居水榮+劉錫鋒

摘 要：跟傳統(tǒng)的音頻芯片采用專用電路的設(shè)計(jì)思想不同，文章介紹了基于微控制器（MCU）的音頻芯片中的三種信號(hào)處理模式，分別為數(shù)模轉(zhuǎn)換模式、脈沖寬度調(diào)制模式和可編程聲音產(chǎn)生模式。具體描述了這三種模式的原理、具體電路結(jié)構(gòu)以及軟件設(shè)置等。這種芯片能夠充分體現(xiàn)微控制器編程靈活、開發(fā)速度快、費(fèi)用低等特點(diǎn)，快速地開發(fā)出滿足市場(chǎng)需求且費(fèi)用較低的音頻產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：嵌入式MCU；音頻芯片；數(shù)模轉(zhuǎn)換；脈沖寬度調(diào)制

1 引言

國(guó)內(nèi)音頻芯片技術(shù)發(fā)展有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間了，但目前的語(yǔ)音芯片以專用芯片為主，通常把語(yǔ)音內(nèi)容放在一個(gè)大容量的存儲(chǔ)器中，再加上一些外圍控制電路，結(jié)構(gòu)上大同小異。這方面的研究主要集中在開發(fā)不同應(yīng)用領(lǐng)域的音頻芯片，另外這類芯片屬于消費(fèi)類領(lǐng)域，因此大部分研究者把重點(diǎn)放在了降低芯片成本方面。這種構(gòu)架的語(yǔ)音芯片存在一些缺點(diǎn)。首先使用不方便，聲音編曲不靈活；因?yàn)槌蔀閷Ｓ眯酒?，要更改編曲風(fēng)格等必須要重新進(jìn)行芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；其次開發(fā)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)、加工等都有一個(gè)周期；第三會(huì)增加開發(fā)費(fèi)用，除了芯片的設(shè)計(jì)費(fèi)用，還有芯片的加工等。

為了克服以上缺點(diǎn)，基于微控制器的音頻芯片成為一種新的趨勢(shì)，這得益于近年來(lái)微控制器技術(shù)的不斷發(fā)展。微控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，芯片的功能等都可以采用軟件來(lái)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；而近年來(lái)出現(xiàn)的存儲(chǔ)器更新?lián)Q代技術(shù)為音頻芯片的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)提供了可能，從掩膜存儲(chǔ)器（MASK ROM）到電除存儲(chǔ)器（EEPROM），再到閃爍存儲(chǔ)器（FLASH），可以大大縮短開發(fā)時(shí)間，并大幅度降低開發(fā)成本。

基于嵌入式微控制器的音頻芯片對(duì)音頻信號(hào)的處理模式是多種多樣的，有數(shù)模轉(zhuǎn)換模式和脈沖寬度調(diào)制模式，這兩種模式主要針對(duì)要求較高的語(yǔ)音領(lǐng)域；而針對(duì)噪聲、警報(bào)聲等要求不是很高的應(yīng)用領(lǐng)域，可以采用一種稱之為可編程聲音產(chǎn)生的模式來(lái)處理這一類音頻信號(hào)。本文對(duì)這幾種音頻處理模式的原理、實(shí)現(xiàn)方法以及具體電路模塊等方面作詳細(xì)介紹，并且跟傳統(tǒng)專用芯片處理模式的作比較，為從事這方面產(chǎn)品開發(fā)的工程師提供一些參考設(shè)計(jì)。

2 采用DAC模式處理語(yǔ)音信號(hào)

采用DAC模式的音頻芯片通常提供以電流型DA作為語(yǔ)音和單音曲調(diào)輸出模式，可以直接驅(qū)動(dòng)晶體管；除此之外，還提供了音調(diào)輸出，可以直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，這兩種模式共用一個(gè)AUD輸出端。在電流型DAC模式中，為了減小關(guān)斷電流型DAC的噪聲，應(yīng)該平緩地關(guān)掉電流型DAC輸出至輸出電流，直至為零，為了節(jié)省功耗，在電流型DAC不用時(shí)應(yīng)該關(guān)斷它。音調(diào)輸出是一個(gè)全幅（VDD和VSS）信號(hào)，它的頻率源是定時(shí)器進(jìn)位的頻率除以2，這一部分的框圖如圖1所示。

圖1 電流型DAC模塊框圖及系統(tǒng)寄存器設(shè)置

系統(tǒng)寄存器$1E用來(lái)控制電流型DAC輸出的大小，這是微控制器電路最大的優(yōu)點(diǎn)，即通過(guò)數(shù)據(jù)總線，將預(yù)先設(shè)置在只讀存儲(chǔ)器（ROM）中的數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)寄存器，然后在控制信號(hào)作用下讀出，用來(lái)控制其它邏輯，用戶非常方便修改ROM中的內(nèi)容。在微控制器中，系統(tǒng)寄存器就起到這樣的作用，為了直觀地了解系統(tǒng)寄存器$1E的值與輸出電流的大小，在圖1下方示意了這種關(guān)系，其中左邊一部分表示當(dāng)處于語(yǔ)音/單音曲調(diào)模式時(shí)，$1E的值對(duì)輸出AUD的影響，而右邊一部分則表示當(dāng)處于音調(diào)模式時(shí)，$1E的值對(duì)輸出AUD的影響。

為了更清楚地說(shuō)明這部分電路的功能，給出了這部分電路圖，如圖2所示。

圖2 電流型DAC電路圖

圖2就是一個(gè)電流標(biāo)度的DA轉(zhuǎn)換電路，共有三種工作方式：音調(diào)（TONE）模式、語(yǔ)音（Speech）模式、單音曲調(diào)（Melody）模式，下面將對(duì)這三種方式依次進(jìn)行分析：

（1） TONE方式：在這種方式下，首先d<6>=0并被鎖存，電路處于TOG狀態(tài)，下面一路被選通，在周期性脈沖信號(hào)h47的作用下，AUD輸出高、低電平分別為3V、0V的方波。

（2） Speech方式：首先寄存器$1E被選中，d<6>=1被鎖存，電路處于DAC狀態(tài)，這時(shí)最后一級(jí)倒向器的P管和N管都被關(guān)閉，AUD由D/A轉(zhuǎn)換電路提供比例電流。D<6：1>的值越大，從AUD端輸出的電流也越大，并且對(duì)于d<6：1>的某一個(gè)值，輸出電流是恒定的。

（3） Melody：與Speech大致相同。不同之處在于，用于產(chǎn)生比例電流的只有d<5：1>，并且對(duì)于d<5：1>的某一個(gè)值，在AUD輸出的電流是方波，其頻率與h47的頻率相同。假定某一個(gè)值在 Speech方式下的輸出電流為I0 ，那么在Melody狀態(tài)下，輸出電流的振幅為（I0，Imax-I0）。I0的最大值為Imax。

通過(guò)以上分析可以看到，采用基于微控制器的DAC模式后，控制方式比較多樣，同時(shí)又非常靈活，完全取決于客戶的要求；另外輸出電流大小也可以自由調(diào)節(jié)，表現(xiàn)在聲音方面可以做到非常柔和，變化細(xì)微，這是跟其它驅(qū)動(dòng)模式相比性能優(yōu)越的地方。

3 采用PWM模式處理語(yǔ)音信號(hào)

所謂調(diào)制技術(shù)是為了傳輸和存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)而將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法。對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制的技術(shù)很多，其中應(yīng)用最廣泛的是脈沖調(diào)制技術(shù)。所謂脈沖調(diào)制技術(shù)是指在傳送過(guò)程中用不同的方法來(lái)表示所傳送的取樣信息，脈沖調(diào)制技術(shù)包括脈沖編碼調(diào)制（PCM）、脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖位置調(diào)制（PPM）、脈沖幅度調(diào)制（PAM）等，雖然各種各樣的技術(shù)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是用數(shù)字信號(hào)來(lái)表示模擬音頻信號(hào)，但是不同的技術(shù)在實(shí)踐中的性能和效率各不相同，這里介紹的脈沖寬度調(diào)制是指用脈沖的寬度來(lái)表示信號(hào)幅度。圖3表示的是一個(gè)4秒語(yǔ)音電路的PWM處理方式功能框圖。

圖3 語(yǔ)音的PWM處理模式功能框圖

在圖3中，語(yǔ)音合成與脈沖寬度調(diào)制PWM主要有四部分組成：擴(kuò)張器、計(jì)數(shù)器和比較器以及PWM驅(qū)動(dòng)器。原理描述如下：

語(yǔ)音代碼D<1：5>從ROM讀出后，首先經(jīng)過(guò)擴(kuò)張器處理，得到一組表征AUDIO低電平脈寬的量化值h<10：6>，然后h<10：6>與計(jì)數(shù)器的輸出t<4：0>進(jìn)行比較，就能在輸出端得到相應(yīng)脈寬的信號(hào)。AUDIO輸出口選擇信號(hào)h<11>從PWM控制寄存器輸出：h<11>=0，AUDIO從AUDP輸出；h<11>=1，AUDIO從AUDN輸出。由于量化單位為Tosc， 最大量化值為30Tosc，因此需要一個(gè)五級(jí)分頻的計(jì)數(shù)器，產(chǎn)生范圍為00H～1FH的t<4：0>。在一個(gè)Tosc內(nèi)，AUDIO輸出是高電平還是低電平由h<10：6>與計(jì)數(shù)器輸出t<4：0>比較得到。endprint

比較器的原理如下：若3個(gè)輸入中有2個(gè)或2個(gè)以上的“1”，則輸出為“1”；否則輸出為“0”。例如，h<10：6>=12，則AUDN的占空比就為12/32，并且這12個(gè)Tosc低電平是連續(xù)的。對(duì)于每一個(gè)語(yǔ)音代碼D<1：5>，都對(duì)應(yīng)有唯一的量化值h<10：6>，并且在32Tosc內(nèi)通過(guò)h<10：6>與t<4：0>的比較又能得到一個(gè)一定占空比的AUDIO脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制PWM。表1給出了語(yǔ)音代碼D<1：5>、量化值H<11：6>、計(jì)數(shù)器輸出值t<4：0>以及輸出端低電平的周期數(shù)，其中每一格代表一個(gè)單位脈寬，“*”表示此時(shí)AUDP為“0”。AUDN保持為“1”。

表1 PWM方式處理語(yǔ)音信號(hào)的相關(guān)參數(shù)值

4采用軟件編程模式處理語(yǔ)音信號(hào)

采用軟件編程模式實(shí)現(xiàn)聲音的產(chǎn)生也是一種有效的音頻信號(hào)處理模式，一般稱之為可編程聲音產(chǎn)生PSG（Programmable Sound Generator）。圖4是一個(gè)嵌入在4位微控制器中的PSG模塊。

圖4 一種典型的PSG模塊組成

針對(duì)圖4PSG模塊中的幾個(gè)比較重要的子模塊分析如下：

1）計(jì)數(shù)器

在圖4所示的模塊中有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，這兩個(gè)模塊原理相同，即用一組若干bit的移位寄存器（即偽隨機(jī)計(jì)數(shù)器）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入時(shí)鐘的分頻。以計(jì)數(shù)器1為例作分析。

計(jì)數(shù)器1由一個(gè)7-bit預(yù)置右移寄存器為主體構(gòu)成。當(dāng)執(zhí)行右移操作時(shí)，bit0？茌bit1后移入bit6，bit6～1則依次右移位，右移過(guò)程如下所示。

電路的工作過(guò)程如下：首先，使通道1使能信號(hào)為1，為計(jì)數(shù)器1提供時(shí)鐘，由于此時(shí)bit6～0都為“0”，使得置數(shù)信號(hào)為“1”，移位寄存器處于置數(shù)狀態(tài)，不斷掃描寄存器$18～$17；一旦對(duì)$18～$17寫入數(shù)據(jù)C1.6～1.0（對(duì)應(yīng)于bit0～6），并且C1.5～1.0不全為“0”，則在時(shí)鐘信號(hào)Q92的上升沿，C1.6～1.0被置入移位寄存器中，在時(shí)鐘信號(hào)Q92的下降沿對(duì)bit6～bit0進(jìn)行檢測(cè)：如果bit6～bit1全為“0”，則Q64為“1”，在下一個(gè)Q92的上升沿再次置數(shù)；否則Q64為“0”，bit6～bit0執(zhí)行一次右移操作。這樣Q64就是一個(gè)頻率為fQ92/N的周期信號(hào)（N=右移次數(shù)+1），即實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入時(shí)鐘的N分頻。對(duì)應(yīng)寄存器C1.6～C1.0或者寄存器C2.14～C2.8，計(jì)數(shù)器1的分頻N值如表2所示。

計(jì)數(shù)器2也是由一個(gè)7-bit移位寄存器構(gòu)成，bit0～bit6對(duì)應(yīng)于C2.14～C2.8。工作過(guò)程是：通道2使能信號(hào)為1；向$1C～$1B寫入C2.14～C2.8。C2.14～C2.8與N的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

2）包絡(luò)產(chǎn)生器

該模塊為Alarm模式提供包絡(luò)信號(hào)（載頻由通道1提供），電路基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)六級(jí)分頻器及一個(gè)四合一與非門輸出通道。工作原理：將64Hz的時(shí)鐘信號(hào)K6進(jìn)行64分頻，從中取出32Hz、8Hz、4Hz、1Hz的信號(hào)，通過(guò)一個(gè)由C2.3～C2.1控制的四合一輸出通道，得到包絡(luò)信號(hào)Q21。

3）混合器

該模塊將通道1和通道2混合，然后加上音量控制和時(shí)間跟隨，輸出聲音信號(hào)。

表2 PSG模式中不同寄存器的分頻N值

以上分析的PSG模塊可作多種用途，如聲音產(chǎn)生器、噪聲產(chǎn)生器、警報(bào)聲產(chǎn)生器以及遙控模塊等，音樂可從PSG端口輸出。

可編程的聲音是PSG的多種工作模式中的一種。這種語(yǔ)音信號(hào)處理模式跟傳統(tǒng)的硬件電路處理語(yǔ)音信號(hào)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）可以通過(guò)軟件選擇16種時(shí)鐘源作為PSG的時(shí)鐘，這樣對(duì)于各種聲音的產(chǎn)生在選擇時(shí)鐘源的時(shí)候提供了非常大的靈活性，因?yàn)閷?duì)于語(yǔ)音信號(hào)的處理時(shí)鐘源是非常重要的；

2）通道1和通道2的獨(dú)立頻率由寄存器C1.6～C1.0或者C2.14～2.8的值控制，也就是說(shuō)兩個(gè)通道可以獨(dú)立控制；并且每個(gè)寄存器有7位來(lái)控制頻率，語(yǔ)音芯片頻率的多樣性對(duì)于最終的效果有決定性作用；

3）音量控制寄存器可選擇音量大小，這跟傳統(tǒng)的語(yǔ)音芯片相比通過(guò)數(shù)字來(lái)調(diào)節(jié)音量，大大提高了音量控制的精細(xì)度，可以在編程過(guò)程中輕松修改音量控制寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)適合的音量；

4）壓縮比選擇可改變音樂的音調(diào)，這點(diǎn)也是非常重要的，往往不同的客戶、不同的應(yīng)用需要不同的音樂音調(diào)，通過(guò)改變壓縮比來(lái)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，再次體現(xiàn)了基于微控制器的語(yǔ)音芯片跟專用芯片相比的優(yōu)越性。

PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例：通道1和通道2使能信號(hào)為1，表示{通道1，通道2打開}，主振蕩頻率為OSCX=1.8M， PSG的時(shí)鐘頻率為該頻率的16分頻，為112KHz；開關(guān)時(shí)鐘頻率=28KHz，音量控制時(shí)鐘頻率為112KHz，則波形圖為：

圖5 PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了幾款量產(chǎn)的基于嵌入式MCU的音頻芯片。在這些語(yǔ)音芯片中嘗試了多種音頻信號(hào)處理模式，本文介紹了其中的三種，這三種模式各有特點(diǎn)，但非?？隙ǖ氖牵@幾種模式都充分利用了MCU靈活多變的特點(diǎn)，使得實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便，并且也很容易修改，從而降低了開發(fā)成本，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持一定的優(yōu)勢(shì)，因此基于MCU的音頻處理芯片不失為今后的一種發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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[6]希格碼微電子語(yǔ)音系列芯片產(chǎn)品說(shuō)明書.

作者簡(jiǎn)介：居水榮（1968-），男，漢族，江蘇蘇州人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，微電子碩士，主要研究方向?yàn)槟M集成電路以及大規(guī)模數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計(jì)。endprint

比較器的原理如下：若3個(gè)輸入中有2個(gè)或2個(gè)以上的“1”，則輸出為“1”；否則輸出為“0”。例如，h<10：6>=12，則AUDN的占空比就為12/32，并且這12個(gè)Tosc低電平是連續(xù)的。對(duì)于每一個(gè)語(yǔ)音代碼D<1：5>，都對(duì)應(yīng)有唯一的量化值h<10：6>，并且在32Tosc內(nèi)通過(guò)h<10：6>與t<4：0>的比較又能得到一個(gè)一定占空比的AUDIO脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制PWM。表1給出了語(yǔ)音代碼D<1：5>、量化值H<11：6>、計(jì)數(shù)器輸出值t<4：0>以及輸出端低電平的周期數(shù)，其中每一格代表一個(gè)單位脈寬，“*”表示此時(shí)AUDP為“0”。AUDN保持為“1”。

表1 PWM方式處理語(yǔ)音信號(hào)的相關(guān)參數(shù)值

4采用軟件編程模式處理語(yǔ)音信號(hào)

采用軟件編程模式實(shí)現(xiàn)聲音的產(chǎn)生也是一種有效的音頻信號(hào)處理模式，一般稱之為可編程聲音產(chǎn)生PSG（Programmable Sound Generator）。圖4是一個(gè)嵌入在4位微控制器中的PSG模塊。

圖4 一種典型的PSG模塊組成

針對(duì)圖4PSG模塊中的幾個(gè)比較重要的子模塊分析如下：

1）計(jì)數(shù)器

在圖4所示的模塊中有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，這兩個(gè)模塊原理相同，即用一組若干bit的移位寄存器（即偽隨機(jī)計(jì)數(shù)器）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入時(shí)鐘的分頻。以計(jì)數(shù)器1為例作分析。

計(jì)數(shù)器1由一個(gè)7-bit預(yù)置右移寄存器為主體構(gòu)成。當(dāng)執(zhí)行右移操作時(shí)，bit0？茌bit1后移入bit6，bit6～1則依次右移位，右移過(guò)程如下所示。

電路的工作過(guò)程如下：首先，使通道1使能信號(hào)為1，為計(jì)數(shù)器1提供時(shí)鐘，由于此時(shí)bit6～0都為“0”，使得置數(shù)信號(hào)為“1”，移位寄存器處于置數(shù)狀態(tài)，不斷掃描寄存器$18～$17；一旦對(duì)$18～$17寫入數(shù)據(jù)C1.6～1.0（對(duì)應(yīng)于bit0～6），并且C1.5～1.0不全為“0”，則在時(shí)鐘信號(hào)Q92的上升沿，C1.6～1.0被置入移位寄存器中，在時(shí)鐘信號(hào)Q92的下降沿對(duì)bit6～bit0進(jìn)行檢測(cè)：如果bit6～bit1全為“0”，則Q64為“1”，在下一個(gè)Q92的上升沿再次置數(shù)；否則Q64為“0”，bit6～bit0執(zhí)行一次右移操作。這樣Q64就是一個(gè)頻率為fQ92/N的周期信號(hào)（N=右移次數(shù)+1），即實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入時(shí)鐘的N分頻。對(duì)應(yīng)寄存器C1.6～C1.0或者寄存器C2.14～C2.8，計(jì)數(shù)器1的分頻N值如表2所示。

計(jì)數(shù)器2也是由一個(gè)7-bit移位寄存器構(gòu)成，bit0～bit6對(duì)應(yīng)于C2.14～C2.8。工作過(guò)程是：通道2使能信號(hào)為1；向$1C～$1B寫入C2.14～C2.8。C2.14～C2.8與N的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

2）包絡(luò)產(chǎn)生器

該模塊為Alarm模式提供包絡(luò)信號(hào)（載頻由通道1提供），電路基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)六級(jí)分頻器及一個(gè)四合一與非門輸出通道。工作原理：將64Hz的時(shí)鐘信號(hào)K6進(jìn)行64分頻，從中取出32Hz、8Hz、4Hz、1Hz的信號(hào)，通過(guò)一個(gè)由C2.3～C2.1控制的四合一輸出通道，得到包絡(luò)信號(hào)Q21。

3）混合器

該模塊將通道1和通道2混合，然后加上音量控制和時(shí)間跟隨，輸出聲音信號(hào)。

表2 PSG模式中不同寄存器的分頻N值

以上分析的PSG模塊可作多種用途，如聲音產(chǎn)生器、噪聲產(chǎn)生器、警報(bào)聲產(chǎn)生器以及遙控模塊等，音樂可從PSG端口輸出。

可編程的聲音是PSG的多種工作模式中的一種。這種語(yǔ)音信號(hào)處理模式跟傳統(tǒng)的硬件電路處理語(yǔ)音信號(hào)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）可以通過(guò)軟件選擇16種時(shí)鐘源作為PSG的時(shí)鐘，這樣對(duì)于各種聲音的產(chǎn)生在選擇時(shí)鐘源的時(shí)候提供了非常大的靈活性，因?yàn)閷?duì)于語(yǔ)音信號(hào)的處理時(shí)鐘源是非常重要的；

2）通道1和通道2的獨(dú)立頻率由寄存器C1.6～C1.0或者C2.14～2.8的值控制，也就是說(shuō)兩個(gè)通道可以獨(dú)立控制；并且每個(gè)寄存器有7位來(lái)控制頻率，語(yǔ)音芯片頻率的多樣性對(duì)于最終的效果有決定性作用；

3）音量控制寄存器可選擇音量大小，這跟傳統(tǒng)的語(yǔ)音芯片相比通過(guò)數(shù)字來(lái)調(diào)節(jié)音量，大大提高了音量控制的精細(xì)度，可以在編程過(guò)程中輕松修改音量控制寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)適合的音量；

4）壓縮比選擇可改變音樂的音調(diào)，這點(diǎn)也是非常重要的，往往不同的客戶、不同的應(yīng)用需要不同的音樂音調(diào)，通過(guò)改變壓縮比來(lái)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，再次體現(xiàn)了基于微控制器的語(yǔ)音芯片跟專用芯片相比的優(yōu)越性。

PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例：通道1和通道2使能信號(hào)為1，表示{通道1，通道2打開}，主振蕩頻率為OSCX=1.8M， PSG的時(shí)鐘頻率為該頻率的16分頻，為112KHz；開關(guān)時(shí)鐘頻率=28KHz，音量控制時(shí)鐘頻率為112KHz，則波形圖為：

圖5 PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了幾款量產(chǎn)的基于嵌入式MCU的音頻芯片。在這些語(yǔ)音芯片中嘗試了多種音頻信號(hào)處理模式，本文介紹了其中的三種，這三種模式各有特點(diǎn)，但非?？隙ǖ氖?，這幾種模式都充分利用了MCU靈活多變的特點(diǎn)，使得實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便，并且也很容易修改，從而降低了開發(fā)成本，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持一定的優(yōu)勢(shì)，因此基于MCU的音頻處理芯片不失為今后的一種發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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[6]希格碼微電子語(yǔ)音系列芯片產(chǎn)品說(shuō)明書.

作者簡(jiǎn)介：居水榮（1968-），男，漢族，江蘇蘇州人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，微電子碩士，主要研究方向?yàn)槟M集成電路以及大規(guī)模數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計(jì)。endprint

比較器的原理如下：若3個(gè)輸入中有2個(gè)或2個(gè)以上的“1”，則輸出為“1”；否則輸出為“0”。例如，h<10：6>=12，則AUDN的占空比就為12/32，并且這12個(gè)Tosc低電平是連續(xù)的。對(duì)于每一個(gè)語(yǔ)音代碼D<1：5>，都對(duì)應(yīng)有唯一的量化值h<10：6>，并且在32Tosc內(nèi)通過(guò)h<10：6>與t<4：0>的比較又能得到一個(gè)一定占空比的AUDIO脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制PWM。表1給出了語(yǔ)音代碼D<1：5>、量化值H<11：6>、計(jì)數(shù)器輸出值t<4：0>以及輸出端低電平的周期數(shù)，其中每一格代表一個(gè)單位脈寬，“*”表示此時(shí)AUDP為“0”。AUDN保持為“1”。

表1 PWM方式處理語(yǔ)音信號(hào)的相關(guān)參數(shù)值

4采用軟件編程模式處理語(yǔ)音信號(hào)

采用軟件編程模式實(shí)現(xiàn)聲音的產(chǎn)生也是一種有效的音頻信號(hào)處理模式，一般稱之為可編程聲音產(chǎn)生PSG（Programmable Sound Generator）。圖4是一個(gè)嵌入在4位微控制器中的PSG模塊。

圖4 一種典型的PSG模塊組成

針對(duì)圖4PSG模塊中的幾個(gè)比較重要的子模塊分析如下：

1）計(jì)數(shù)器

在圖4所示的模塊中有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，這兩個(gè)模塊原理相同，即用一組若干bit的移位寄存器（即偽隨機(jī)計(jì)數(shù)器）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入時(shí)鐘的分頻。以計(jì)數(shù)器1為例作分析。

計(jì)數(shù)器1由一個(gè)7-bit預(yù)置右移寄存器為主體構(gòu)成。當(dāng)執(zhí)行右移操作時(shí)，bit0？茌bit1后移入bit6，bit6～1則依次右移位，右移過(guò)程如下所示。

電路的工作過(guò)程如下：首先，使通道1使能信號(hào)為1，為計(jì)數(shù)器1提供時(shí)鐘，由于此時(shí)bit6～0都為“0”，使得置數(shù)信號(hào)為“1”，移位寄存器處于置數(shù)狀態(tài)，不斷掃描寄存器$18～$17；一旦對(duì)$18～$17寫入數(shù)據(jù)C1.6～1.0（對(duì)應(yīng)于bit0～6），并且C1.5～1.0不全為“0”，則在時(shí)鐘信號(hào)Q92的上升沿，C1.6～1.0被置入移位寄存器中，在時(shí)鐘信號(hào)Q92的下降沿對(duì)bit6～bit0進(jìn)行檢測(cè)：如果bit6～bit1全為“0”，則Q64為“1”，在下一個(gè)Q92的上升沿再次置數(shù)；否則Q64為“0”，bit6～bit0執(zhí)行一次右移操作。這樣Q64就是一個(gè)頻率為fQ92/N的周期信號(hào)（N=右移次數(shù)+1），即實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入時(shí)鐘的N分頻。對(duì)應(yīng)寄存器C1.6～C1.0或者寄存器C2.14～C2.8，計(jì)數(shù)器1的分頻N值如表2所示。

計(jì)數(shù)器2也是由一個(gè)7-bit移位寄存器構(gòu)成，bit0～bit6對(duì)應(yīng)于C2.14～C2.8。工作過(guò)程是：通道2使能信號(hào)為1；向$1C～$1B寫入C2.14～C2.8。C2.14～C2.8與N的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

2）包絡(luò)產(chǎn)生器

該模塊為Alarm模式提供包絡(luò)信號(hào)（載頻由通道1提供），電路基本結(jié)構(gòu)為一個(gè)六級(jí)分頻器及一個(gè)四合一與非門輸出通道。工作原理：將64Hz的時(shí)鐘信號(hào)K6進(jìn)行64分頻，從中取出32Hz、8Hz、4Hz、1Hz的信號(hào)，通過(guò)一個(gè)由C2.3～C2.1控制的四合一輸出通道，得到包絡(luò)信號(hào)Q21。

3）混合器

該模塊將通道1和通道2混合，然后加上音量控制和時(shí)間跟隨，輸出聲音信號(hào)。

表2 PSG模式中不同寄存器的分頻N值

以上分析的PSG模塊可作多種用途，如聲音產(chǎn)生器、噪聲產(chǎn)生器、警報(bào)聲產(chǎn)生器以及遙控模塊等，音樂可從PSG端口輸出。

可編程的聲音是PSG的多種工作模式中的一種。這種語(yǔ)音信號(hào)處理模式跟傳統(tǒng)的硬件電路處理語(yǔ)音信號(hào)相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）可以通過(guò)軟件選擇16種時(shí)鐘源作為PSG的時(shí)鐘，這樣對(duì)于各種聲音的產(chǎn)生在選擇時(shí)鐘源的時(shí)候提供了非常大的靈活性，因?yàn)閷?duì)于語(yǔ)音信號(hào)的處理時(shí)鐘源是非常重要的；

2）通道1和通道2的獨(dú)立頻率由寄存器C1.6～C1.0或者C2.14～2.8的值控制，也就是說(shuō)兩個(gè)通道可以獨(dú)立控制；并且每個(gè)寄存器有7位來(lái)控制頻率，語(yǔ)音芯片頻率的多樣性對(duì)于最終的效果有決定性作用；

3）音量控制寄存器可選擇音量大小，這跟傳統(tǒng)的語(yǔ)音芯片相比通過(guò)數(shù)字來(lái)調(diào)節(jié)音量，大大提高了音量控制的精細(xì)度，可以在編程過(guò)程中輕松修改音量控制寄存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)適合的音量；

4）壓縮比選擇可改變音樂的音調(diào)，這點(diǎn)也是非常重要的，往往不同的客戶、不同的應(yīng)用需要不同的音樂音調(diào)，通過(guò)改變壓縮比來(lái)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)，再次體現(xiàn)了基于微控制器的語(yǔ)音芯片跟專用芯片相比的優(yōu)越性。

PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例：通道1和通道2使能信號(hào)為1，表示{通道1，通道2打開}，主振蕩頻率為OSCX=1.8M， PSG的時(shí)鐘頻率為該頻率的16分頻，為112KHz；開關(guān)時(shí)鐘頻率=28KHz，音量控制時(shí)鐘頻率為112KHz，則波形圖為：

圖5 PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了幾款量產(chǎn)的基于嵌入式MCU的音頻芯片。在這些語(yǔ)音芯片中嘗試了多種音頻信號(hào)處理模式，本文介紹了其中的三種，這三種模式各有特點(diǎn)，但非?？隙ǖ氖?，這幾種模式都充分利用了MCU靈活多變的特點(diǎn)，使得實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便，并且也很容易修改，從而降低了開發(fā)成本，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持一定的優(yōu)勢(shì)，因此基于MCU的音頻處理芯片不失為今后的一種發(fā)展方向。

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[6]希格碼微電子語(yǔ)音系列芯片產(chǎn)品說(shuō)明書.

作者簡(jiǎn)介：居水榮（1968-），男，漢族，江蘇蘇州人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，微電子碩士，主要研究方向?yàn)槟M集成電路以及大規(guī)模數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計(jì)。endprint