利用PWM給單片機應用增加語(yǔ)音功能

　　隨著(zhù)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據一模擬的雙向通道，但幾乎都集成有PWM產(chǎn)生模塊。本文利用飛思卡爾公司HCSl2單片機的PWM模塊，還原存儲在存儲器中的聲音采樣數據，在幾乎不增加成本的情況下，實(shí)現嵌入式應用中的擴展語(yǔ)音功能。

　　HCSl2系列單片機未包含數/模轉換的模塊。要給其擴展語(yǔ)音功能，通常的做法是增加一塊數/模轉換芯片。雖然這樣做可以得到非常好的音質(zhì)(取決于數/模轉換芯片的性能)，但由于耍多使用一塊數/模轉換芯片，在對音質(zhì)要求不太高的應用中，會(huì )給設計增加額外的成本，同時(shí)也使電路設計相對復雜。

　　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。例如安全報警應用中，系統通常已經(jīng)包含了一塊微控制器(用來(lái)處理人機交互以及系統的控制等)，當發(fā)出警報時(shí)，可以是“BB”或“當當”的蜂鳴聲;當然，更好的做法是發(fā)出清晰的語(yǔ)音。

　　用PWM產(chǎn)生聲音的基本原理，是使用存儲在Flash中的音頻采樣數據或通過(guò)某種算法產(chǎn)生的聲音數據，來(lái)控制PWM每個(gè)波形的占空比;接下來(lái)通過(guò)一低通濾波器濾波，就可將聲音從PWM的脈沖波里分離出來(lái)，驅動(dòng)揚聲器發(fā)出聲音。

　　1 從WAV文件中提取聲音采樣數據

　　一般來(lái)說(shuō)，可以從WAV文件中提取聲音數據，標準的WAV格式的聲音文件含有聲音的采樣數據和文件頭。文件頭描述了后面聲音數據的一些信息，如通道數、采樣頻率、采樣位數以及數據的長(cháng)度等。

　　通道數，是指聲音的采樣路數，如單聲道、立體聲等。采樣頻率，是指每秒鐘對聲音的采樣次數，采樣頻率越高，還原出來(lái)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，其最小采樣率應為該波形的2倍。

　　采樣位數，指的是每次采樣的采樣精度。采樣位數越高，還原出來(lái)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：

　　提取聲音數據時(shí)，請注意采樣頻率、采樣位數、存儲容量與存儲時(shí)間的關(guān)系，如表2所列。通常，11.025 kHz的采樣頻率和8位的采樣位數可獲得清晰的語(yǔ)音以及較好的音樂(lè )聲，并且占有較少的存儲空間。

　　通過(guò)了解和分析WAV文件的格式，可以將文件中的聲音采樣數據讀取出來(lái)，并轉換為C語(yǔ)言格式的數組結構，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)細節是要有足夠的Flash存儲容量，來(lái)存儲聲音的采樣數據。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(zhù)nr以使用16位的采樣數據來(lái)產(chǎn)生PWM。MC9S12DP256還具備256 KB的Flash，能夠存儲23 78 s八位11.025 kHz的采樣數據。

　　產(chǎn)生PWM波形的步驟：

　?、僭O置定時(shí)器.產(chǎn)生定時(shí)中斷：如采樣率為ll.025 kHz.則設置定時(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據，并設置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(guò)低通濾波器濾波，才能還原成人耳能識別的聲音。低通濾波器的類(lèi)型和參數取決于聲音的采樣頻率和價(jià)格預算。最簡(jiǎn)單的要數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，但相對復雜。

　　濾波器截止頻率的選擇，對于音頻輸出是非常重要的，推薦設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)一步對采樣數據進(jìn)行分析，找出最大具有有效聲音數據的頻率。當然，在一般應用中并沒(méi)有要求這么嚴格，甚至在某些場(chǎng)合中，即使用參數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)設計中，使用了2個(gè)運算放大器，足夠驅動(dòng)一小型揚聲器。

　　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，驅動(dòng)一5 kHz、8Ω的小揚聲器。

　　結語(yǔ)

　　利用MC9S12DP256微控制器的PWM功能可為單片機的應用增加語(yǔ)音功能。對聲音采樣數據的存儲方式是用直接的、原始的采樣數據。在具體的實(shí)際應用中，為存儲更長(cháng)時(shí)間的聲音數據，還可對聲音數據進(jìn)行壓縮，具體算法請參考相關(guān)資料。