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利用PWM给单片机应用增加语音功能

时间：2008-01-09 14:13:00

关键字：单片机应用 PWM BSP KHZ

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[导读]本文利用飞思卡尔公司HCSl2单片机的PWM模块，还原存储在存储器中的声音采样数据，在几乎不增加成本的情况下，实现嵌入式应用中的扩展语音功能。

摘要随着嵌入式领域的拓展，目前许多微控制器芯片一般都不具备数据一模拟的双向通道，但几乎都集成有PWM产生模块。本文利用飞思卡尔公司HCSl2单片机的PWM模块，还原存储在存储器中的声音采样数据，在几乎不增加成本的情况下，实现嵌入式应用中的扩展语音功能。
关键词 单片机PWM语音低通滤波

    HCSl2系列单片机未包含数／模转换的模块。要给其扩展语音功能，通常的做法是增加一块数／模转换芯片。虽然这样做可以得到非常好的音质(取决于数／模转换芯片的性能)，但由于耍多使用一块数／模转换芯片，在对音质要求不太高的应用中，会给设计增加额外的成本，同时也使电路设计相对复杂。
    本文介绍利用PWM还原声音的解决方案，可以很好地解决这个矛盾。例如安全报警应用中，系统通常已经包含了一块微控制器(用来处理人机交互以及系统的控制等)，当发出警报时，可以是“BB”或“当当”的蜂鸣声；当然，更好的做法是发出清晰的语音。
    用PWM产生声音的基本原理，是使用存储在Flash中的音频采样数据或通过某种算法产生的声音数据，来控制PWM每个波形的占空比；接下来通过一低通滤波器滤波，就可将声音从PWM的脉冲波里分离出来，驱动扬声器发出声音。

1 从WAV文件中提取声音采样数据
一般来说，可以从WAV文件中提取声音数据，标准的WAV格式的声音文件含有声音的采样数据和文件头。文件头描述了后面声音数据的一些信息，如通道数、采样频率、采样位数以及数据的长度等。
通道数，是指声音的采样路数，如单声道、立体声等。采样频率，是指每秒钟对声音的采样次数，采样频率越高，还原出来的声音越接近原始声音，如表l所列。要精确还原出某种频率的波形，其最小采样率应为该波形的2倍。

采样位数，指的是每次采样的采样精度。采样位数越高，还原出来的声音的量化噪声越小，波形也越接近原波形。WAV文件的文件头定义：

    提取声音数据时，请注意采样频率、采样位数、存储容量与存储时间的关系，如表2所列。通常，11．025 kHz的采样频率和8位的采样位数可获得清晰的语音以及较好的音乐声，并且占有较少的存储空间。
    通过了解和分析WAV文件的格式，可以将文件中的声音采样数据读取出来，并转换为C语言格式的数组结构，以便和其他程序一并编译和下载到芯片中去。例如：

2 产生PWM波形
要还原声音，最低要求是HCSl2系列微控制器具备一个PWM模块，芯片选择的另一个细节是要有足够的Flash存储容量，来存储声音的采样数据。MC9S12DP256具有一个16位的PWM模块．可产生16位解析精度的PWM波形，这意味着nr以使用16位的采样数据来产生PWM。MC9S12DP256还具备256 KB的Flash，能够存储23 78 s八位11．025 kHz的采样数据。
产生PWM波形的步骤：①设置定时器．产生定时中断：如采样率为ll.025 kHz．则设置定时器的定时中断频率为11.025 kHz。②初始化PWM模块，产生11．025kHz的PWM波形。③等待定时器中断，在中断处理程序中取采样数据，并设置PWM占空比寄存器，判断声音是否播放完成。若完成，则关定时器巾断，并停止PWM输出。

3 低通滤波
    PWM输出后须通过低通滤波器滤波，才能还原成人耳能识别的声音。低通滤波器的类型和参数取决于声音的采样频率和价格预算。最简单的要数RC滤波器。这种滤波器的优点是仪需要两个元件，另一种是有源滤波器，滤波效果好，但相对复杂。
    滤波器截止频率的选择，对于音频输出是非常重要的，推荐设置在采样频率的一半。若要获得更佳的滤波器截止频率，就要进一步对采样数据进行分析，找出最大具有有效声音数据的频率。当然，在一般应用中并没有要求这么严格，甚至在某些场合中，即使用参数不非常明确的元件也能获得很好的声音输出，这时RC滤波器将是最好的选择。
    推荐使用图1所示的滤波器，其截止频率为5．5 kHz(11．025 kHz／2)。这个设计中，使用了2个运算放大器，足够驱动一小型扬声器。