基于C51單片機(jī)的校園自助導(dǎo)覽儀設(shè)計(jì)

摘要：在分析MP3標(biāo)準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上，基于C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)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(jī)上的MP3算法中加入無線功能，設(shè)計(jì)成為一種校園自助導(dǎo)覽儀。經(jīng)野外測試，效果良好。
關(guān)鍵詞：MP3編解碼；無線模塊；自助導(dǎo)覽

引言
    MP3是MPEG-I的音頻標(biāo)準(zhǔn)第三層壓縮模式。雖然算法比較復(fù)雜，但壓縮比最大在低碼率條件下基本能達(dá)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(dāng)前PC、網(wǎng)絡(luò)、PDA等最為流行的音頻格式。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)MP3音頻編解碼常見的有兩種方案；一種是硬件解碼(即通過專用的MP3解碼硬件進(jìn)行解碼)，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)較高的性能和較低的功耗，目前大多數(shù)商用MP3都采用這種方案；另外一種是軟件解碼(即完全依賴于嵌入式微處理器或DSP的處理能力)，通過對MP3定點(diǎn)或浮點(diǎn)解碼程序?qū)崿F(xiàn)解碼過程，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(jī)上實(shí)現(xiàn)了MP3的解碼，并加入無線功能，使其向產(chǎn)品靠攏，設(shè)計(jì)成為一種電子產(chǎn)品“校園自助導(dǎo)覽儀”。它的功能和導(dǎo)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(fù)雜性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)是基于校園的一種電子產(chǎn)品，將旅游景點(diǎn)的解說以MP3格式存儲，通過無線形式實(shí)現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)能根據(jù)觀眾的位置和需要自動確定解說的語言和內(nèi)容，使得每個(gè)觀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(shè)計(jì)產(chǎn)品還配有鍵盤，可以對播放的音頻文件進(jìn)行控制，滿足人性化的要求。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

1．1 MP3編碼與實(shí)現(xiàn)
    MP3采用的是頻域編碼，即音樂信號自適應(yīng)譜感熵編碼ASPEC(Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding of High Quality Music Signal)。
    MP3的數(shù)據(jù)是以幀流的形式存儲或傳輸?shù)?，每個(gè)幀有幀頭和幀尾。為獲取較高的數(shù)據(jù)壓縮比，根據(jù)音頻位流語法，采用了較為復(fù)雜的位流結(jié)構(gòu)。MP3碼流是由很多幀組成，每一幀由幀頭、壓縮的音頻數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)等組成。幀頭是一個(gè)32位長的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。具體的壓縮后的比特?cái)?shù)可以根據(jù)下式得到：
    幀內(nèi)比特?cái)?shù)=幀內(nèi)采樣數(shù)×位率／采樣率 (1)
    圖2是MP3音頻信號的編碼過程。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)過濾波器分析(filer bank analysis)，轉(zhuǎn)換成32個(gè)等頻寬的子頻帶信號(subband signal)。然后透過改良式離散余弦轉(zhuǎn)換(Modified I)iscrete CosineTransforln，MDCT)，將每個(gè)子頻帶信號再細(xì)分為18個(gè)次頻帶，根據(jù)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。

    數(shù)字音頻采樣通過由兩個(gè)濾波器組成的濾波器組輸入到心理聲學(xué)模型中，由心理聲學(xué)模型的輸出來控制音頻屏蔽等參數(shù)，最終通過量化和霍夫曼(Huffman)編碼得到輸出的比特流。
1．2 MP3解碼與實(shí)現(xiàn)
    PCM信號進(jìn)行MP3壓縮時(shí)，以1152個(gè)PCM采樣值為單位，封裝成具有固定長度的MP3數(shù)據(jù)幀(幀是MP3文件的最小組成單位)。在解碼時(shí)，利用數(shù)據(jù)幀里的信息就可以恢復(fù)出1152個(gè)PCM采樣值。這1152個(gè)采樣值被分為2個(gè)粒度組，每個(gè)粒度組包含576個(gè)采樣值。一個(gè)MP3數(shù)據(jù)幀分為5個(gè)部分：幀頭、CRC校驗(yàn)值、邊信息、主數(shù)據(jù)、附加數(shù)據(jù)。在進(jìn)行解碼時(shí)一般包含同步(Synchronization)、找到幀的開始位置、檢查錯(cuò)誤(CRC)、霍夫曼解碼(Huffman decoding)、解包信息、輸出量化的頻率信息、再量化(Requantize)、用比例系數(shù)放大輸出信息、再排序(Reorder)、增加頻率后重新排序、頻率線立體聲合成(Stereodecoding)等過程。
    MP3解碼器程序設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：
    ①定點(diǎn)算法設(shè)計(jì)。盡管定點(diǎn)單片機(jī)也支持浮點(diǎn)運(yùn)算，但浮點(diǎn)運(yùn)算會消耗大量的指令周期和內(nèi)存，也會降低系統(tǒng)運(yùn)行速度，不能應(yīng)用于MP3實(shí)時(shí)解碼。在程序設(shè)計(jì)中，首先要將MP3浮點(diǎn)C解碼算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)C解碼算法。浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜，本文不再多述。
    ②在程序的頭部建立正確的運(yùn)行頭(Run Time Header)文件。
    ③內(nèi)存分頁／重疊。與ADSP-218X類似，F(xiàn)D216也是通過設(shè)置重疊存儲器選擇寄存器(PMOVLAY／DMOVLAY)來實(shí)現(xiàn)PM(CM)／DM存儲器分頁／重疊的。

2 無線模塊
    無線遙控裝置已廣泛應(yīng)用于車模、航模等領(lǐng)域，用來實(shí)現(xiàn)對靶機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、玩具等的控制。在空間存在各個(gè)頻段、強(qiáng)弱變化的無線電波，因此無線遙控器在通信數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易受到干擾。為了提高通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須在發(fā)送端對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，而在接收端對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，以提高抗干擾性。下面先介紹無線收發(fā)的特點(diǎn)，再將此無線功能加入MP3中，構(gòu)成一個(gè)有無線功能的MP3，從而完成校園自助導(dǎo)覽儀的設(shè)計(jì)。
    發(fā)射器一般由數(shù)據(jù)輸入模塊、編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動電路、發(fā)射電路等部分組成。當(dāng)有數(shù)據(jù)從輸入模塊輸入時(shí)，編碼電路產(chǎn)生相應(yīng)的編碼信號(編碼指信號對載波進(jìn)行調(diào)制)，再由驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射。
接收器一般由接收電路、放大整形電路、調(diào)制電路、數(shù)據(jù)處理電路、驅(qū)動執(zhí)行電路等部分組成。接收電路接收發(fā)射器發(fā)送的調(diào)制編碼信號，經(jīng)過放大整形電路處理后送至解調(diào)電路。解調(diào)電路對調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)，即還原為編碼信號。數(shù)據(jù)處理電路對編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并控制執(zhí)行電路執(zhí)行相應(yīng)的操作。
    由上述可知，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須對發(fā)送數(shù)據(jù)及發(fā)送的脈沖格式進(jìn)行編碼，然后在接收端對這些信號進(jìn)行解碼。現(xiàn)在市場上有很多用于編碼和解碼的專用芯片，例如PT2262／PT2272，它們都是通過硬件實(shí)現(xiàn)編碼和解碼的。在接收端，由于無線接收模塊收到的是脈沖信號，而不同的數(shù)據(jù)位其寬度不同，所以必須測量每個(gè)脈沖的寬度，以判別是哪個(gè)數(shù)字邏輯。在硬件上采用單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷INT 0、INT1來捕捉脈沖的上升沿和下降沿，進(jìn)而計(jì)算出脈沖寬度和數(shù)字邏輯。圖3是設(shè)計(jì)的校園自助導(dǎo)覽儀的無線收發(fā)場景。

    如果旅游者佩戴我們設(shè)計(jì)的自助導(dǎo)覽儀進(jìn)入校園游覽，每次到達(dá)校園景點(diǎn)時(shí)，會自動接收到校園景點(diǎn)發(fā)射的編碼信號，自助導(dǎo)覽儀進(jìn)行解碼后會播放相應(yīng)的MP3音頻文件進(jìn)行景點(diǎn)的介紹。
    為了檢驗(yàn)自助導(dǎo)覽儀設(shè)備可靠性，進(jìn)行了一些野外測試，效果良好：
    ①發(fā)射模塊距離可調(diào)，符合顯示各校園景點(diǎn)需要，基本上能通過控制天線長短和電壓高低得到理想距離；
    ②誤碼可能性極低；
    ③通過程序控制很好地實(shí)現(xiàn)了自動判斷同一景點(diǎn)播放完后是否重新播放。

3 MP3編碼優(yōu)化
    心理模型的優(yōu)化可以分為兩個(gè)方面：心理聲學(xué)模型算法的優(yōu)化和心理聲學(xué)模型定點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)化。心理模型對于長窗和短窗的運(yùn)算均需要進(jìn)行一系列的包含F(xiàn)FT的復(fù)雜運(yùn)算，耗費(fèi)大量運(yùn)算周期。因此我們考慮這樣來實(shí)現(xiàn)心理聲學(xué)模型：首先進(jìn)行窗體類型的判斷，依據(jù)判斷結(jié)果，只作對應(yīng)窗口類型的FFT變換和后續(xù)的心理聲學(xué)模型計(jì)算，從而大大減輕運(yùn)算負(fù)擔(dān)。經(jīng)過測試統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的情況下，編碼器所采用的窗口類型均為長窗，因此在心理模型窗體計(jì)算時(shí)可以不考慮短窗。
另外一種優(yōu)化則是對定點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行優(yōu)化。由于在心理聲學(xué)模型中涉及到諸多復(fù)雜的運(yùn)算(包括循環(huán)控制、對數(shù)運(yùn)算、冪運(yùn)算等)，因此充分利用硬件功能和對運(yùn)算的優(yōu)化成為了關(guān)鍵。MP3編碼器編碼過程中，量化編碼需要進(jìn)行多次量化調(diào)整循環(huán)，每一次的量化調(diào)整都會消耗很多周期，因此通常會占到60％～70％的運(yùn)算周期。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)的要求，對量化編碼模塊的循環(huán)進(jìn)行了控制，得到了最佳的量化結(jié)果。

結(jié)語
    對MP3的編解碼和無線模塊的整合，是設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的一個(gè)方向，對電子產(chǎn)品的多樣化有一定的推動作用。本文在單片機(jī)上通過對MP3的編解碼運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了MP3的播放，然后對其功能進(jìn)行擴(kuò)展，加入了無線模塊設(shè)計(jì)和液晶屏等，最終完成了校園自助導(dǎo)覽儀的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在西南交通大學(xué)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)和推廣，取得很好的效果。
    雖然我們對編碼進(jìn)行了優(yōu)化，且對無線模塊進(jìn)行了大量的通信測試，但不一定能達(dá)到惡劣環(huán)境的要求?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要，調(diào)整無線模塊的收發(fā)距離。此外，該MP3還可以進(jìn)行更多的功能擴(kuò)展，比如做成電子導(dǎo)游、公交報(bào)站器等多種電子產(chǎn)品。