肖娟 張志強(qiáng)

【摘要】設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32的實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)。硬件模塊通過放大、除雜完成將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成處理器能夠進(jìn)行高效處理的有效數(shù)字信號(hào)，軟件部分主要涉及到TIM配合ADC采樣數(shù)據(jù)并通過DMA傳輸，SRAM存儲(chǔ)語音信號(hào)通過FSMC與STM32連通，按鍵控制輸出選擇模式，DAC經(jīng)過DMA將信號(hào)傳輸。

【關(guān)鍵詞】實(shí)時(shí)語音;STM32;數(shù)字信號(hào);存儲(chǔ)

引言

聲音信號(hào)在人類的社會(huì)生活中普遍存在，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，語音處理系統(tǒng)在人們的生活中應(yīng)用越來越廣泛，處理方法也越來越多樣化。

設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32F103ZET6的實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)。硬件模塊通過放大、除雜完成將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成處理器能夠進(jìn)行高效處理的有效數(shù)字信號(hào)，軟件部分主要涉及到TIM配合ADC采樣數(shù)據(jù)并通過DMA傳輸，SRAM存儲(chǔ)語音信號(hào)通過FSMC與STM32連通，按鍵控制輸出選擇模式，DAC經(jīng)過DMA將信號(hào)傳輸。

1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為三大模塊：信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)輸出。信號(hào)采集模塊包括聲電轉(zhuǎn)換、信號(hào)濾波與放大模塊;信號(hào)處理模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)存儲(chǔ)、按鍵控制模塊;信號(hào)輸出模塊包括數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.硬件設(shè)計(jì)

本語音處理系統(tǒng)的硬件模塊包括：語音輸入模塊、音頻放大模塊、濾波模塊和功率放大模塊。

2.1 語音輸入模塊

駐極體的輸出線有兩根：一般用藍(lán)色塑線表示源級(jí)S，用紅色塑料線和連接金屬外殼的屏蔽線表示漏極D。語音輸入電路圖如圖2所示。

圖2 語音輸入電路圖 ? ? ? ? ? ? 圖3 音頻放大電路圖

2.2 音頻放大模塊

本設(shè)計(jì)的音頻放大模塊選用LM386。 音頻放大的電路原理圖如圖3所示，本設(shè)計(jì)中由于駐極體出來的電壓是毫伏級(jí)別，單片機(jī)處理的最高電壓是3.3V，可通過電位器來調(diào)節(jié)從駐極體輸入過來的電壓值，放大倍數(shù)大致設(shè)為約為38倍，計(jì)算方法如：

2.3 除雜濾波模塊

本設(shè)計(jì)采集的聲音頻率范圍是200Hz到3000Hz，采用低通濾波和高通濾波電路來濾除雜波信號(hào)，為了更好的濾掉3KHz以外的高頻保留3KHz以內(nèi)的低頻信號(hào)，采用二階有源低通濾波電路。為使信號(hào)在低頻段以更快速率下降，采用一階有源高通濾波電路，濾波電路如圖4所示。

圖4 濾波模塊電路圖 ? ? ? ? ?圖5 抬壓電路圖

2.4 抬壓電路

聲音信號(hào)經(jīng)過放大濾波后變?yōu)榧儍舻男盘?hào)送至控制芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，但是開發(fā)板只能接受正的電壓信號(hào)，負(fù)電壓信號(hào)會(huì)對(duì)開發(fā)板造成不可逆的影響，同時(shí)為了使聲音實(shí)現(xiàn)不失真的儲(chǔ)存，需將聲音信號(hào)中的幅信號(hào)抬高至零參考電壓以上才送入處理器處理，電路原理圖如圖5所示。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分包括以下幾個(gè)模塊：信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換、語音信號(hào)的存儲(chǔ)、按鍵對(duì)存儲(chǔ)語音的控制。其中信號(hào)的采集是指控制器將經(jīng)過放大濾波后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);語音信號(hào)的存儲(chǔ)是指將通過端口采集到的語音數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到SRAM中，需要播放的時(shí)候輸出播放;涉及到CPU的內(nèi)部資源的存儲(chǔ)、ADC、TIMER、DMA、FSMC等模塊。

3.1 初始化設(shè)置

STM32上電復(fù)位結(jié)束后，首先要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化。

RCC_AHBPeriphClockCmd（RCC_AHBPeriph_DMA1|

RCC_AHBPeriph_DMA2|RCC_AHBPeriph_FSMC， ENABLE）;

RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOF|

RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO|

|RCC_APB2Periph_ADC1|RCC_APB2Periph_GPIOC，ENABLE）;

RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM6|RCC_APB1Periph_DAC|RCC_APB1Periph_TIM3|RCC_APB2Periph_AFIO，ENABLE）;

}

3.2 A/D軟件設(shè)計(jì)

為了頻段獲得優(yōu)良的音頻輸出，A/D的采樣頻率設(shè)置為40KHz，使用定時(shí)器進(jìn)行配合輸出，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間到了產(chǎn)生中斷，從而讓ADC采集一次數(shù)據(jù)。主要程序如下：

void ADC_Config（void）

{

RCC_ADCCLKConfig（RCC_PCLK2_Div6）;

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE;

//打開掃描模式

.......

ADC_Cmd（ADC1， ENABLE）;//開啟ADC1

ADC_ResetCalibration（ADC1）;

while（ADC_GetResetCalibrationStatus（ADC1））; //等待重新校準(zhǔn)完成

ADC_StartCalibration（ADC1）;//開始校準(zhǔn)

while（ADC_GetCalibrationStatus（ADC1））;//等待校準(zhǔn)完成

ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;

}

3.3 定時(shí)器軟件設(shè)計(jì)

定時(shí)器控制準(zhǔn)確的時(shí)間來產(chǎn)生中斷控制DMA將ADC采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。本設(shè)計(jì)選用的是通用定時(shí)器TIM3，它是16位的計(jì)數(shù)器可向上、向下、向上/向下自動(dòng)裝載。具有16位可編程預(yù)分頻器，分頻系數(shù)為1～65536之間任意數(shù)值。當(dāng)計(jì)數(shù)器向上或向下溢出時(shí)就會(huì)產(chǎn)生DMA請求。

void TIM3_Configuration（void）

{

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 900;//自動(dòng)重裝載的值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=0; ? ? ? ?//預(yù)分頻系數(shù)

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision= 0x0;//不設(shè)置時(shí)鐘分割

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseInit（TIM3，&TIM_TimeBaseStructure）;

TIM_Cmd（TIM3，ENABLE）;//定時(shí)使能

TIM_ITConfig（TIM3，TIM_IT_Update，ENABLE）; ?//定時(shí)中斷使能

}

3.4 DAC軟件設(shè)計(jì)

DAC轉(zhuǎn)換可以由某外部事件觸發(fā)，本設(shè)計(jì)選擇TIM6的TRGO事件。每次DAC接口偵測到來自選中的定時(shí)器TRGO輸出，則最近存放在數(shù)據(jù)寄存器DAC_DHRx中的數(shù)據(jù)就會(huì)被傳送到數(shù)據(jù)輸出寄存器DAC_DORx中。

void DAC_Config（void）

{

TIM_PrescalerConfig（TIM6， 0x0， TIM_PSCReloadMode_Update）;//預(yù)分頻值為1

TIM_SetAutoreload（TIM6，900）;//自動(dòng)重裝載值900

TIM_SelectOutputTrigger（TIM6， TIM_TRGOSource_Update）;

//使用更新時(shí)間觸發(fā)

DAC_InitStructure.DAC_Trigger= DAC_Trigger_T6_TRGO;

//DAC觸發(fā)方式為T6觸發(fā)

DAC_InitStructure.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;

DAC_InitStructure.DAC_OutputBuffer = DAC_OutputBuffer_Disable;//不使用輸出緩存

DAC_Init（DAC_Channel_1， &DAC_InitStructure）;//初始化DAC

}

3.5 FSMC模塊設(shè)計(jì)

FSMC（Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）是STM32系列采用的一種新型的存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)。在外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需要，通過設(shè)置相應(yīng)的時(shí)序，數(shù)據(jù)位數(shù)等，可以很方便地與存儲(chǔ)器傳輸。具體程序代碼略。

3.6 按鍵控制設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用SW1、SW2、SW3三個(gè)按鍵進(jìn)行控制。按下SW1時(shí)開始將語音信號(hào)存儲(chǔ)至SRAM中;按下SW2時(shí)播放存儲(chǔ)在SRAM中的語音信號(hào);按下SW3時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)語音播放。程序有幾個(gè)分支需要進(jìn)行判斷。第一種情況是從存儲(chǔ)器讀出標(biāo)志位未置1，此時(shí)只進(jìn)行實(shí)時(shí)語音播放。第二種情況按下存儲(chǔ)按鍵時(shí)，語音依然播放，并且通過函數(shù)FSMC_SRAM_WriteBuffer（Escalator8bit，write_read_addr++，1）;進(jìn)行存儲(chǔ)。第三種情況按下播放按鍵時(shí)通過函數(shù)FSMC_SRAM_ReadBuffer（Escalator8bit， write_read_addr++，1）;將存儲(chǔ)在SRAM中的數(shù)據(jù)讀出。第四種情況存儲(chǔ)超過范圍時(shí)將不再進(jìn)行存儲(chǔ)。第五種情況播放超出范圍時(shí)繼續(xù)重首地址播放。

具體程序代碼略。

4.結(jié)語

設(shè)計(jì)一個(gè)基于STM32F103ZET6的實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到對(duì)語音信號(hào)的采集與不失真的輸出，同時(shí)還可以對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行一定量的存儲(chǔ)。結(jié)果表明，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，并用于實(shí)際項(xiàng)目中。

參考文獻(xiàn)

[1]易克初等.語音信號(hào)處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[2]蔡蓮紅等.現(xiàn)代語音技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[3]齊子元等.一種實(shí)時(shí)語音信號(hào)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，9：105-107.

[4]吳明暉等.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[5]譚浩強(qiáng)等.C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[6]Brian W.Kernighan.The C Programming Language[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[7]Andrew Koenig.Expert C Programming[M].北京：人民郵電出版社，2008.

作者簡介：

肖娟（1975—），女，湖南常寧人，碩士，講師，現(xiàn)供職于武漢輕工大學(xué)金銀湖校區(qū)電氣與電子工程學(xué)院，主要研究方向：信息傳輸與處理。

張志強(qiáng)（1992—），男，湖北黃石人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于武漢輕工大學(xué)金銀湖校區(qū)電氣與電子工程學(xué)院，主要研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。