基于SPCE061A單片機的語(yǔ)音信號實(shí)時(shí)采集

引言

隨著(zhù)單片機集成化程度的不斷提高，現代單片機已經(jīng)具備了數字信號處理功能，使語(yǔ)音信號處理用單片機實(shí)現成為可能。臺灣凌陽(yáng)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核的16位單片機，采用模塊式集成結構，片內集成了2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行I/O等，特別適合語(yǔ)音信號處理。本文介紹如何實(shí)現用SPCE061A單片機采集語(yǔ)音信號，并傳送到PC機中的方法。

1 硬件系統結構

1.1 SPCE061A結構

SPCE061A的內部結構如圖1，其特點(diǎn)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(shí)鐘為0.32～49.152MHz；

*內置存儲器：SRAM為2KB，內存Flash為32KB；

*可編程音頻處理；

*2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計數器；

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

*2個(gè)10位DAC；

*32路可編程通用輸入輸出端口；

*串行輸入輸出接口；

*低電壓監測/低電壓復位功能；

*14個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器、外部時(shí)鐘輸入、鍵喚醒等；

*內置在線(xiàn)仿真電路ICE。

1.2 SPCE061A開(kāi)發(fā)方法

SPCE061A的開(kāi)發(fā)是通過(guò)在線(xiàn)調試器PROBE實(shí)現的，如圖2所示。它利用了SPCE061A內置的在線(xiàn)仿真電路ICE和凌陽(yáng)公司的在線(xiàn)串行編程技術(shù)。如果讀者想要使用該芯片及開(kāi)發(fā)系統，可上網(wǎng)www.unsp.com.cn查詢(xún)，并尋求大學(xué)計劃的免費支持。

1.3 語(yǔ)音采集的硬件電路

語(yǔ)音采集的硬件電路如圖3所示。MIC采用駐極體電容話(huà)筒，這種話(huà)筒具有靈敏度高、無(wú)方向性、重量輕、體積小、頻率響應寬、保真度好等優(yōu)點(diǎn)。

與PC機的串行通信用SPCE061A的UART接口，用MAX232芯片進(jìn)行電平轉換，即可實(shí)現RS232通信。

2 軟件設計與實(shí)現

2.1 語(yǔ)音信號的采集壓縮與數據傳輸

（1）語(yǔ)音信號的采集壓縮

語(yǔ)音信號處理的基礎是對語(yǔ)音信號進(jìn)行數字化，并采樣存儲。SRCE061A內置專(zhuān)門(mén)用于語(yǔ)音信號采集的自動(dòng)增益控制放大器（AGC）的麥克風(fēng)輸入通道（MIC_IN）。語(yǔ)音信號經(jīng)麥克轉換成電信號，由隔離電容隔掉直流成分，然后輸入至內部前置放大器。SPCE061A內部自動(dòng)增益控制電路AGC能隨時(shí)跟蹤、監視前置放大器輸出的音頻信號電平，當輸入信號增器時(shí)，AGC電路自動(dòng)減小放大器的增益；當輸入信號減小時(shí)，AGC電路自動(dòng)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(shí)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； //設置AGC功能

R1=0x00A8;

[P_DAC_Ctrl]=R1; //采用自動(dòng)方式且通過(guò)MIC_IN通道輸入，通過(guò)定時(shí)器A的溢出鎖存數據，ADC為自動(dòng)方式

R1=0x1000;

[P_INT_Ctrl]=R1； //開(kāi)中斷IRQ1_TM

INT IRQ；



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

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

*參數編碼是基于某種語(yǔ)音產(chǎn)生模型，在編程端分析出該模型參數選擇適當的方式進(jìn)行編碼；特點(diǎn)是語(yǔ)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編碼之優(yōu)點(diǎn)。

凌陽(yáng)SPCE061A提供了壓縮算法庫——SACMLIB（見(jiàn)表1），其處理的語(yǔ)音信號范圍是200Hz～3.4kHz的電話(huà)語(yǔ)音，并將A/D、編/解碼、存儲及D/A做成相應的模塊，對于每個(gè)模塊都有其應用程序接口A(yíng)PI。

表1 SACM-LIB庫中模塊及其算法

（2）語(yǔ)音數據的傳輸

SPCE061A的通用異步串口（UART）提供了一個(gè)8位全雙工標準接口，用于完成SPCE061A與外設之間的串行通信。借助于IOB口的特殊功能和UART IRQ中斷，可以同時(shí)完成UART接口的接收與發(fā)送數據的過(guò)程。根據應用需求，把UART設置為中斷方式接收數據，以查詢(xún)方式發(fā)送數據。

UART初始化程序InitUART()見(jiàn)網(wǎng)絡(luò )補充版（http://www.dpj.com.cn）。

2.2 上位機控制和存儲模塊

目前，Mircosoft公司的VC++6.0是基于Windows程序設計的主流開(kāi)發(fā)工具之一。VC++不僅秉承了C++簡(jiǎn)便、靈活及面向對象等優(yōu)點(diǎn)，而且提供了功能強大的MFC類(lèi)庫，并能自動(dòng)生成應用程序框架，提供標準化的程序結構和用戶(hù)接口。特別需要指出的是，為了今后調用低層的音頻處理API函數，對由下位上傳的音頻數據進(jìn)一步進(jìn)行語(yǔ)音識別方面的處理，我們使用VC來(lái)編寫(xiě)上位機的控制及存儲程序。

在實(shí)驗室和工業(yè)應用中，RS232串口是常用的計算機與外部串行設備（單片機）之間的數據傳輸通道，由于串行通信簡(jiǎn)單易用，所以應用廣泛。通常在VC++中有三種方法可以實(shí)現串行通信：

*使用VC++的標準通信函數_inp和_outp來(lái)實(shí)現串口通信；

*把串口看成是一個(gè)特殊的設備文件，使用有關(guān)文件處理的API函數來(lái)實(shí)現串口通信；

*使用ActiveX的串行通信控件MSComm來(lái)實(shí)現串口通信。

對于本實(shí)例來(lái)說(shuō)，主要考慮的因素是實(shí)時(shí)語(yǔ)音數據存取，以及位機與下位機的配合。因此，采用了串行通信MSComm控件方法來(lái)實(shí)現串口通信。另外，可以采用二進(jìn)制流文件Cfile類(lèi)來(lái)存儲聲音文件。具體步驟見(jiàn)網(wǎng)絡(luò )補充版。

結語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)例錄制的語(yǔ)音數據，可以從PC機下載到SPCE061A中（或者作為資源文件放入工程中），使用SACM_A2000模塊的函數播放驗證，效果能夠滿(mǎn)足進(jìn)一步語(yǔ)音信號處理需要。

用凌陽(yáng)SPCE061A處理語(yǔ)音信號有如下獨特之處：

*硬件電路簡(jiǎn)單，因SPCE061A是一款專(zhuān)門(mén)為語(yǔ)音信號處理設計的，麥克和喇叭可直接接入，用戶(hù)不必外接放大電路等；

*軟件編程容易，有相應的API函數，可直接調用。

*用ICE和圖形界面編譯軟件，調試方便。