基于STM32的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔡昌毅

摘要：隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，人們相互之間的溝通交流方式有了翻天覆地的變化，從過(guò)去的以固定電話作為遠(yuǎn)距離溝通的主要形式，逐漸轉(zhuǎn)化為以移動(dòng)設(shè)備無(wú)線通信作為日常生活的主要溝通方式，代表著無(wú)線語(yǔ)音傳輸技術(shù)的不斷進(jìn)步。為了進(jìn)一步探究基于STM32芯片的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)，文章從STM32芯片的特點(diǎn)和無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的含義入手，詳細(xì)分析了基于STM32芯片的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路和大體結(jié)構(gòu)，對(duì)該無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類(lèi)闡述，展現(xiàn)了基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：STM32芯片；無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)；語(yǔ)音信息采集

中圖分類(lèi)號(hào)：TN912文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言作為當(dāng)前人們使用頻率最高，用途最為廣泛的溝通方式，語(yǔ)音交流在人們的生活中扮演著重要的角色，為人們的生活提供了巨大的便利，也讓人與人之間的溝通比過(guò)去更加具有效率。傳統(tǒng)語(yǔ)音交流大部分屬于有線語(yǔ)音，依靠固定的設(shè)備和賬號(hào)進(jìn)行溝通，隨著無(wú)線語(yǔ)音傳輸技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線語(yǔ)音逐漸代替了傳統(tǒng)的有線語(yǔ)音，擺脫了電線的束縛，讓溝通變得更加高效和便捷。現(xiàn)代社會(huì)從來(lái)都沒(méi)有停止過(guò)對(duì)無(wú)線語(yǔ)音傳輸技術(shù)的發(fā)展，為了給人們提供更加舒適的溝通體驗(yàn)，使用STM32芯片構(gòu)建起來(lái)的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來(lái)，不僅滿足了人們的日常溝通需要，也使無(wú)線語(yǔ)音傳輸在其他特定場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。

1STM32芯片的特點(diǎn)STM32芯片是STMicroelectronics集團(tuán)推出的高端芯片家族系列，包含眾多型號(hào)的芯片，主要分為基本型STM32芯片和增強(qiáng)型STM32芯片，主要是為了應(yīng)對(duì)不同的用途和性能需要?；拘蚐TM32芯片主要包括STM32F101R6、STM32F101C8、STM32F101R8、STM32F101V8等6種芯片，增強(qiáng)型芯片則主要包括STM32F103V8、STM32F103RB、STM32F103VB、STM32F103VE等7種芯片，STM32芯片系列以其優(yōu)秀的能耗比和工作效率，受到了廣大電子生產(chǎn)設(shè)備廠家的喜愛(ài)。本文中應(yīng)用于無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)構(gòu)建的STM32系列芯片，主要采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控制器，這種芯片應(yīng)用于無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)具備低功耗、低造價(jià)、低噪聲、高效率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建起到了重要的作用。

2無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)是在移動(dòng)通信技術(shù)不斷完善基礎(chǔ)上出現(xiàn)的，雖然現(xiàn)在通過(guò)移動(dòng)電話進(jìn)行溝通已經(jīng)成為絕大部分人在大多數(shù)環(huán)境中進(jìn)行溝通的形式，但是在很多情境下，移動(dòng)電話設(shè)備并不能完全滿足人們的溝通需求，例如：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)存在阻礙，周?chē)鄙僖苿?dòng)信號(hào)基站的情況下，還有當(dāng)人們處于特定場(chǎng)合需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行屏蔽但又不得不進(jìn)行非面對(duì)面溝通的情況下，移動(dòng)設(shè)備就失去了自身的功能［1］。在此基礎(chǔ)上，無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)解決了這一問(wèn)題，無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)相對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，溝通的距離有一定的限制。無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的溝通有移動(dòng)設(shè)備無(wú)法具備的優(yōu)勢(shì)：（1）無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)不需要建造信號(hào)基站，即便是在環(huán)境惡劣，沒(méi)有信號(hào)的條件下，依靠無(wú)線通信設(shè)備和無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)，在一定距離內(nèi)的人也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的溝通和交流。（2）無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)不需要付出額外的流量費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)用，極大地節(jié)約了成本。（3）無(wú)線語(yǔ)音傳輸設(shè)備具有反應(yīng)快、效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能夠廣泛適用于各種需要迅速做出反應(yīng)和溝通的場(chǎng)合。在當(dāng)前的社會(huì)場(chǎng)景中，無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)在外交翻譯、安保溝通、野外探險(xiǎn)、科學(xué)考察等方面發(fā)揮著重要的作用。

3基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)3.1無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路基于STM32芯片構(gòu)建起來(lái)的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)是當(dāng)前社會(huì)上接受程度較高、應(yīng)用范圍較大的一種系統(tǒng)。利用STM32芯片的優(yōu)勢(shì)，這種無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)能夠極大地降低傳統(tǒng)無(wú)線語(yǔ)音傳輸中的噪聲，增強(qiáng)音頻信號(hào)的接收和傳遞。在基于STM32芯片的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建中，其總體設(shè)計(jì)方案是通過(guò)STM32F103RCT6單片機(jī)作為主控制芯片，利用nRF24L01模塊作為無(wú)線通信的模塊，將各種結(jié)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)與基于VS1003B芯片構(gòu)建的語(yǔ)音處理模塊組合。基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件應(yīng)用設(shè)計(jì)以層次化和模塊化作為主要的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)特定的方法，將不同的模塊與無(wú)線語(yǔ)音傳輸進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)了不同模塊的封裝函數(shù)，達(dá)到了點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等不同形式的無(wú)線語(yǔ)音傳輸目標(biāo)，共同構(gòu)建了無(wú)線通信鏈路。

3.2無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)在具體結(jié)構(gòu)上主要分為硬件結(jié)構(gòu)和軟件應(yīng)用結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

硬件結(jié)構(gòu)主要分為語(yǔ)音信息采集系統(tǒng)、語(yǔ)音信息傳輸系統(tǒng)和語(yǔ)音信號(hào)輸出系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)主要分為ADC的采樣、DMA傳輸和DAC轉(zhuǎn)換。若按照不同模塊進(jìn)行相關(guān)分類(lèi)，硬件結(jié)構(gòu)主要分為主控制器模塊、復(fù)位電路模塊、電源模塊、無(wú)線通信模塊、語(yǔ)音編解碼模塊等，軟件結(jié)構(gòu)分為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)主要軟件模塊、系統(tǒng)模塊初始化、通信鏈路、無(wú)線語(yǔ)音收發(fā)、頻率切換等［2］。

4基于STM32芯片的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)4.1無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1.1語(yǔ)音信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)音信息采集系統(tǒng)是基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)中的第一個(gè)系統(tǒng)，承擔(dān)著有效接收音頻信號(hào)，降低語(yǔ)音丟包率，確保無(wú)線語(yǔ)音傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)的重要責(zé)任。當(dāng)前基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)一般能夠保證有效的語(yǔ)音傳輸距離達(dá)到80m，超過(guò)80m則會(huì)增加語(yǔ)音的丟包率和失敗率。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的測(cè)算和試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠在50m范圍內(nèi)將語(yǔ)音信號(hào)丟包率控制在15%，成功率控制在87%以上。語(yǔ)音信息采集系統(tǒng)是整個(gè)無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線語(yǔ)音傳輸?shù)母颈ＷC。本系統(tǒng)語(yǔ)音信息采集電路包括語(yǔ)音采集模塊和一個(gè)前置放大器模塊［3］。語(yǔ)音采集模塊使用的是微型的前置束音麥克風(fēng)，對(duì)一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行收集和整理，通過(guò)前置放大器模塊進(jìn)行放大。本系統(tǒng)中的前置放大器模塊使用的是MAX9812L硬件電路。這種硬件電路能夠?qū)崟r(shí)對(duì)電壓信號(hào)實(shí)行放大，實(shí)現(xiàn)完整語(yǔ)音信號(hào)的接收和采集?；赟TM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)中語(yǔ)音信息采集模塊的具體電路如圖2所示。

4.1.2語(yǔ)音信息傳輸電路的設(shè)計(jì)語(yǔ)音信息傳輸電路是基于語(yǔ)音信息采集電路發(fā)揮作用而構(gòu)建的，對(duì)語(yǔ)音信息采集電路采集進(jìn)來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析、整理、傳輸?shù)闹醒胂到y(tǒng)，是整個(gè)無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。本文基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)在語(yǔ)音信息傳輸模塊的構(gòu)建中使用的是NRF24L01芯片。這種芯片的優(yōu)勢(shì)在于實(shí)效性高、工作效率高、能耗少，能夠快速地實(shí)現(xiàn)多種形式，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)面等不同情況下的語(yǔ)音信號(hào)傳輸，利用這種芯片構(gòu)建的語(yǔ)音信息傳輸模塊能夠用簡(jiǎn)單的操作實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，在工作模式和信號(hào)發(fā)送形式的轉(zhuǎn)換方面比其他的芯片簡(jiǎn)單，避免了傳統(tǒng)芯片需要更改硬件設(shè)置的弊端［4］。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的試驗(yàn)，采用NRF24L01芯片，可以高效率地在兩個(gè)主控板之間實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信息傳輸。這種語(yǔ)音信息傳輸?shù)那逦仁指撸谕獠吭肼暤挠绊懴?，能夠顯著降低底噪和環(huán)境噪聲的影響，這主要?dú)w功于不壓縮的語(yǔ)音信號(hào)傳輸。

4.1.3語(yǔ)音信號(hào)輸出播放模塊的設(shè)計(jì)有效地對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行接收和采集，經(jīng)由放大器和語(yǔ)音信號(hào)傳輸模塊進(jìn)行輸送，通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)輸出模塊進(jìn)行播放。雖然語(yǔ)音信號(hào)收集模塊和傳輸模塊是整個(gè)無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵，但是直觀展現(xiàn)是由語(yǔ)音播放模塊進(jìn)行的。一個(gè)無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)是否能夠在不同場(chǎng)合應(yīng)用，要看播放的效果。本文基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)，在語(yǔ)音信號(hào)輸出模塊的構(gòu)建方面主要依靠中央處理器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。整體來(lái)講，語(yǔ)音輸出播放模塊是通過(guò)CPU中央處理器和模擬語(yǔ)音信號(hào)放大器共同組成的。CPU中央處理器由STM32系列芯片擔(dān)任，在模擬放大器的組件上，主要是基于LM386芯片模塊進(jìn)行構(gòu)建。這種語(yǔ)音信號(hào)模擬放大器能夠通過(guò)揚(yáng)聲器將聲音信號(hào)清晰地發(fā)出，實(shí)現(xiàn)整個(gè)無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的完整功能［5］。

4.2無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)在軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上主要分為ADC的采樣、DMA傳輸和DAC轉(zhuǎn)換。

4.2.1ADC的采樣設(shè)計(jì)ADC的采樣設(shè)計(jì)主要是語(yǔ)音信息的采集循環(huán)，在ADC模塊進(jìn)行采樣工作時(shí)，需要整個(gè)無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)共同配合完成，要配置無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的管腳，從而在一定頻率上設(shè)定語(yǔ)音信號(hào)的采集頻道，完成DMA的時(shí)鐘初始化，在這一系列準(zhǔn)備工作結(jié)束之后，才能夠盤(pán)點(diǎn)ADC采樣系統(tǒng)是否能夠正常進(jìn)行采樣工作。在采樣工作進(jìn)行時(shí)，DMA模塊會(huì)將采集到的語(yǔ)音信息進(jìn)行發(fā)送，再進(jìn)入準(zhǔn)備工作，由此完成語(yǔ)音信息采集工作的完整循環(huán)。

4.2.2DMA傳輸模塊的設(shè)計(jì)DMA模塊主要是用來(lái)對(duì)ADC系統(tǒng)采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行接收、放大和傳送的軟件模塊，基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)在進(jìn)行DMA信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中可以不占用CPU中央處理器的資源，降低了CPU的工作負(fù)擔(dān)，還能夠在一定程度上提升無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的工作效率。利用DMA傳輸模塊進(jìn)行工作，能夠快速對(duì)采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寄存，防止由于各種原因出現(xiàn)的語(yǔ)音信號(hào)丟包導(dǎo)致的語(yǔ)音傳輸不完整，這種形式大大提高了無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的容錯(cuò)率。

4.2.3DAC轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)DAC轉(zhuǎn)換模塊本質(zhì)上屬于一種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，將DMA模塊傳輸回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化編程放大，實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，最終完成整個(gè)無(wú)線語(yǔ)音傳輸?shù)难h(huán)。本系統(tǒng)采用的DAC轉(zhuǎn)換模塊是12位的數(shù)字輸入模塊，整體上采用了兩個(gè)同樣的轉(zhuǎn)換器，對(duì)應(yīng)不同的通道，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換和播放，從數(shù)據(jù)寄存器上傳送語(yǔ)音信號(hào)，最終形成語(yǔ)音信號(hào)的轉(zhuǎn)換和播放［6］。

5結(jié)語(yǔ)基于STM32芯片構(gòu)建的無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)具有成本低、便捷度高、高效率的優(yōu)勢(shì)，在會(huì)議記錄、消防、探險(xiǎn)等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，無(wú)線語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)在未來(lái)必將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越大的作用，其工作領(lǐng)域也會(huì)伴隨著技術(shù)的發(fā)展不斷擴(kuò)展。

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（編輯 王永超）

Design and implementation of wireless voice transmission system based on STM32Cai? Changyi

（Unit 91917， Beijing 102401， China）Abstract： With the continuous development and improvement of mobile communication technology， the way of communication between people has been earth-shaking changes， from the past to the fixed telephone as the main form of long-distance communication， gradually transformed to the mobile device wireless communication as the main way of communication in daily life， representing the continuous progress of wireless voice transmission technology. In order to further explore the construction and implementation of wireless voice transmission system based on STM32 chip， this paper starts with the characteristics of STM32 chip and the meaning of wireless voice transmission system， and analyzes the overall design idea and general structure of wireless voice transmission system based on STM32 chip in detail. The hardware and software structure of the wireless voice transmission system are classified and described， and the realization of the wireless voice transmission system based on STM32 chip is presented.

Key words： STM32 chip; wireless voice transmission system; voice information collection