基于嵌入式MCU音频芯片信号处理模式.docVIP

基于嵌入式MCU音频芯片信号处理模式 　　摘 要：跟传统的音频芯片采用专用电路的设计思想不同，文章介绍了基于微控制器（MCU）的音频芯片中的三种信号处理模式，分别为数模转换模式、脉冲宽度调制模式和可编程声音产生模式。具体描述了这三种模式的原理、具体电路结构以及软件设置等。这种芯片能够充分体现微控制器编程灵活、开发速度快、费用低等特点，快速地开发出满足市场需求且费用较低的音频产品。 关键词：嵌入式MCU；音频芯片；数模转换；脉冲宽度调制 1 引言 国内音频芯片技术发展有相当长的时间了，但目前的语音芯片以专用芯片为主，通常把语音内容放在一个大容量的存储器中，再加上一些外围控制电路，结构上大同小异。这方面的研究主要集中在开发不同应用领域的音频芯片，另外这类芯片属于消费类领域，因此大部分研究者把重点放在了降低芯片成本方面。这种构架的语音芯片存在一些缺点。首先使用不方便，声音编曲不灵活；因为成为专用芯片后，要更改编曲风格等必须要重新进行芯片的结构设计；其次开发时间会延长，因为芯片设计、加工等都有一个周期；第三会增加开发费用，除了芯片的设计费用，还有芯片的加工等。 为了克服以上缺点，基于微控制器的音频芯片成为一种新的趋势，这得益于近年来微控制器技术的不断发展。微控制器结构设计灵活，芯片的功能等都可以采用软件来进行重新设计；而近年来出现的存储器更新换代技术为音频芯片的结构重新设计提供了可能，从掩膜存储器（MASK ROM）到电除存储器（EEPROM），再到闪烁存储器（FLASH），可以大大缩短开发时间，并大幅度降低开发成本。 基于嵌入式微控制器的音频芯片对音频信号的处理模式是多种多样的，有数模转换模式和脉冲宽度调制模式，这两种模式主要针对要求较高的语音领域；而针对噪声、警报声等要求不是很高的应用领域，可以采用一种称之为可编程声音产生的模式来处理这一类音频信号。本文对这几种音频处理模式的原理、实现方法以及具体电路模块等方面作详细介绍，并且跟传统专用芯片处理模式的作比较，为从事这方面产品开发的工程师提供一些参考设计。 2 采用DAC模式处理语音信号 采用DAC模式的音频芯片通常提供以电流型DA作为语音和单音曲调输出模式，可以直接驱动晶体管；除此之外，还提供了音调输出，可以直接驱动蜂鸣器，这两种模式共用一个AUD输出端。在电流型DAC模式中，为了减小关断电流型DAC的噪声，应该平缓地关掉电流型DAC输出至输出电流，直至为零，为了节省功耗，在电流型DAC不用时应该关断它。音调输出是一个全幅（VDD和VSS）信号，它的频率源是定时器进位的频率除以2，这一部分的框图如图1所示。 图1 电流型DAC模块框图及系统寄存器设置 系统寄存器$1E用来控制电流型DAC输出的大小，这是微控制器电路最大的优点，即通过数据总线，将预先设置在只读存储器（ROM）中的数据写入系统寄存器，然后在控制信号作用下读出，用来控制其它逻辑，用户非常方便修改ROM中的内容。在微控制器中，系统寄存器就起到这样的作用，为了直观地了解系统寄存器$1E的值与输出电流的大小，在图1下方示意了这种关系，其中左边一部分表示当处于语音/单音曲调模式时，$1E的值对输出AUD的影响，而右边一部分则表示当处于音调模式时，$1E的值对输出AUD的影响。 为了更清楚地说明这部分电路的功能，给出了这部分电路图，如图2所示。 图2 电流型DAC电路图 图2就是一个电流标度的DA转换电路，共有三种工作方式：音调（TONE）模式、语音（Speech）模式、单音曲调（Melody）模式，下面将对这三种方式依次进行分析： （1） TONE方式：在这种方式下，首先d=0并被锁存，电路处于TOG状态，下面一路被选通，在周期性脉冲信号h47的作用下，AUD输出高、低电平分别为3V、0V的方波。 （2） Speech方式：首先寄存器$1E被选中，d=1被锁存，电路处于DAC状态，这时最后一级倒向器的P管和N管都被关闭，AUD由D/A转换电路提供比例电流。D的值越大，从AUD端输出的电流也越大，并且对于d的某一个值，输出电流是恒定的。 （3） Melody：与Speech大致相同。不同之处在于，用于产生比例电流的只有d，并且对于d的某一个值，在AUD输出的电流是方波，其频率与h47的频率相同。假定某一个值在 Speech方式下的输出电流为I0 ，那么在Melody状态下，输出电流的振幅为（I0，Imax-I0）。I0的最大值为Imax。 通过以上分析可以看到，采用基于微控制器的DAC模式后，控制方式比较多样，同时又非常灵活，完全取决于客户的要求；另外输出电流大小也可以自由调节，表现在声音方面可以做到非常柔和，变化细微，这是跟其它驱动模