基于 SPCE061A單片機(jī)采集語音信號的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著單片機(jī)集成化程度的不斷提高，現(xiàn)代單片機(jī)已經(jīng)具備了數(shù)字信號處理功能，使語音信號處理用單片機(jī)實現(xiàn)成為可能。臺灣凌陽科技公司(SunPlus)推出的一款SPCE061A就是這樣的產(chǎn)品。SPCE061A是以μ"nSP TM16位微控制器及信號處理器芯片為內(nèi)核的16位單片機(jī)，采用模塊式集成結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成了2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行I/O等，特別適合語音信號處理。本文介紹如何實現(xiàn)用SPCE061A單片機(jī)采集語音信號，并傳送到PC機(jī)中的方法。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 SPCE061A結(jié)構(gòu)

SPCE061A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1，其特點如下：

*16位μ"nSP TM微控制器;

*工作電壓：VDD為2.6～3.6V(CPU),VDDH為VDD～5.5V(I/O);

*CPU時鐘為0.32～49.152MHz;

*內(nèi)置存儲器：SRAM為2KB，內(nèi)存Flash為32KB;

*可編程音頻處理;

*2個16位可編程定時器/計數(shù)器;

*7通道10位ADC(內(nèi)置麥克風(fēng)放大和自動增益控制功能);

*2個10位DAC;

*32路可編程通用輸入輸出端口;

*串行輸入輸出接口;

*低電壓監(jiān)測/低電壓復(fù)位功能;

*14個中斷源可來自定時器、外部時鐘輸入、鍵喚醒等;

*內(nèi)置在線仿真電路ICE。

1.2 SPCE061A開發(fā)方法

SPCE061A的開發(fā)是通過在線調(diào)試器PROBE實現(xiàn)的，如圖2所示。它利用了SPCE061A內(nèi)置的在線仿真電路ICE和凌陽公司的在線串行編程技術(shù)。

1.3 語音采集的硬件電路

語音采集的硬件電路如圖3所示。MIC采用駐極體電容話筒，這種話筒具有靈敏度高、無方向性、重量輕、體積小、頻率響應(yīng)寬、保真度好等優(yōu)點。

與PC機(jī)的串行通信用SPCE061A的UART接口，用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)RS232通信。

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 語音信號的采集壓縮與數(shù)據(jù)傳輸

(1)語音信號的采集壓縮

語音信號處理的基礎(chǔ)是對語音信號進(jìn)行數(shù)字化，并采樣存儲。SRCE061A內(nèi)置專門用于語音信號采集的自動增益控制放大器(AGC)的麥克風(fēng)輸入通道(MIC_IN)。語音信號經(jīng)麥克轉(zhuǎn)換成電信號，由隔離電容隔掉直流成分，然后輸入至內(nèi)部前置放大器。SPCE061A內(nèi)部自動增益控制電路AGC能隨時跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號電平，當(dāng)輸入信號增器時，AGC電路自動減小放大器的增益;當(dāng)輸入信號減小時，AGC電路自動增大放大器的增益，以便使進(jìn)入A/D的信號保持在最佳電平，又可使諧波減至最小。

ADC初始化程序如下：

INT OFF;

R1=0x0030;

[P_TimerA_CTRl]=R1;

//時鐘頻率為CLKA的fosc/2

R1=0xfa00;

[P_TimerA_Data]=R1;

//采樣率為16kHz

R1=0x003d;

[P_ADC_Ctrl]=R1; //設(shè)置AGC功能

R1=0x00A8;

[P_DAC_Ctrl]=R1; //采用自動方式且通過MIC_IN通道輸入，通過定時器A的溢出鎖存數(shù)據(jù)，ADC為自動方式

R1=0x1000;

[P_INT_Ctrl]=R1; //開中斷IRQ1_TM

INT IRQ;

采樣后的數(shù)字語音信號數(shù)據(jù)量非常大，且由于語音信號采樣點幅度分布的非均勻性和樣本間的相關(guān)性等原因，使語音信號中含有大量的冗余信息。因此，在實際應(yīng)用中采用各種信源編碼技術(shù)來消除語音信號的冗余度。語音編碼方法主要有波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。

*波形編碼的基本原理是以波形逼近為原則，在時域上把幅度樣本分層量化并用代碼表示;特點是語音質(zhì)量高、抗噪性強(qiáng)編碼率高，適于語音及高保真音樂。

*參數(shù)編碼是基于某種語音產(chǎn)生模型，在編程端分析出該模型參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行編碼;特點是語音質(zhì)量差、抗噪抗弱和編碼率低。

*混合編碼綜合了波形和參數(shù)編碼之優(yōu)點。

凌陽SPCE061A提供了壓縮算法庫——SACMLIB(見表1)，其處理的語音信號范圍是200Hz～3.4kHz的電話語音，并將A/D、編/解碼、存儲及D/A做成相應(yīng)的模塊，對于每個模塊都有其應(yīng)用程序接口API。

表1 SACM-LIB庫中模塊及其算法

(2)語音數(shù)據(jù)的傳輸

SPCE061A的通用異步串口(UART)提供了一個8位全雙工標(biāo)準(zhǔn)接口，用于完成SPCE061A與外設(shè)之間的串行通信。借助于IOB口的特殊功能和UART IRQ中斷，可以同時完成UART接口的接收與發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。根據(jù)應(yīng)用需求，把UART設(shè)置為中斷方式接收數(shù)據(jù)，以查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

UART初始化程序InitUART()見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版(

2.2 上位機(jī)控制和存儲模塊

目前，MircoSOFt公司的VC++6.0是基于Windows程序設(shè)計的主流開發(fā)工具之一。VC++不僅秉承了C++簡便、靈活及面向?qū)ο蟮葍?yōu)點，而且提供了功能強(qiáng)大的MFC類庫，并能自動生成應(yīng)用程序框架，提供標(biāo)準(zhǔn)化的程序結(jié)構(gòu)和用戶接口。特別需要指出的是，為了今后調(diào)用低層的音頻處理API函數(shù)，對由下位上傳的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行語音識別方面的處理，我們使用VC來編寫上位機(jī)的控制及存儲程序。

在實驗室和工業(yè)應(yīng)用中，RS232串口是常用的計算機(jī)與外部串行設(shè)備(單片機(jī))之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，由于串行通信簡單易用，所以應(yīng)用廣泛。通常在VC++中有三種方法可以實現(xiàn)串行通信：

*使用VC++的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)_inp和_outp來實現(xiàn)串口通信;

*把串口看成是一個特殊的設(shè)備文件，使用有關(guān)文件處理的API函數(shù)來實現(xiàn)串口通信;

*使用ActiveX的串行通信控件MSComm來實現(xiàn)串口通信。

對于本實例來說，主要考慮的因素是實時語音數(shù)據(jù)存取，以及位機(jī)與下位機(jī)的配合。因此，采用了串行通信MSComm控件方法來實現(xiàn)串口通信。另外，可以采用二進(jìn)制流文件Cfile類來存儲聲音文件。具體步驟見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版。

結(jié)語

通過以上實例錄制的語音數(shù)據(jù)，可以從PC機(jī)下載到SPCE061A中(或者作為資源文件放入工程中)，使用SACM_A2000模塊的函數(shù)播放驗證，效果能夠滿足進(jìn)一步語音信號處理需要。

用凌陽SPCE061A處理語音信號有如下獨特之處：

*硬件電路簡單，因SPCE061A是一款專門為語音信號處理設(shè)計的，麥克和喇叭可直接接入，用戶不必外接放大電路等;

*軟件編程容易，有相應(yīng)的API函數(shù)，可直接調(diào)用。

*用ICE和圖形界面編譯軟件，調(diào)試方便。