基于單片機的8×4數(shù)字語音混音矩陣模塊設計

羅純哲，李探元

（91245部隊，遼寧 葫蘆島 125001）

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。

圖1 總體設計框圖

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。

圖2 電源轉(zhuǎn)換單元原理圖

2.2 輸入緩沖單元

為了滿足單片機A/D口要求，需要對輸入的語音信號進行隔離和電平轉(zhuǎn)換。圖3為輸入緩沖單元電路原理圖。電路采用NE5532低噪聲運放輔以阻容等元件構(gòu)成單電源射級跟隨器，圖中C1為隔直電容，R1、R2為運放IC1A的偏置電阻，使運放正輸入端偏置于2.5 V，保證運放在單電源下正常工作，同時將輸入的交流語音信號基準參考電平平移到2.5 V，滿足單片機A/D的需要。

圖3 輸入緩沖單元電路原理圖

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。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換單元電路原理圖

3 軟件設計

STC12C5A60S2單片機軟件在Keil集成開發(fā)環(huán)境下，采用匯編語言對其編程，目標代碼利用STC提供的ISP下載工具STC-ISP.EXE通過串口下載到單片機，下載和調(diào)試非常方便。

3.1 主程序模塊

主程序模塊主要完成單片機和模塊的初始化，程序流程如圖5所示。

3.2 T0中斷服務程序模塊

中斷周期為 125 μs，主要完成 8路語音信號采樣（頻率為8 kHz）、每路參與混音的語音信號的動態(tài)靜噪及4路數(shù)字混音計算和輸出功能，程序流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 T0中斷服務程序流程圖

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。

3.2.3 數(shù)字混音算法

在權重系數(shù)混音算法思想基礎上采用如下混音模型公式：

其中：Volk（t）為 t時刻第k路輸入語音的音量大小，為所有路輸入語音的音量大小的平均值，f為控制聲音不失真的平滑衰減因子，是動態(tài)改變的值，其初始值為 1/n，n為輸入語音的總路數(shù)[2]。隨著時間 t的變化，在混音過程中會出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，為了減少溢出引入的噪聲，將衰減因子平滑地減小，使音頻數(shù)據(jù)衰減后處于值域以內(nèi)，當沒有溢出時，衰減因子隨步長慢慢增大，為了在盡量保持數(shù)據(jù)的平滑變化和混音效率中間達到平衡，通常將步長取為（1/n-f）/16，既能使整體聲強不至于衰減太快，又能保證較小的失真度[4]。

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。

圖7 串口中斷服務程序流程圖

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。

[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 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.