《電子技術(shù)應用》
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基于單片機的8×4數(shù)字語音混音矩陣模塊設計
來源:微型機與應用2013年第11期
羅純哲,李探元
(91245部隊,遼寧 葫蘆島 125001)
摘要: 提出了一種8×4數(shù)字語音混音矩陣模塊方案。模塊基于STC12C5A60S2單片機和4通道并行D/A轉(zhuǎn)換芯片。給出了模塊軟硬件設計方案,討論了模塊實現(xiàn)中的設計難點。實際驗證結(jié)果表明達到了預期設計目標。
Abstract:
Key words :

摘  要: 提出了一種8×4數(shù)字語音混音矩陣模塊方案。模塊基于STC12C5A60S2單片機和4通道并行D/A轉(zhuǎn)換芯片。給出了模塊軟硬件設計方案,討論了模塊實現(xiàn)中的設計難點。實際驗證結(jié)果表明達到了預期設計目標。
關(guān)鍵詞: 數(shù)字混音音頻電平;閾值

 在有線語音指揮調(diào)度系統(tǒng)中根據(jù)需要對下級用戶送來的多路語音信號進行混音處理,傳統(tǒng)方法采用矩陣和集成運放求和電路實現(xiàn),存在硬件組成復雜、占用安裝空間大、抗干擾能力和可靠性差等不足。本方案以宏晶公司生產(chǎn)的新型1T高速單片機STC12C5A60S2為核心,利用片內(nèi)豐富的A/D資源和輔助的4通道并行D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了一個8×4數(shù)字語音混音矩陣硬件,通過軟件實現(xiàn)了8路語音信號的4路混音輸出和動態(tài)靜噪功能,具有混音功能設置靈活、調(diào)試方便等優(yōu)點。
1 總體設計方案
 總體設計框圖如圖1所示,單片機STC12C5A60S2為控制核心,通過串口接受混音狀態(tài)設置,通過A/D轉(zhuǎn)換口對8路輸入緩沖器輸出的語音信號進行采樣,計算每路輸入語音信號平均電壓,并與靜噪閾值進行比較后,實時改寫混音開關(guān)狀態(tài)字實現(xiàn)混音輸出動態(tài)靜噪功能,并根據(jù)改寫后的實際混音開關(guān)狀態(tài)字進行數(shù)字混音計算后,通過并行總線控制的D/A轉(zhuǎn)換器輸出4路混音信號。

2 硬件設計
 模塊硬件組成主要包括:電源、輸入緩沖單元、微控制器、D/A轉(zhuǎn)換及濾波單元、模塊地址設置單元等。
2.1 電源轉(zhuǎn)換單元
 電源轉(zhuǎn)換單元電路原理圖如圖2所示。外部輸入的12 V直流電源,通過AMS公司高性能、低功耗AMS1117線性穩(wěn)壓電源模塊轉(zhuǎn)換為+5 V直流電源,做為單片機A/D轉(zhuǎn)換器和外加D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓,并增加輸入輸出高頻濾波電路,使輸出紋波電壓進一步減小,電壓輸出幅度穩(wěn)定,滿足模塊供電要求。

2.3 微控制器單元
 微控制器采用宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機STC12C5A60S2,該單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機,但速度提高8~12倍[1]。最高工作頻率可達35 MHz,具有44個I/O口,每個I/O口驅(qū)動能力均可達20 mA,內(nèi)部還集成有MAX810專用復位電路,512B EEPROM,1 280 B RAM,60 KB程序存儲器,2路PWM,8路10位高速A/D(250 kS/s),主要針對電機控制等強干擾應用[3]。另外還具有ISP(在系統(tǒng)可編程)/IPA(在應用可編程)功能,無需專用編程器和仿真器,可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序,方便軟件下載和調(diào)試。
 本方案中,STC12C5A60S2單片機采用外部晶體振蕩器,頻率為24 MHz,通過單片機串口2接受混音狀態(tài)設置,8路語音信號通過P1.0~P1.7口輸入到單片機進行A/D轉(zhuǎn)換;混音處理后的數(shù)字量通過并行總線送給TLC7226 D/A轉(zhuǎn)換器,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出4路混音信號。
2.4 D/A轉(zhuǎn)換單元
 D/A轉(zhuǎn)換單元采用TI公司生產(chǎn)的TLC7226CDW電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器,TLC7226采用CMOS工藝,內(nèi)部設有控制邏輯單元、4個并行D/A轉(zhuǎn)換器和輸出緩沖器[2]。本方案中,單片機與TLC7226連接如圖4所示。

 

 

3.2.1 動態(tài)靜噪原理
 計算在極短時間內(nèi)采樣值的平均值與靜噪門限進行比較,在門限值之下的信號認為是噪聲,不參與混音計算,在門限值之上的信號則認為是語音信號,參與混音計算,這時雖然噪聲和語音一起混音后輸出,但由于聲音的屏蔽效應,噪聲可以忽略[3],從而實現(xiàn)混音動態(tài)靜噪功能。
3.2.2 采樣值處理
 語音信號電壓采樣頻率為8 kHz,為了實現(xiàn)混音動態(tài)靜噪功能,通過計算在極短時間內(nèi)語音信號電壓所有采樣值的平均值來表征語音信號的強弱。由于采樣時間極短,人耳感覺不到時間差異。如將采樣時間t取為4 ms,采樣點數(shù)N=0.004×8 000=32。

3.2.4軟件時間開銷估算
 A/D轉(zhuǎn)換時間開銷:STC12C5A60S2單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器模塊使用內(nèi)部RC振蕩器時鐘,5 V單片機內(nèi)部RC振蕩器時鐘頻率常溫下為11~17 MHz,A/D轉(zhuǎn)換器最快轉(zhuǎn)換速度為90個時鐘周期,所以每路A/D轉(zhuǎn)換所需時間為:5.3~8.2 μs,8路A/D轉(zhuǎn)換所需時間為:42.4~65.6 μs。
 其他時間開銷:STC12C5A60S2單片機采用24 MHz外部石英晶體時,執(zhí)行1條單周期指令所需時間為0.042 μs,采樣值處理、動態(tài)靜噪控制、數(shù)字混音計算及D/A輸出控制總計約1 000條單周期指令,其他時間開銷總計約:0.042 μs×1 000=42 μs。
 最大時間開銷總計:65.6 μs+42 μs=107.6 μs<125 μs。
3.3 串口通信模塊
 串口2設置為工作模式3,模塊作為從機與控制主機進行通信,模塊地址通過4位撥碼開關(guān)進行設置,模塊主要完成接收和保存4路混音狀態(tài)設置字,程序流程圖如圖7所示。

4 實驗結(jié)果與結(jié)論
 為了驗證設計方案,設計制作了模塊PCB板,并編制相關(guān)軟件進行了調(diào)試和實驗。通過電腦模擬控制主機與模塊進行主從通信,發(fā)送4字節(jié)混音設置狀態(tài)字,實驗結(jié)果表明,按照預定協(xié)議能夠進行可靠通信,可以正確地完成4路混音輸入狀態(tài)設置。
 在動態(tài)靜噪控制時,在每路語音信號平均電壓(RMS值)與靜噪門限進行比較后,改變混音開關(guān)狀態(tài)時需要一定的時間延遲。當語音信號在超過門限電平到混音開關(guān)閉合要有一定的延時Th。Th太長會造成語音的起始音素被切除,但Th太短,任何幅度超過靜噪門限值的突發(fā)短暫干擾都會立刻打開混音開關(guān)并將這一干擾混音后輸出,破壞靜音效果,為了盡可能地吸收這類干擾又不至于造成起始音素丟失,Th可在0.5~4 ms之間選擇。當語音信號在低于門限電平到混音開關(guān)斷開也要有一定的延時Tb。由于語音信號動態(tài)范圍大,講話時又隨著語氣的變化而起伏停頓,因此Tb太短會造成語音的斷續(xù),影響語音混音質(zhì)量。Tb太長,則語音停頓時噪聲拖尾,同樣影響混音質(zhì)量。為了兼顧這兩方面,Tb值可在0.5~2 s之間選取。
 通過調(diào)試和實驗,4路混音輸出每路均能夠正確地按照預設狀態(tài)字從8路語音輸入中選擇指定語音信號進行混音后輸出,取得了滿意的混音效果,而且每路混音輸入在混音過程中均能實現(xiàn)動態(tài)靜噪功能,驗證了混音算法和動態(tài)靜噪控制的正確性。
 本文根據(jù)某有線語音指揮調(diào)度系統(tǒng)研制需要,設計了一種基于STC12C5A60S2單片機的8×4數(shù)字語音混音矩陣方案,并制作實物進行了調(diào)試和驗證。驗證結(jié)果表明:方案設計合理可行,研制的模塊實物體積小、成本低,具有硬件電路簡單、抗干擾能力強、混音功能設置靈活、調(diào)試方便等優(yōu)點,具有較高的性價比和實用價值。
參考文獻
[1] STC12C5A60S2中文手冊完全版.STC官方網(wǎng)站:WWW.STCMCU.COM.
[2] TEXAS INSTRUMENTS.TLC7226C Quadruple 8-bit Digital-TO-Analog Converters Data Sheet.SLAS060F-January 1995-Revised April,2007.
[3] 丁光亮,楚紀正,王琦.數(shù)字信號音頻電平的算法研究[J].通信技術(shù)2010(7):150-153.
[4] 黃梅,宏玫,盧揚,等.數(shù)字混音模型的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計2010,31(16):3625-3626.

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