基于凌陽單片機(jī)的語音信號(hào)實(shí)時(shí)采集

摘要：語音信號(hào)采集是語音信號(hào)處理的基礎(chǔ)。本文利用凌陽公司16位單片機(jī)——SPCE061A所具有的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能及其所提供的音頻壓縮函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣與壓縮；通過RS232接口，將采集到的語音信號(hào)實(shí)時(shí)上傳到PC機(jī)中存儲(chǔ)。

    關(guān)鍵詞：語音信號(hào)處理 RS232 串口通信 語音采樣 語音壓縮

引言

隨著單片機(jī)集成化程度的不斷提高，現(xiàn)代單片機(jī)已經(jīng)具備了數(shù)字信號(hào)處理功能，使語音信號(hào)處理用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)成為可能。臺(tái)灣凌陽科技公司（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(hào)處理器芯片為內(nèi)核的16位單片機(jī)，采用模塊式集成結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成了2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行I/O等，特別適合語音信號(hào)處理。本文介紹如何實(shí)現(xiàn)用SPCE061A單片機(jī)采集語音信號(hào)，并傳送到PC機(jī)中的方法。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 SPCE061A結(jié)構(gòu)

SPCE061A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)置存儲(chǔ)器：SRAM為2KB，內(nèi)存Flash為32KB；

*可編程音頻處理；

*2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；

*7通道10位ADC（內(nèi)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(jiān)測(cè)/低電壓復(fù)位功能；

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

*內(nèi)置在線仿真電路ICE。

1.2 SPCE061A開發(fā)方法

SPCE061A的開發(fā)是通過在線調(diào)試器PROBE實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。它利用了SPCE061A內(nèi)置的在線仿真電路ICE和凌陽公司的在線串行編程技術(shù)。如果讀者想要使用該芯片及開發(fā)系統(tǒng)，可上網(wǎng)www.unsp.com.cn查詢，并尋求大學(xué)計(jì)劃的免費(fèi)支持。

1.3 語音采集的硬件電路

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

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

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 語音信號(hào)的采集壓縮與數(shù)據(jù)傳輸

（1）語音信號(hào)的采集壓縮

語音信號(hào)處理的基礎(chǔ)是對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并采樣存儲(chǔ)。SRCE061A內(nèi)置專門用于語音信號(hào)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）。語音信號(hào)經(jīng)麥克轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由隔離電容隔掉直流成分，然后輸入至內(nèi)部前置放大器。SPCE061A內(nèi)部自動(dòng)增益控制電路AGC能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號(hào)電平，當(dāng)輸入信號(hào)增器時(shí)，AGC電路自動(dòng)減小放大器的增益；當(dāng)輸入信號(hào)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(hào)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(shè)置AGC功能

R1=0x00A8;

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

R1=0x1000;

[P_INT_Ctrl]=R1； //開中斷IRQ1_TM

INT IRQ；

圖3 語音采集的硬件連接圖

    采樣后的數(shù)字語音信號(hào)數(shù)據(jù)量非常大，且由于語音信號(hào)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，使語音信號(hào)中含有大量的冗余信息。因此，在實(shí)際應(yīng)用中采用各種信源編碼技術(shù)來消除語音信號(hào)的冗余度。語音編碼方法主要有波形編碼、參數(shù)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)是語音質(zhì)量高、抗噪性強(qiáng)編碼率高，適于語音及高保真音樂。

*參數(shù)編碼是基于某種語音產(chǎn)生模型，在編程端分析出該模型參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行編碼；特點(diǎn)是語音質(zhì)量差、抗噪抗弱和編碼率低。

*混合編碼綜合了波形和參數(shù)編碼之優(yōu)點(diǎn)。

凌陽SPCE061A提供了壓縮算法庫——SACMLIB（見表1），其處理的語音信號(hào)范圍是200Hz～3.4kHz的電話語音，并將A/D、編/解碼、存儲(chǔ)及D/A做成相應(yīng)的模塊，對(duì)于每個(gè)模塊都有其應(yīng)用程序接口API。

表1 SACM-LIB庫中模塊及其算法

模塊名稱	壓縮算法	采樣率/kHz	語音壓縮編碼率/Kb/s	用   途
SACM_A2000	子帶編碼	16	16、20、24	播放語音及高保真音樂
SACM_S480/S720	CELP混合編碼	16	4.8、7.2	播音
SACM_S240	參數(shù)編碼	24	2.4	播音
SACM_MS01	FM音樂合成	16	16、20、24	音樂合成
SACM_DVR	子帶編碼	16	16Kb/s的傳輸率，8Ksps的采樣率	ADC信道錄音和DAC放音

（2）語音數(shù)據(jù)的傳輸

SPCE061A的通用異步串口（UART）提供了一個(gè)8位全雙工標(biāo)準(zhǔn)接口，用于完成SPCE061A與外設(shè)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(shù)據(jù)的過程。根據(jù)應(yīng)用需求，把UART設(shè)置為中斷方式接收數(shù)據(jù)，以查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

UART初始化程序InitUART()見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.dpj.com.cn）。

2.2 上位機(jī)控制和存儲(chǔ)模塊

目前，Mircosoft公司的VC++6.0是基于Windows程序設(shè)計(jì)的主流開發(fā)工具之一。VC++不僅秉承了C++簡便、靈活及面向?qū)ο蟮葍?yōu)點(diǎn)，而且提供了功能強(qiáng)大的MFC類庫，并能自動(dòng)生成應(yīng)用程序框架，提供標(biāo)準(zhǔn)化的程序結(jié)構(gòu)和用戶接口。特別需要指出的是，為了今后調(diào)用低層的音頻處理API函數(shù)，對(duì)由下位上傳的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行語音識(shí)別方面的處理，我們使用VC來編寫上位機(jī)的控制及存儲(chǔ)程序。

在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)應(yīng)用中，RS232串口是常用的計(jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備（單片機(jī)）之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，由于串行通信簡單易用，所以應(yīng)用廣泛。通常在VC++中有三種方法可以實(shí)現(xiàn)串行通信：

*使用VC++的標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)_inp和_outp來實(shí)現(xiàn)串口通信；

*把串口看成是一個(gè)特殊的設(shè)備文件，使用有關(guān)文件處理的API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)串口通信；

*使用ActiveX的串行通信控件MSComm來實(shí)現(xiàn)串口通信。

對(duì)于本實(shí)例來說，主要考慮的因素是實(shí)時(shí)語音數(shù)據(jù)存取，以及位機(jī)與下位機(jī)的配合。因此，采用了串行通信MSComm控件方法來實(shí)現(xiàn)串口通信。另外，可以采用二進(jìn)制流文件Cfile類來存儲(chǔ)聲音文件。具體步驟見網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版。

結(jié)語

通過以上實(shí)例錄制的語音數(shù)據(jù)，可以從PC機(jī)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(shù)播放驗(yàn)證，效果能夠滿足進(jìn)一步語音信號(hào)處理需要。

用凌陽SPCE061A處理語音信號(hào)有如下獨(dú)特之處：

*硬件電路簡單，因SPCE061A是一款專門為語音信號(hào)處理設(shè)計(jì)的，麥克和喇叭可直接接入，用戶不必外接放大電路等；

*軟件編程容易，有相應(yīng)的API函數(shù)，可直接調(diào)用。

*用ICE和圖形界面編譯軟件，調(diào)試方便。