利用PWM給HCS12單片機(jī)應(yīng)用增加語音功能

本文利用飛思卡爾公司HCS12單片機(jī)的PWM模塊，還原存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的聲音采樣數(shù)據(jù)，在幾乎不增加成本的情況下，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用中的擴(kuò)展語音功能。隨著嵌入式領(lǐng)域的拓展，目前許多微控制器芯片一般都不具備數(shù)據(jù)－模擬的雙向通道，但幾乎都集成有PWM產(chǎn)生模塊。

　　HCS12系列單片機(jī)未包含數(shù)／模轉(zhuǎn)換的模塊。要給其擴(kuò)展語音功能，通常的做法是增加一塊數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片。雖然這樣做可以得到非常好的音質(zhì)(取決于數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片的性能)，但由于要多使用一塊數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片，在對(duì)音質(zhì)要求不太高的應(yīng)用中，會(huì)給設(shè)計(jì)增加額外的成本，同時(shí)也使電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

　　本文介紹利用PWM還原聲音的解決方案，可以很好地解決這個(gè)矛盾。例如安全報(bào)警應(yīng)用中，系統(tǒng)通常已經(jīng)包含了一塊微控制器(用來處理人機(jī)交互以及系統(tǒng)的控制等)，當(dāng)發(fā)出警報(bào)時(shí)，可以是“BB”或“當(dāng)當(dāng)”的蜂鳴聲；當(dāng)然，更好的做法是發(fā)出清晰的語音。

　　用PWM產(chǎn)生聲音的基本原理，是使用存儲(chǔ)在Flash中的音頻采樣數(shù)據(jù)或通過某種算法產(chǎn)生的聲音數(shù)據(jù)，來控制PWM每個(gè)波形的占空比；接下來通過一低通濾波器濾波，就可將聲音從PWM的脈沖波里分離出來，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

　　1 從WAV文件中提取聲音采樣數(shù)據(jù)

　　一般來說，可以從WAV文件中提取聲音數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的WAV格式的聲音文件含有聲音的采樣數(shù)據(jù)和文件頭。文件頭描述了后面聲音數(shù)據(jù)的一些信息，如通道數(shù)、采樣頻率、采樣位數(shù)以及數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等。

　　通道數(shù)，是指聲音的采樣路數(shù)，如單聲道、立體聲等。采樣頻率，是指每秒鐘對(duì)聲音的采樣次數(shù)，采樣頻率越高，還原出來的聲音越接近原始聲音，如表l所列。要精確還原出某種頻率的波形，其最小采樣率應(yīng)為該波形的2倍。

　　采樣位數(shù)，指的是每次采樣的采樣精度。采樣位數(shù)越高，還原出來的聲音的量化噪聲越小，波形也越接近原波形。WAV文件的文件頭定義：

　　提取聲音數(shù)據(jù)時(shí)，請(qǐng)注意采樣頻率、采樣位數(shù)、存儲(chǔ)容量與存儲(chǔ)時(shí)間的關(guān)系，如表2所列。通常，11．025 kHz的采樣頻率和8位的采樣位數(shù)可獲得清晰的語音以及較好的音樂聲，并且占有較少的存儲(chǔ)空間。

　　通過了解和分析WAV文件的格式，可以將文件中的聲音采樣數(shù)據(jù)讀取出來，并轉(zhuǎn)換為C語言格式的數(shù)組結(jié)構(gòu)，以便和其他程序一并編譯和下載到芯片中去。例如：

　　2 產(chǎn)生PWM波形

　　要還原聲音，最低要求是HCSl2系列微控制器具備一個(gè)PWM模塊，芯片選擇的另一個(gè)細(xì)節(jié)是要有足夠的Flash存儲(chǔ)容量，來存儲(chǔ)聲音的采樣數(shù)據(jù)。MC9S12DP256具有一個(gè)16位的PWM模塊．可產(chǎn)生16位解析精度的PWM波形，這意味著nr以使用16位的采樣數(shù)據(jù)來產(chǎn)生PWM。MC9S12DP256還具備256 KB的Flash，能夠存儲(chǔ)23 78 s八位11．025 kHz的采樣數(shù)據(jù)。

　　產(chǎn)生PWM波形的步驟：

　?、僭O(shè)置定時(shí)器．產(chǎn)生定時(shí)中斷：如采樣率為ll.025 kHz．則設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)中斷頻率為11.025 kHz。

　?、诔跏蓟疨WM模塊，產(chǎn)生11．025kHz的PWM波形。

　?、鄣却〞r(shí)器中斷，在中斷處理程序中取采樣數(shù)據(jù)，并設(shè)置PWM占空比寄存器，判斷聲音是否播放完成。若完成，則關(guān)定時(shí)器巾斷，并停止PWM輸出。

3 低通濾波

　　PWM輸出后須通過低通濾波器濾波，才能還原成人耳能識(shí)別的聲音。低通濾波器的類型和參數(shù)取決于聲音的采樣頻率和價(jià)格預(yù)算。最簡(jiǎn)單的要數(shù)RC濾波器。這種濾波器的優(yōu)點(diǎn)是儀需要兩個(gè)元件，另一種是有源濾波器，濾波效果好，但相對(duì)復(fù)雜。

　　濾波器截止頻率的選擇，對(duì)于音頻輸出是非常重要的，推薦設(shè)置在采樣頻率的一半。若要獲得更佳的濾波器截止頻率，就要進(jìn)一步對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出最大具有有效聲音數(shù)據(jù)的頻率。當(dāng)然，在一般應(yīng)用中并沒有要求這么嚴(yán)格，甚至在某些場(chǎng)合中，即使用參數(shù)不非常明確的元件也能獲得很好的聲音輸出，這時(shí)RC濾波器將是最好的選擇。

　　推薦使用圖1所示的濾波器，其截止頻率為5．5 kHz(11．025 kHz／2)。這個(gè)設(shè)計(jì)中，使用了2個(gè)運(yùn)算放大器，足夠驅(qū)動(dòng)一小型揚(yáng)聲器。

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　　圖2也給出一種簡(jiǎn)單直接的接法：僅使用一22μF的電容用于低通濾波，驅(qū)動(dòng)一5 kHz、8Ω的小揚(yáng)聲器。

　　利用MC9S12DP256微控制器的PWM功能可為單片機(jī)的應(yīng)用增加語音功能。對(duì)聲音采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式是用直接的、原始的采樣數(shù)據(jù)。在具體的實(shí)際應(yīng)用中，為存儲(chǔ)更長(zhǎng)時(shí)間的聲音數(shù)據(jù)，還可對(duì)聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，具體算法請(qǐng)參考相關(guān)資料。