隨著嵌入式領域的拓展,，目前許多微控制器芯片一般都不具備數(shù)據(jù)一模擬的雙向通道,，但幾乎都集成有PWM產(chǎn)生模塊。本文利用飛思卡爾公司HCSl2單片機的PWM模塊,，還原存儲在存儲器中的聲音采樣數(shù)據(jù),，在幾乎不增加成本的情況下，實現(xiàn)嵌入式應用中的擴展語音功能,。
HCSl2系列單片機未包含數(shù)／模轉換的模塊,。要給其擴展語音功能，通常的做法是增加一塊數(shù)／模轉換芯片,。雖然這樣做可以得到非常好的音質(取決于數(shù)／模轉換芯片的性能),，但由于耍多使用一塊數(shù)／模轉換芯片，在對音質要求不太高的應用中,，會給設計增加額外的成本,，同時也使電路設計相對復雜。
本文介紹利用PWM還原聲音的解決方案,，可以很好地解決這個矛盾,。例如安全報警應用中，系統(tǒng)通常已經(jīng)包含了一塊微控制器(用來處理人機交互以及系統(tǒng)的控制等),，當發(fā)出警報時,，可以是“BB”或“當當”的蜂鳴聲；當然,，更好的做法是發(fā)出清晰的語音,。
用PWM產(chǎn)生聲音的基本原理，是使用存儲在Flash中的音頻采樣數(shù)據(jù)或通過某種算法產(chǎn)生的聲音數(shù)據(jù),，來控制PWM每個波形的占空比,；接下來通過一低通濾波器濾波，就可將聲音從PWM的脈沖波里分離出來,，驅動揚聲器發(fā)出聲音,。
1 從WAV文件中提取聲音采樣數(shù)據(jù)
一般來說，可以從WAV文件中提取聲音數(shù)據(jù),，標準的WAV格式的聲音文件含有聲音的采樣數(shù)據(jù)和文件頭,。文件頭描述了后面聲音數(shù)據(jù)的一些信息，如通道數(shù),、采樣頻率,、采樣位數(shù)以及數(shù)據(jù)的長度等,。
通道數(shù)，是指聲音的采樣路數(shù),，如單聲道,、立體聲等。采樣頻率,，是指每秒鐘對聲音的采樣次數(shù),，采樣頻率越高，還原出來的聲音越接近原始聲音,，如表l所列,。要精確還原出某種頻率的波形，其最小采樣率應為該波形的2倍,。
采樣位數(shù),，指的是每次采樣的采樣精度。采樣位數(shù)越高,，還原出來的聲音的量化噪聲越小,，波形也越接近原波形。WAV文件的文件頭定義：
提取聲音數(shù)據(jù)時,，請注意采樣頻率,、采樣位數(shù)、存儲容量與存儲時間的關系,，如表2所列,。通常，11．025 kHz的采樣頻率和8位的采樣位數(shù)可獲得清晰的語音以及較好的音樂聲,，并且占有較少的存儲空間,。
通過了解和分析WAV文件的格式，可以將文件中的聲音采樣數(shù)據(jù)讀取出來,，并轉換為C語言格式的數(shù)組結構,，以便和其他程序一并編譯和下載到芯片中去。例如：
2 產(chǎn)生PWM波形
要還原聲音,，最低要求是HCSl2系列微控制器具備一個PWM模塊,，芯片選擇的另一個細節(jié)是要有足夠的Flash存儲容量，來存儲聲音的采樣數(shù)據(jù),。MC9S12DP256具有一個16位的PWM模塊．可產(chǎn)生16位解析精度的PWM波形,，這意味著nr以使用16位的采樣數(shù)據(jù)來產(chǎn)生PWM。MC9S12DP256還具備256 KB的Flash,，能夠存儲23 78 s八位11．025 kHz的采樣數(shù)據(jù),。
產(chǎn)生PWM波形的步驟：
①設置定時器．產(chǎn)生定時中斷：如采樣率為ll.025 kHz．則設置定時器的定時中斷頻率為11.025 kHz,。
?、诔跏蓟疨WM模塊,，產(chǎn)生11．025kHz的PWM波形。
?、鄣却〞r器中斷，在中斷處理程序中取采樣數(shù)據(jù),，并設置PWM占空比寄存器,，判斷聲音是否播放完成。若完成,，則關定時器巾斷,，并停止PWM輸出。
3 低通濾波
PWM輸出后須通過低通濾波器濾波,，才能還原成人耳能識別的聲音,。低通濾波器的類型和參數(shù)取決于聲音的采樣頻率和價格預算。最簡單的要數(shù)RC濾波器,。這種濾波器的優(yōu)點是儀需要兩個元件,，另一種是有源濾波器，濾波效果好,，但相對復雜,。
濾波器截止頻率的選擇，對于音頻輸出是非常重要的,，推薦設置在采樣頻率的一半,。若要獲得更佳的濾波器截止頻率，就要進一步對采樣數(shù)據(jù)進行分析,，找出最大具有有效聲音數(shù)據(jù)的頻率,。當然，在一般應用中并沒有要求這么嚴格,，甚至在某些場合中,，即使用參數(shù)不非常明確的元件也能獲得很好的聲音輸出，這時RC濾波器將是最好的選擇,。
推薦使用圖1所示的濾波器,，其截止頻率為5．5 kHz(11．025 kHz／2)。這個設計中,，使用了2個運算放大器,，足夠驅動一小型揚聲器。
圖2也給出一種簡單直接的接法：僅使用一22μF的電容用于低通濾波,，驅動一5 kHz,、8Ω的小揚聲器。
結語
利用MC9S12DP256微控制器的PWM功能可為單片機的應用增加語音功能,。對聲音采樣數(shù)據(jù)的存儲方式是用直接的,、原始的采樣數(shù)據(jù),。在具體的實際應用中，為存儲更長時間的聲音數(shù)據(jù),，還可對聲音數(shù)據(jù)進行壓縮,，具體算法請參考相關資料。