128步调节，实验表明64步时最小音量较大，因此采用128步调节。
    按音量的衰减比例调整脉宽时，脉宽的时间由式(1)决定。式中TPWM为脉宽时间，N为A／D读入的衰减量，范围是0～128的连续量，TS为音源信号的周期。
   
    MK7A23P单片机无乘法指令，但运行速度很快，使用内部RC振荡器以4 MHz工作时，运行16×8乘法程序仅需要约50μs，而音源的最高频率1 650 Hz时周期为606μs，有足够的处理时间。除256可右移8次即可实现，且运行时间很短。
    设计程序时，按音源的频率产生中断，然后计算脉宽，输出高电平延时TPWM后再输出低电平。
    其他音源调节音量时，可使用MK7A23P内部的PWM发生器。MK7A23P内有8位的PWM1、PWM2发生器，时间常数由4个定时器管理，可自动装入，运行速度很快。
    设置PWM1的相关参数，输出频率为15 kHz(或30 kHz，效果更好)脉宽改变的方波。
    设计程序时，按音源的频率产生中断，把读入的AD值放入脉宽调整定时器，然后启动PWM1工作即可。
    因此根据所选择的音源，运行不同的程序，确保音色不改变的情况下，以脉宽方式调节音量，提高功率放大器的效率。
    图5为整体电路图，大部分功能由单片机处理，而MK7A23P内有上拉电阻、复位电路、振荡器、WDT等，因此电路简单，S1和S2为模式和音源选择开关。功率放大器工作在开关状态，输出信号经过Q3电平转换后通过射极跟随器输出，C1、R1、R2组成自举电路，提高输出的高电平电压，从而进一步提高效率。

    图6为采用第一种方案的实测波形，即信号相乘方法。每个音源波形的高电平上升沿处有高电平脉冲，有效地避免频率的微变而产生的噪音。最大音量输出时扬声器中电流是连续的，而最小输出时扬声器中电流也是连续的，且对扬声器的冲击很小。如果加滤波器可进一步虑除高频脉冲，减少对扬声器的冲击。因此除了连续调频调以外的音源采用这种方法，即可有效地避免音色的改变。

    图7为采用第二种方案的实测波形，即比例衰减方式。可知最大音量输出时扬声器中电流是连续的，而最小输出时扬声器中电流是不连续的且对扬声器的冲击较大。但可避免采用第一种方案时，频率慢速改变而产生的周期性的“嘟、嘟”声音，而且音色改变量也不大。

2 结束语
    实验证明根据不同的音源，采用不同方式处理输出的脉宽，可避免音色改变，如果使用硬件电路设计则电路复杂，但利用高性能价格比的MK7A23P实现，整个电路简单，且工作稳定、抗干扰能力强。效率可达到85％以上，所需要的散热片体积减少1／3以上，便于安装和维护。