论文总字数：24606字

摘 要

针对现代电动汽车缺乏的内燃机汽车的低沉轰鸣声，主动声音管理系统能够实现在电动车内模拟出发动机声音。本文以单片机电路系统，搭建数模转换和发声等模块，研究建立发声原理样机的模型，通过原理模型实现声音播放。首先，分析原理样机如何根据模拟的油门开度发出发动机声音；研究了一种基于ARM Cortex-M3内核的主控芯片STM32F103ZET6，主控芯片是原理样机的核心，接受油门踏板输出的电压信号，并控制音频芯片的播放；最后，使用MDK μVision5开发了固件库函数和驱动程序。论文研究表明，该设计可以初步掌握搭载发声的原理，避免实车搭载的技术风险，对于研究主动声音管理系统具有重要的指导意义，为研究电动汽车发声奠定基础。

本文的特色：通过软硬件结合的方式，分析原理样机的实现过程，控制逻辑以及系统各部分的联系。

关键词：STM32F103ZET6；原理样机；音频播放；程序设计；

Abstract

The active sound management system can simulate the starting motor sound in the electric vehicle.In this paper, the single-chip microcomputer circuit system is used to build modules such as digital-to-analog conversion and sound, and the model of sound principle prototype is studied. Sound playback is realized through the principle model. First, how the principle prototype generates engine sound according to the simulated throttle opening is analyzed.

A main control chip STM32F103ZET6 based on ARM Cortex-M kernel is studied. The main control chip is the core of the principle prototype, which receives the voltage signal from the accelerator pedal and controls the playback of the audio chip.

Finally, the firmware library functions and drivers were developed using MDK curfew Vision5.

The research in this paper shows that this design can preliminarily master the principle of carrying sound, avoid the technical risk of real vehicle carrying, and has important guiding significance for the study of active sound management system, laying a foundation for the study of electric vehicle sound.

The characteristics of this paper: through the combination of software and hardware, analyze the realization process of the principle prototype, the control logic and the connection of all parts of the system, and finally master the basic principle of sound realization.

Key Words：STM32F103ZET6；Principle prototype; Audio playback; Program design;

目录

摘 要 III

第一章 绪论 2

1.1 目的及意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究的基本内容 5

第二章 原理样机系统设计 6

2.1 原理样机实现的目标 6

2.2 原理样机系统的组成 6

2.2.1 原理样机系统框图 6

2.2.2 硬件设计 7

2.2.3 原理样机硬件介绍 8

第三章 原理样机程序实现 12

3.1 MATLAB播放音频程序 12

3.2 C语言硬件逻辑算法 13

3.3主函数线程 17

3.3.1 ADC转换线程 17

3.3.2 音频播放线程 20

3.3.3 FIFO数据传输线程 22

第四章 结论及展望 26

4.1结论 26

4.2展望 26

参考文献 27

致谢 28

第一章 绪论

1.1 目的及意义

随着中国经济的快速增长，汽车产业的发展也稳步提升。近年来，新能源电动汽车发展驶入快车道，汽车服务的需求也逐渐加大。新能源汽车的出现及普及是在世界能源革命和全球绿色环保的形势下推动的。在我国，随着政府和民众对环境保护意识的加强，在国家政策的推动下，新能源汽车开始大量普及，传统的内燃机汽车逐渐被取代。新能源汽车与传统汽车相比，最本质的区别在于动力系统。传统汽车的动力系统是由发动机和变速箱组成。汽油或柴油在发动机内产生压缩做功，然后释放能量使汽车运动。电动汽车以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，没有了发动机低沉的轰鸣声，除了动力方式的改变，也没有了驾驶的声音体验感。

传统内燃机汽车车内声音对驾驶者有最直观的感觉，驾驶者对于汽车的舒适性提出越来越多的要求，电动汽车的发声问题也逐渐被重视。汽车噪声、振动与声音粗糙度性能NVH(Noise Vibration Harshness)，作为车辆设计系统里的一部分，在现代车辆设计成本中的比例越来越高了，因为现代乘用车设计要求是追求车身轻量化，并且要求提升其NVH性能。基于此，包括主动声音管理控制系统在内的各种技术被用于车辆发动机声音的实现，来模拟传统汽车的声音。传统汽车发声涉及进气和排气系统以及硬件的常规方法，我们对原理样机的设计，可以通过车辆音响系统来实现驾驶室内的发动机声音。

1.2 国内外研究现状

有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆NVH上。车辆NVH问题是国际汽车行业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一，我国汽车NVH开发与国际水平还有一定差距，而国内有关汽车主动发声的研究尚在早期阶段。

在国内，吉林大学的一些学者对主动发声有所研究，胡达远设计车内外声音管理系统^[1]，提出了发动机声音实时合成算法，分别详细介绍了车内主动发声和车外主动发声两个部分，从灵活性角度考虑，使用一套控制器、两套发生装置实现车内外的发声。车内模拟传统发动机的声音，研究发动机声音实时合成算法。车外是基于需求和其他方面需求人工设计警示音。文章介绍了主动声音管理系统的总体设计、硬件模块搭建以及软件成系统的开发。车内是基于粒子算法合成声音的方法，通过很短的声音样本拼接，合成各种变转速工况下对应的发动机声音。发生的具体过程就是根据汽车转速计算声音样本在声音样本库中的索引号，提取样本，然后依次循环播放。曹蕴涛等人建立发动机的声音模型实现了车内发动机声音的提取和合成，并在实车搭载了车内主动发声系统^[2]，这种车内发声系统实现是提取车辆的CAN（Controller Area Network）总线信息，结合声音样本库，实时播放并合成当前的发动机声音。

吉林大学赵健等人设计电动轿车警示音合成^[3]，以声品质主客观评价试验建立电动轿车警示音声品质评价模型。采用语音波形编辑合成法进行警示音的设计合成，再进行声品质的主观评价及客观分析。并在汽车警示音的基础上进行控制系统的硬件电路设计和软件系统的开发，通过实车实验来验证警示音的警示效果和控制系统的工作性质。通过安装警示音控制系统的电动轿车能够很好的满足警示行人的效果，而人们大多接受的还是传统汽车相似的这种声音。本文所研究的原理样机不考虑声品质问题，旨在建立这种原理模型，理解系统中各硬件之间的联系和实现过程。

2012年，王晓丽等人对于车内主动发声问题^[4]，采用MCU和语音处理软件，在车上安装声音模拟器能够很好地满足人们对汽车发声的需求。王晓丽主要介绍了关于该种芯片的语音处理系统，系统的主要组成和基本原理。语音处理系统的主要优点是省去了专有的语音合成集成电路，可以大大减少系统部件的数量。

2015年，和雪娇开发了电动汽车上的语音芯片^[5]，详细分析了语音芯片的控制模式和驱动，并介绍了语音芯片的工作模式。由CS、CLK、DATA三条通讯总线组成的三线串口控制模式，保证了语音芯片准确实现指令控制和语音发声的功能。详细介绍了电动汽车声音模拟系统的硬件部分，电路原理图，各模块的功能，并具体阐述了主控制芯片的管脚功能，对其A/D转换器和CAN控制器给出完整的控制理论。给出声音模拟系统的具体控制策略、实际设计线路板图、各种仿真测试数据结果，说明了在电动汽车上所产生的良好的效果。

北华大学的孟伟伟曾选用PIC18F25K80芯片作为主控芯片^[6]，设计行人声音警报系统，更注重芯片的功能。这种警报设计方案，能够有效地解决电动汽车过于安静的问题。软件设计方面通俗易懂，在硬件基础上利用C语言编写主要芯片驱动控制程序，控制采用指挥控制策略，并利用音频处理软件Adobe Audition，对其音频从频率和响度方面合理化处理。

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