基于C51單片機的校園自助導覽儀設計

摘要：在分析MP3標準算法的基礎上，基于C51單片機實(shí)現MP3的編解碼，并對MP3編碼進(jìn)行了多方面的優(yōu)化；在單片機上的MP3算法中加入無(wú)線(xiàn)功能，設計成為一種校園自助導覽儀。經(jīng)野外測試，效果良好。
關(guān)鍵詞：MP3編解碼；無(wú)線(xiàn)模塊；自助導覽

引言
MP3是MPEG-I的音頻標準第三層壓縮模式。雖然算法比較復雜，但壓縮比最大在低碼率條件下基本能達到CD的音質(zhì)效果。其壓縮比例高、音質(zhì)失真小的特點(diǎn)使之成為用于當前PC、網(wǎng)絡(luò )、PDA等最為流行的音頻格式。在嵌入式系統中實(shí)現MP3音頻編解碼常見(jiàn)的有兩種方案；一種是硬件解碼(即通過(guò)專(zhuān)用的MP3解碼硬件進(jìn)行解碼)，其特點(diǎn)是可以實(shí)現較高的性能和較低的功耗，目前大多數商用MP3都采用這種方案；另外一種是軟件解碼(即完全依賴(lài)于嵌入式微處理器或DSP的處理能力)，通過(guò)對MP3定點(diǎn)或浮點(diǎn)解碼程序實(shí)現解碼過(guò)程，該方案對嵌人式微處理器或DSP處理能力要求較高。
本文采取硬件解碼方案，在單片機上實(shí)現了MP3的解碼，并加入無(wú)線(xiàn)功能，使其向產(chǎn)品靠攏，設計成為一種電子產(chǎn)品“校園自助導覽儀”。它的功能和導游一樣，具備自助和電子的要素。
本文還對MP3編碼進(jìn)行優(yōu)化，除了算法優(yōu)化和高級語(yǔ)言的優(yōu)化之外，還進(jìn)行了匯編級優(yōu)化，大大降低了算法的復雜性。

1 系統總體設計
本設計是基于校園的一種電子產(chǎn)品，將旅游景點(diǎn)的解說(shuō)以MP3格式存儲，通過(guò)無(wú)線(xiàn)形式實(shí)現智能控制。該系統能根據觀(guān)眾的位置和需要自動(dòng)確定解說(shuō)的語(yǔ)言和內容，使得每個(gè)觀(guān)眾不但可以得到每個(gè)展位、景點(diǎn)的完整信息，而且能夠感受到高清晰、低噪聲的音響效果。同時(shí)，本設計產(chǎn)品還配有鍵盤(pán)，可以對播放的音頻文件進(jìn)行控制，滿(mǎn)足人性化的要求。系統總體框架如圖1所示。

1．1 MP3編碼與實(shí)現
MP3采用的是頻域編碼，即音樂(lè )信號自適應譜感熵編碼ASPEC(Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding of High Quality Music Signal)。
MP3的數據是以幀流的形式存儲或傳輸的，每個(gè)幀有幀頭和幀尾。為獲取較高的數據壓縮比，根據音頻位流語(yǔ)法，采用了較為復雜的位流結構。MP3碼流是由很多幀組成，每一幀由幀頭、壓縮的音頻數據及輔助數據等組成。幀頭是一個(gè)32位長(cháng)的數據，它包含輸入輸出采樣率、輸出比特率以及單雙聲道等信息。對每一幀的576(單聲道，立體聲為1152)個(gè)輸入音頻采樣壓縮而得到音頻數據。具體的壓縮后的比特數可以根據下式得到：
幀內比特數=幀內采樣數×位率／采樣率 (1)
圖2是MP3音頻信號的編碼過(guò)程。就單聲道而言，MP3的一個(gè)編碼框包含1152個(gè)聲音取樣，每個(gè)取樣為16位。MP3編碼時(shí)，首先將原始輸入的16位PCM信號經(jīng)過(guò)濾波器分析(filer bank analysis)，轉換成32個(gè)等頻寬的子頻帶信號(subband signal)。然后透過(guò)改良式離散余弦轉換(Modified I)iscrete CosineTransforln，MDCT)，將每個(gè)子頻帶信號再細分為18個(gè)次頻帶，根據第二心理聲學(xué)模型(Psychoacoustic Mode ID所提供的信噪比(Signal-to-MaskRatio，SMR)，對每個(gè)子頻帶信號進(jìn)行位元分配及量化編碼。最后，只要將編碼后的資料依照MPEG-I定義的位元串的形式輸出即可。