基于嵌入式MCU的音頻芯片信號處理模式

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、費用低等特點，快速地開發(fā)出滿足市場需求且費用較低的音頻產(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

國內(nèi)音頻芯片技術(shù)發(fā)展有相當(dāng)長的時間了，但目前的語音芯片以專用芯片為主，通常把語音內(nèi)容放在一個大容量的存儲器中，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類領(lǐng)域，因此大部分研究者把重點放在了降低芯片成本方面。這種構(gòu)架的語音芯片存在一些缺點。首先使用不方便，聲音編曲不靈活；因為成為專用芯片后，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；其次開發(fā)時間會延長，因為芯片設(shè)計、加工等都有一個周期；第三會增加開發(fā)費用，除了芯片的設(shè)計費用，還有芯片的加工等。

為了克服以上缺點，基于微控制器的音頻芯片成為一種新的趨勢，這得益于近年來微控制器技術(shù)的不斷發(fā)展。微控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，芯片的功能等都可以采用軟件來進(jìn)行重新設(shè)計；而近年來出現(xiàn)的存儲器更新?lián)Q代技術(shù)為音頻芯片的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計提供了可能，從掩膜存儲器（MASK ROM）到電除存儲器（EEPROM），再到閃爍存儲器（FLASH），可以大大縮短開發(fā)時間，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音頻信號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要求較高的語音領(lǐng)域；而針對噪聲、警報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)生的模式來處理這一類音頻信號。本文對這幾種音頻處理模式的原理、實現(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。

2 采用DAC模式處理語音信號

采用DAC模式的音頻芯片通常提供以電流型DA作為語音和單音曲調(diào)輸出模式，可以直接驅(qū)動晶體管；除此之外，還提供了音調(diào)輸出，可以直接驅(qū)動蜂鳴器，這兩種模式共用一個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不用時應(yīng)該關(guān)斷它。音調(diào)輸出是一個全幅（VDD和VSS）信號，它的頻率源是定時器進(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，即通過數(shù)據(jù)總線，將預(yù)先設(shè)置在只讀存儲器（ROM）中的數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)寄存器，然后在控制信號作用下讀出，用來控制其它邏輯，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)處于語音/單音曲調(diào)模式時，$1E的值對輸出AUD的影響，而右邊一部分則表示當(dāng)處于音調(diào)模式時，$1E的值對輸出AUD的影響。

為了更清楚地說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、語音（Speech）模式、單音曲調(diào)（Melody）模式，下面將對這三種方式依次進(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)，這時最后一級倒向器的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，并且對于d<6：1>的某一個值，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>，并且對于d<5：1>的某一個值，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)動模式相比性能優(yōu)越的地方。

3 采用PWM模式處理語音信號

所謂調(diào)制技術(shù)是為了傳輸和存儲數(shù)字信號而將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法。對數(shù)字音頻信號進(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)是指在傳送過程中用不同的方法來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)上來說都是用數(shù)字信號來表示模擬音頻信號，但是不同的技術(shù)在實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表示信號幅度。圖3表示的是一個4秒語音電路的PWM處理方式功能框圖。

圖3 語音的PWM處理模式功能框圖

在圖3中，語音合成與脈沖寬度調(diào)制PWM主要有四部分組成：擴張器、計數(shù)器和比較器以及PWM驅(qū)動器。原理描述如下：

語音代碼D<1：5>從ROM讀出后，首先經(jīng)過擴張器處理，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。AUDIO輸出口選擇信號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，因此需要一個五級分頻的計數(shù)器，產(chǎn)生范圍為00H～1FH的t<4：0>。在一個Tosc內(nèi)，AUDIO輸出是高電平還是低電平由h<10：6>與計數(shù)器輸出t<4：0>比較得到。endprint

比較器的原理如下：若3個輸入中有2個或2個以上的“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Tosc低電平是連續(xù)的。對于每一個語音代碼D<1：5>，都對應(yīng)有唯一的量化值h<10：6>，并且在32Tosc內(nèi)通過h<10：6>與t<4：0>的比較又能得到一個一定占空比的AUDIO脈沖，從而實現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制PWM。表1給出了語音代碼D<1：5>、量化值H<11：6>、計數(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單位脈寬，“*”表示此時AUDP為“0”。AUDN保持為“1”。

表1 PWM方式處理語音信號的相關(guān)參數(shù)值

4采用軟件編程模式處理語音信號

采用軟件編程模式實現(xiàn)聲音的產(chǎn)生也是一種有效的音頻信號處理模式，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

針對圖4PSG模塊中的幾個比較重要的子模塊分析如下：

1）計數(shù)器

在圖4所示的模塊中有兩個計數(shù)器，這兩個模塊原理相同，即用一組若干bit的移位寄存器（即偽隨機計數(shù)器）來實現(xiàn)對輸入時鐘的分頻。以計數(shù)器1為例作分析。

計數(shù)器1由一個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，bit0？茌bit1后移入bit6，bit6～1則依次右移位，右移過程如下所示。

電路的工作過程如下：首先，使通道1使能信號為1，為計數(shù)器1提供時鐘，由于此時bit6～0都為“0”，使得置數(shù)信號為“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$18～$17寫入數(shù)據(jù)C1.6～1.0（對應(yīng)于bit0～6），并且C1.5～1.0不全為“0”，則在時鐘信號Q92的上升沿，C1.6～1.0被置入移位寄存器中，在時鐘信號Q92的下降沿對bit6～bit0進(jìn)行檢測：如果bit6～bit1全為“0”，則Q64為“1”，在下一個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就是一個頻率為fQ92/N的周期信號（N=右移次數(shù)+1），即實現(xiàn)了對輸入時鐘的N分頻。對應(yīng)寄存器C1.6～C1.0或者寄存器C2.14～C2.8，計數(shù)器1的分頻N值如表2所示。

計數(shù)器2也是由一個7-bit移位寄存器構(gòu)成，bit0～bit6對應(yīng)于C2.14～C2.8。工作過程是：通道2使能信號為1；向$1C～$1B寫入C2.14～C2.8。C2.14～C2.8與N的對應(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（載頻由通道1提供），電路基本結(jié)構(gòu)為一個六級分頻器及一個四合一與非門輸出通道。工作原理：將64Hz的時鐘信號K6進(jìn)行64分頻，從中取出32Hz、8Hz、4Hz、1Hz的信號，通過一個由C2.3～C2.1控制的四合一輸出通道，得到包絡(luò)信號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間跟隨，輸出聲音信號。

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。這種語音信號處理模式跟傳統(tǒng)的硬件電路處理語音信號相比有以下幾個優(yōu)點：

1）可以通過軟件選擇16種時鐘源作為PSG的時鐘，這樣對于各種聲音的產(chǎn)生在選擇時鐘源的時候提供了非常大的靈活性，因為對于語音信號的處理時鐘源是非常重要的；

2）通道1和通道2的獨立頻率由寄存器C1.6～C1.0或者C2.14～2.8的值控制，也就是說兩個通道可以獨立控制；并且每個寄存器有7位來控制頻率，語音芯片頻率的多樣性對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)的語音芯片相比通過數(shù)字來調(diào)節(jié)音量，大大提高了音量控制的精細(xì)度，可以在編程過程中輕松修改音量控制寄存器的值來實現(xiàn)適合的音量；

4）壓縮比選擇可改變音樂的音調(diào)，這點也是非常重要的，往往不同的客戶、不同的應(yīng)用需要不同的音樂音調(diào)，通過改變壓縮比來簡單的實現(xiàn)，再次體現(xiàn)了基于微控制器的語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使能信號為1，表示{通道1，通道2打開}，主振蕩頻率為OSCX=1.8M， PSG的時鐘頻率為該頻率的16分頻，為112KHz；開關(guān)時鐘頻率=28KHz，音量控制時鐘頻率為112KHz，則波形圖為：

圖5 PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例

5結(jié)束語

本文介紹了幾款量產(chǎn)的基于嵌入式MCU的音頻芯片。在這些語音芯片中嘗試了多種音頻信號處理模式，本文介紹了其中的三種，這三種模式各有特點，但非?？隙ǖ氖?，這幾種模式都充分利用了MCU靈活多變的特點，使得實現(xiàn)起來非常方便，并且也很容易修改，從而降低了開發(fā)成本，在激烈的市場競爭中保持一定的優(yōu)勢，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)

[1]Ken C. Pohomann著. 蘇菲譯. 數(shù)字音頻原理與應(yīng)用[M]. 北京. 電子工業(yè)出版社， 2002年. P25～75.

[2]居水榮等. 一種基于PWM的語音合成電路[J]. 半導(dǎo)體技術(shù). 2002年；27（1）：P9～15.

[3]居水榮. 一種采用RISC構(gòu)架的4位微控制器[J]. 微電子技術(shù). 2003；32（2）：P14～20.

[4]竇振中. PIC系列單片機原理和程序設(shè)計[M]. 北京. 北京航空航天大學(xué)出版社，2000年. P68～90.

[5]居水榮 王效. 單片微控制器的功能集成方向（三）[J]. 微電子技術(shù). 2002；30（3）：P6～12.

[6]希格碼微電子語音系列芯片產(chǎn)品說明書.

作者簡介：居水榮（1968-），男，漢族，江蘇蘇州人，研究員級高級工程師，微電子碩士，主要研究方向為模擬集成電路以及大規(guī)模數(shù)模混合集成電路的設(shè)計。endprint

比較器的原理如下：若3個輸入中有2個或2個以上的“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Tosc低電平是連續(xù)的。對于每一個語音代碼D<1：5>，都對應(yīng)有唯一的量化值h<10：6>，并且在32Tosc內(nèi)通過h<10：6>與t<4：0>的比較又能得到一個一定占空比的AUDIO脈沖，從而實現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制PWM。表1給出了語音代碼D<1：5>、量化值H<11：6>、計數(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單位脈寬，“*”表示此時AUDP為“0”。AUDN保持為“1”。

表1 PWM方式處理語音信號的相關(guān)參數(shù)值

4采用軟件編程模式處理語音信號

采用軟件編程模式實現(xiàn)聲音的產(chǎn)生也是一種有效的音頻信號處理模式，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

針對圖4PSG模塊中的幾個比較重要的子模塊分析如下：

1）計數(shù)器

在圖4所示的模塊中有兩個計數(shù)器，這兩個模塊原理相同，即用一組若干bit的移位寄存器（即偽隨機計數(shù)器）來實現(xiàn)對輸入時鐘的分頻。以計數(shù)器1為例作分析。

計數(shù)器1由一個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，bit0？茌bit1后移入bit6，bit6～1則依次右移位，右移過程如下所示。

電路的工作過程如下：首先，使通道1使能信號為1，為計數(shù)器1提供時鐘，由于此時bit6～0都為“0”，使得置數(shù)信號為“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$18～$17寫入數(shù)據(jù)C1.6～1.0（對應(yīng)于bit0～6），并且C1.5～1.0不全為“0”，則在時鐘信號Q92的上升沿，C1.6～1.0被置入移位寄存器中，在時鐘信號Q92的下降沿對bit6～bit0進(jìn)行檢測：如果bit6～bit1全為“0”，則Q64為“1”，在下一個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就是一個頻率為fQ92/N的周期信號（N=右移次數(shù)+1），即實現(xiàn)了對輸入時鐘的N分頻。對應(yīng)寄存器C1.6～C1.0或者寄存器C2.14～C2.8，計數(shù)器1的分頻N值如表2所示。

計數(shù)器2也是由一個7-bit移位寄存器構(gòu)成，bit0～bit6對應(yīng)于C2.14～C2.8。工作過程是：通道2使能信號為1；向$1C～$1B寫入C2.14～C2.8。C2.14～C2.8與N的對應(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（載頻由通道1提供），電路基本結(jié)構(gòu)為一個六級分頻器及一個四合一與非門輸出通道。工作原理：將64Hz的時鐘信號K6進(jìn)行64分頻，從中取出32Hz、8Hz、4Hz、1Hz的信號，通過一個由C2.3～C2.1控制的四合一輸出通道，得到包絡(luò)信號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間跟隨，輸出聲音信號。

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。這種語音信號處理模式跟傳統(tǒng)的硬件電路處理語音信號相比有以下幾個優(yōu)點：

1）可以通過軟件選擇16種時鐘源作為PSG的時鐘，這樣對于各種聲音的產(chǎn)生在選擇時鐘源的時候提供了非常大的靈活性，因為對于語音信號的處理時鐘源是非常重要的；

2）通道1和通道2的獨立頻率由寄存器C1.6～C1.0或者C2.14～2.8的值控制，也就是說兩個通道可以獨立控制；并且每個寄存器有7位來控制頻率，語音芯片頻率的多樣性對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)的語音芯片相比通過數(shù)字來調(diào)節(jié)音量，大大提高了音量控制的精細(xì)度，可以在編程過程中輕松修改音量控制寄存器的值來實現(xiàn)適合的音量；

4）壓縮比選擇可改變音樂的音調(diào)，這點也是非常重要的，往往不同的客戶、不同的應(yīng)用需要不同的音樂音調(diào)，通過改變壓縮比來簡單的實現(xiàn)，再次體現(xiàn)了基于微控制器的語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使能信號為1，表示{通道1，通道2打開}，主振蕩頻率為OSCX=1.8M， PSG的時鐘頻率為該頻率的16分頻，為112KHz；開關(guān)時鐘頻率=28KHz，音量控制時鐘頻率為112KHz，則波形圖為：

圖5 PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例

5結(jié)束語

本文介紹了幾款量產(chǎn)的基于嵌入式MCU的音頻芯片。在這些語音芯片中嘗試了多種音頻信號處理模式，本文介紹了其中的三種，這三種模式各有特點，但非常肯定的是，這幾種模式都充分利用了MCU靈活多變的特點，使得實現(xiàn)起來非常方便，并且也很容易修改，從而降低了開發(fā)成本，在激烈的市場競爭中保持一定的優(yōu)勢，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)

[1]Ken C. Pohomann著. 蘇菲譯. 數(shù)字音頻原理與應(yīng)用[M]. 北京. 電子工業(yè)出版社， 2002年. P25～75.

[2]居水榮等. 一種基于PWM的語音合成電路[J]. 半導(dǎo)體技術(shù). 2002年；27（1）：P9～15.

[3]居水榮. 一種采用RISC構(gòu)架的4位微控制器[J]. 微電子技術(shù). 2003；32（2）：P14～20.

[4]竇振中. PIC系列單片機原理和程序設(shè)計[M]. 北京. 北京航空航天大學(xué)出版社，2000年. P68～90.

[5]居水榮 王效. 單片微控制器的功能集成方向（三）[J]. 微電子技術(shù). 2002；30（3）：P6～12.

[6]希格碼微電子語音系列芯片產(chǎn)品說明書.

作者簡介：居水榮（1968-），男，漢族，江蘇蘇州人，研究員級高級工程師，微電子碩士，主要研究方向為模擬集成電路以及大規(guī)模數(shù)?；旌霞呻娐返脑O(shè)計。endprint

比較器的原理如下：若3個輸入中有2個或2個以上的“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Tosc低電平是連續(xù)的。對于每一個語音代碼D<1：5>，都對應(yīng)有唯一的量化值h<10：6>，并且在32Tosc內(nèi)通過h<10：6>與t<4：0>的比較又能得到一個一定占空比的AUDIO脈沖，從而實現(xiàn)了脈沖寬度調(diào)制PWM。表1給出了語音代碼D<1：5>、量化值H<11：6>、計數(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單位脈寬，“*”表示此時AUDP為“0”。AUDN保持為“1”。

表1 PWM方式處理語音信號的相關(guān)參數(shù)值

4采用軟件編程模式處理語音信號

采用軟件編程模式實現(xiàn)聲音的產(chǎn)生也是一種有效的音頻信號處理模式，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

針對圖4PSG模塊中的幾個比較重要的子模塊分析如下：

1）計數(shù)器

在圖4所示的模塊中有兩個計數(shù)器，這兩個模塊原理相同，即用一組若干bit的移位寄存器（即偽隨機計數(shù)器）來實現(xiàn)對輸入時鐘的分頻。以計數(shù)器1為例作分析。

計數(shù)器1由一個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，bit0？茌bit1后移入bit6，bit6～1則依次右移位，右移過程如下所示。

電路的工作過程如下：首先，使通道1使能信號為1，為計數(shù)器1提供時鐘，由于此時bit6～0都為“0”，使得置數(shù)信號為“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$18～$17寫入數(shù)據(jù)C1.6～1.0（對應(yīng)于bit0～6），并且C1.5～1.0不全為“0”，則在時鐘信號Q92的上升沿，C1.6～1.0被置入移位寄存器中，在時鐘信號Q92的下降沿對bit6～bit0進(jìn)行檢測：如果bit6～bit1全為“0”，則Q64為“1”，在下一個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就是一個頻率為fQ92/N的周期信號（N=右移次數(shù)+1），即實現(xiàn)了對輸入時鐘的N分頻。對應(yīng)寄存器C1.6～C1.0或者寄存器C2.14～C2.8，計數(shù)器1的分頻N值如表2所示。

計數(shù)器2也是由一個7-bit移位寄存器構(gòu)成，bit0～bit6對應(yīng)于C2.14～C2.8。工作過程是：通道2使能信號為1；向$1C～$1B寫入C2.14～C2.8。C2.14～C2.8與N的對應(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（載頻由通道1提供），電路基本結(jié)構(gòu)為一個六級分頻器及一個四合一與非門輸出通道。工作原理：將64Hz的時鐘信號K6進(jìn)行64分頻，從中取出32Hz、8Hz、4Hz、1Hz的信號，通過一個由C2.3～C2.1控制的四合一輸出通道，得到包絡(luò)信號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間跟隨，輸出聲音信號。

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。這種語音信號處理模式跟傳統(tǒng)的硬件電路處理語音信號相比有以下幾個優(yōu)點：

1）可以通過軟件選擇16種時鐘源作為PSG的時鐘，這樣對于各種聲音的產(chǎn)生在選擇時鐘源的時候提供了非常大的靈活性，因為對于語音信號的處理時鐘源是非常重要的；

2）通道1和通道2的獨立頻率由寄存器C1.6～C1.0或者C2.14～2.8的值控制，也就是說兩個通道可以獨立控制；并且每個寄存器有7位來控制頻率，語音芯片頻率的多樣性對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)的語音芯片相比通過數(shù)字來調(diào)節(jié)音量，大大提高了音量控制的精細(xì)度，可以在編程過程中輕松修改音量控制寄存器的值來實現(xiàn)適合的音量；

4）壓縮比選擇可改變音樂的音調(diào)，這點也是非常重要的，往往不同的客戶、不同的應(yīng)用需要不同的音樂音調(diào)，通過改變壓縮比來簡單的實現(xiàn)，再次體現(xiàn)了基于微控制器的語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使能信號為1，表示{通道1，通道2打開}，主振蕩頻率為OSCX=1.8M， PSG的時鐘頻率為該頻率的16分頻，為112KHz；開關(guān)時鐘頻率=28KHz，音量控制時鐘頻率為112KHz，則波形圖為：

圖5 PSG模塊產(chǎn)生聲音舉例

5結(jié)束語

本文介紹了幾款量產(chǎn)的基于嵌入式MCU的音頻芯片。在這些語音芯片中嘗試了多種音頻信號處理模式，本文介紹了其中的三種，這三種模式各有特點，但非?？隙ǖ氖牵@幾種模式都充分利用了MCU靈活多變的特點，使得實現(xiàn)起來非常方便，并且也很容易修改，從而降低了開發(fā)成本，在激烈的市場競爭中保持一定的優(yōu)勢，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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作者簡介：居水榮（1968-），男，漢族，江蘇蘇州人，研究員級高級工程師，微電子碩士，主要研究方向為模擬集成電路以及大規(guī)模數(shù)模混合集成電路的設(shè)計。endprint