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(jī)和4通道并行D/A轉(zhuǎn)換芯片,。給出了模塊軟硬件設(shè)計(jì)方案,，討論了模塊實(shí)現(xiàn)中的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),。
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(duì)下級(jí)用戶送來的多路語音信號(hào)進(jìn)行混音處理,，傳統(tǒng)方法采用矩陣和集成運(yùn)放求和電路實(shí)現(xiàn),，存在硬件組成復(fù)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(jī)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(gè)8×4數(shù)字語音混音矩陣硬件,，通過軟件實(shí)現(xiàn)了8路語音信號(hào)的4路混音輸出和動(dòng)態(tài)靜噪功能,，具有混音功能設(shè)置靈活、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn),。
1 總體設(shè)計(jì)方案
　總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,，單片機(jī)STC12C5A60S2為控制核心，通過串口接受混音狀態(tài)設(shè)置,，通過A/D轉(zhuǎn)換口對(duì)8路輸入緩沖器輸出的語音信號(hào)進(jìn)行采樣,，計(jì)算每路輸入語音信號(hào)平均電壓，并與靜噪閾值進(jìn)行比較后,，實(shí)時(shí)改寫混音開關(guān)狀態(tài)字實(shí)現(xiàn)混音輸出動(dòng)態(tài)靜噪功能,，并根據(jù)改寫后的實(shí)際混音開關(guān)狀態(tài)字進(jìn)行數(shù)字混音計(jì)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(hào),。

2 硬件設(shè)計(jì)
　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(shè)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(jī)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(jìn)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(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)STC12C5A60S2,，該單片機(jī)是高速,、低功耗,、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī),，但速度提高8~12倍[1],。最高工作頻率可達(dá)35 MHz,，具有44個(gè)I/O口,，每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)20 mA，內(nèi)部還集成有MAX810專用復(fù)位電路,，512B EEPROM,，1 280 B RAM,，60 KB程序存儲(chǔ)器，2路PWM,，8路10位高速A/D（250 kS/s）,，主要針對(duì)電機(jī)控制等強(qiáng)干擾應(yīng)用[3]。另外還具有ISP（在系統(tǒng)可編程）/IPA（在應(yīng)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(jī)采用外部晶體振蕩器，頻率為24 MHz,，通過單片機(jī)串口2接受混音狀態(tài)設(shè)置,，8路語音信號(hào)通過P1.0~P1.7口輸入到單片機(jī)進(jìn)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(hào),。
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(shè)有控制邏輯單元,、4個(gè)并行D/A轉(zhuǎn)換器和輸出緩沖器[2]。本方案中,，單片機(jī)與TLC7226連接如圖4所示,。

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

3.2.4軟件時(shí)間開銷估算
　A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間開銷：STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器模塊使用內(nèi)部RC振蕩器時(shí)鐘,，5 V單片機(jī)內(nèi)部RC振蕩器時(shí)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(gè)時(shí)鐘周期，所以每路A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間為：5.3~8.2 μs,，8路A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間為：42.4~65.6 μs,。
　其他時(shí)間開銷：STC12C5A60S2單片機(jī)采用24 MHz外部石英晶體時(shí)，執(zhí)行1條單周期指令所需時(shí)間為0.042 μs,，采樣值處理,、動(dòng)態(tài)靜噪控制、數(shù)字混音計(jì)算及D/A輸出控制總計(jì)約1 000條單周期指令,，其他時(shí)間開銷總計(jì)約：0.042 μs×1 000=42 μs,。
　最大時(shí)間開銷總計(jì)：65.6 μs+42 μs=107.6 μs＜125 μs。
3.3 串口通信模塊
　串口2設(shè)置為工作模式3,，模塊作為從機(jī)與控制主機(jī)進(jìn)行通信,，模塊地址通過4位撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，模塊主要完成接收和保存4路混音狀態(tài)設(shè)置字,，程序流程圖如圖7所示,。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)制作了模塊PCB板,，并編制相關(guān)軟件進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn),。通過電腦模擬控制主機(jī)與模塊進(jìn)行主從通信，發(fā)送4字節(jié)混音設(shè)置狀態(tài)字,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，按照預(yù)定協(xié)議能夠進(jìn)行可靠通信,，可以正確地完成4路混音輸入狀態(tài)設(shè)置。
　在動(dòng)態(tài)靜噪控制時(shí),，在每路語音信號(hào)平均電壓（RMS值）與靜噪門限進(jìn)行比較后,，改變混音開關(guān)狀態(tài)時(shí)需要一定的時(shí)間延遲。當(dāng)語音信號(hào)在超過門限電平到混音開關(guān)閉合要有一定的延時(shí)Th,。Th太長會(huì)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(huì)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(dāng)語音信號(hào)在低于門限電平到混音開關(guān)斷開也要有一定的延時(shí)Tb,。由于語音信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，講話時(shí)又隨著語氣的變化而起伏停頓,，因此Tb太短會(huì)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(shí)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(shí)驗(yàn)，4路混音輸出每路均能夠正確地按照預(yù)設(shè)狀態(tài)字從8路語音輸入中選擇指定語音信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)靜噪功能,，驗(yàn)證了混音算法和動(dòng)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(shè)計(jì)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)的8×4數(shù)字語音混音矩陣方案,，并制作實(shí)物進(jìn)行了調(diào)試和驗(yàn)證,。驗(yàn)證結(jié)果表明：方案設(shè)計(jì)合理可行，研制的模塊實(shí)物體積小,、成本低,，具有硬件電路簡單、抗干擾能力強(qiáng),、混音功能設(shè)置靈活,、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的性價(jià)比和實(shí)用價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
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[2] TEXAS INSTRUMENTS.TLC7226C Quadruple 8-bit Digital-TO-Analog Converters Data Sheet.SLAS060F-January 1995-Revised April,，2007.
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