和弦鈴聲設(shè)計(jì)及MIDI音樂文件播放流程介紹

和弦原來是樂理上的一個(gè)概念，指的是按照三度關(guān)系疊置起來的三個(gè)或三個(gè)以上的音的結(jié)合;而在音頻器材的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，和弦指的是多個(gè)音源同時(shí)發(fā)音，也叫復(fù)音、多音（polyphony）。和弦鈴聲在手機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，它的音色飽滿圓潤(rùn)，立體感強(qiáng)，已經(jīng)全面取代了以往的單音鈴聲。目前和弦鈴聲文件格式有多種，如MIDI、MMF、AMR、MP3、IMY等，其中MIDI是目前支持度最高的鈴音文件格式，它的文件占用空間小，表現(xiàn)力強(qiáng)，幾乎已經(jīng)成為目前和弦鈴聲手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

手機(jī)中的MIDI和弦音樂是通過內(nèi)置高集成度的和弦芯片播放MIDI音樂文件來實(shí)現(xiàn)的。和弦芯片使用的聲音合成和音色調(diào)用方式?jīng)Q定了鈴聲的播放效果。早期的FM（Frequency ModulaTIon）合成法將多個(gè)頻率的單音組成復(fù)合音來模擬各種樂器的聲音，產(chǎn)生的聲音音色少、音質(zhì)差。另一種是波形表（wavetable）合成法。這種方法是先把各種真正樂器的音樂錄制下來再進(jìn)行合成處理，音色好，音域廣。根據(jù)波表產(chǎn)生方式的不同分為軟件和弦和硬件和弦兩種。軟件和弦比硬件和弦節(jié)省系統(tǒng)開銷，更容易集成到移動(dòng)設(shè)備上。

目前手機(jī)市場(chǎng)有多種和弦控制芯片，使用較多的有日本的Yamaha，我國(guó)臺(tái)灣的華邦和旺宏、大陸的中星微和智多微。各個(gè)公司的和弦芯片都有自己的特點(diǎn)，其中智多微的C520能夠支持民族樂器播放，所以選用C520作和弦音樂控制。

C520是上海智多微電子有限公司的一款和弦芯片，專門用于為手機(jī)提供清脆逼真的音樂鈴聲和豐富游戲音效。該芯片集成了64和弦、16音色波表和21首中國(guó)民樂，具有3D立體聲環(huán)繞增效的MIDI合成器、MIDI GM預(yù)置ROM、16位高性能音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器和2/4位ADPCM解碼器等功能。

2.1 芯片特點(diǎn)

相對(duì)于市場(chǎng)上的其他手機(jī)和弦芯片，C520具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

① 能夠通過片上的音樂合成器對(duì)輸入MIDI信號(hào)合成，或者通過ADPCM解調(diào)器對(duì)輸入的ADPCM信號(hào)解調(diào)，然后通過內(nèi)置的DAC輸出波形。

② 集成了高質(zhì)量的MIDI GM音色庫(kù)，容量高達(dá)3 Mb;提供GM音色庫(kù)之外的民族樂器音色庫(kù)，支持二胡、古箏、琵琶等20多種民族樂器;支持多音色和復(fù)音--最多同時(shí)支持16個(gè)音色和64復(fù)音。

③ 具有多個(gè)功能端口，可支持手機(jī)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)及LCD背光驅(qū)動(dòng)，可用于播放音樂同步的PWM來控制七彩燈。

④ 與主控端的接口可以是并行接口或者串行接口;允許芯片工作于DAC輸入模式，接受兼容通用串行DAC數(shù)據(jù)格式的輸入數(shù)據(jù);片內(nèi)集成不同輸入數(shù)據(jù)的FIFO;待機(jī)模式下典型工作電流小于50 μA.

2.2 功能單元

整個(gè)芯片由IOU（I/O接口單元）、 SG（音樂合成器）、ADEC（ADPCM解調(diào)器）、TG（時(shí)鐘模塊）和ANALOG（邏輯）模塊組成。

IOU完成與外部CPU的接口，控制內(nèi)部的FIFO以及芯片其他功能接口;形成音樂的MIDI數(shù)據(jù)以及外部CPU對(duì)芯片的控制命令也是通過IOU中的寄存器送出。SG模塊從IOU的FIFO中取的MIDI數(shù)據(jù)，采用波表合成的方式合成音樂。ADEC接收經(jīng)過壓縮的PCM數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的控制信號(hào)進(jìn)行解碼，將解碼后的16位PCM碼輸出至SG的DSP單元。TG對(duì)輸入時(shí)鐘倍頻以及產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。ANALOG包括一個(gè)DAC和對(duì)DAC的輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波以及功率放大的AMP.C520芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 典型電路

控制CPU選用三星公司的32位RISC芯片S3C4510B.該芯片是專為嵌入式以太網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的，內(nèi)核為arm7TDMI，支持高代碼密度的THUMB指令集，適用于對(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖1C520內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖2典型應(yīng)用電路

C520與S3C4510B可以是并行接口或者串行接口，但是并行接口比串行接口數(shù)據(jù)傳輸速度快，因此在本設(shè)計(jì)中采用并行接口。芯片應(yīng)用電路如圖2所示。

在這個(gè)電路中，C520的CS_N用S3C4510B的I/O P0進(jìn)行控制。其實(shí)如果在片選信號(hào)線夠用的情況下，可選擇S3C4510B中ROM/SRAM/Flash片選信號(hào) Nrcs［5∶0］中的任何一根信號(hào)線，這樣可以節(jié)省1根GPIO;同理，如果不想再控制C520復(fù)位，可以將其復(fù)位信號(hào)與S3C4510B的復(fù)位線nRESET相連，這樣S3C4510B與C520將在上電時(shí)同時(shí)復(fù)位;C520 PD腳是低功耗狀態(tài)控制引腳，“1”為正常工作狀態(tài)，“0”為進(jìn)入低功耗狀態(tài);C520 IRQ腳為中斷輸出腳，其可連接S3C4510B的外部中斷請(qǐng)求信號(hào)腳XINTREQ［0］。

3.2 芯片初始化

C520的初始化工作非常簡(jiǎn)單，包括：

① 根據(jù)外部時(shí)鐘設(shè)置PLL分頻比。PLL分頻比由寄存器CLOCK（read:10h/write:11h）和寄存器Master Clock（read:18h/write:19h）共同決定。內(nèi)部時(shí)鐘頻率fsys=fclock·（DN+1）/（DM+1）。其中DM為寄存器CLOCK［4∶0］，DN為寄存器Master clock tuning［5∶0］，fclock是外部輸入時(shí)鐘，內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fsys必須定在48 MHz~50 MHz之間。

② 打開模擬模塊，向寄存器Analog Power Down（read:66h/write:67h）的bit3寫0.

③ 設(shè)置Analog Select，根據(jù)寄存器Analog Select（read:60h/ write:61h）選擇模擬功能。

3.3 播放MIDI音樂文件

C520可以播放MIDI FORMAT 0和MMD格式的MIDI文件。

MIDI FORMAT 0文件開頭4字節(jié)數(shù)據(jù)ASCII值為“MThd”，MMD文件開頭4字節(jié)數(shù)據(jù)ASCII值為“MMhd”.arm發(fā)送這兩種格式的MIDI數(shù)據(jù)過程不同，在發(fā)送前根據(jù)文件開頭4字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分。

發(fā)送MIDI FORMAT 0格式的MIDI文件，文件中的所有數(shù)據(jù)都要發(fā)送。

MMD格式的文件，可分為四塊，每塊的開頭都有8字節(jié)的頭數(shù)據(jù)部分。第1塊頭數(shù)據(jù)部分前4字節(jié)的ASCII碼值是“MMhd”，第2塊頭數(shù)據(jù)部分前4字節(jié)的 ASCII 碼值是 “MMly”， 第 3 塊頭數(shù)據(jù)部分前 4 字節(jié)的ASCII碼值是“MMdd”。第4塊頭數(shù)據(jù)部分前4字節(jié)的ASCII碼值是“MMex”。每一塊頭數(shù)據(jù)的第5、6、7、8字節(jié)是這塊數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（不包括頭數(shù)據(jù)），第5字節(jié)是低字節(jié)位，第8字節(jié)是高字節(jié)位，這4個(gè)字節(jié)組成的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)加上頭數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8，就是這塊數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。MMdd塊數(shù)據(jù)的頭數(shù)據(jù)后面就是經(jīng)過壓縮的MIDI數(shù)據(jù);MMly塊數(shù)據(jù)是用于卡拉OK的專用數(shù)據(jù)，播放MIDI時(shí)無須發(fā)送該塊;Mmex為擴(kuò)展塊。

圖3播放MIDI文件流程

向C520發(fā)送MMD格式的MIDI數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送MMhd塊，接著發(fā)送MMdd塊的MIDI數(shù)據(jù)部分（即該塊中除塊名及塊長(zhǎng)度的部分），而MMly塊不用發(fā)送。

圖3為播放MIDI文件流程。

本文介紹了智多微公司的手機(jī)和弦芯片C520，給出了其原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。采用三星的RISC芯片S3C4510B做控制器，實(shí)現(xiàn)了和弦音樂的播放。文中給出了詳細(xì)的電路原理圖和播放MIDI音樂文件的流程，可以作為和弦芯片在移動(dòng)產(chǎn)品上的應(yīng)用參考。