如何選擇可用于音頻捕獲與回放的微控制器

音頻捕獲和回放正成為許多基于微控制器（MCU）的應(yīng)用程序的必備條件。但是，在保真度和編解碼器方面的音頻支持范圍非常廣泛。您可以使用基于簡(jiǎn)單8位MCU的平臺(tái)來(lái)托管支持音頻的應(yīng)用程序，但高質(zhì)量的音頻可能需要數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）或32位MCU。本文將調(diào)查音頻空間的廣度，提出與不同級(jí)別的MCU性能相匹配的潛在應(yīng)用，并指出可以幫助您開始使用音頻元素的項(xiàng)目的現(xiàn)成評(píng)估工具包。

讓我們首先看一下使用8位MCU可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。過(guò)去，為使用數(shù)字信號(hào)處理器或?qū)Ｓ靡纛l芯片的產(chǎn)品添加語(yǔ)音記錄和回放功能?，F(xiàn)在，Microchip Technology發(fā)布了一份應(yīng)用筆記，重點(diǎn)介紹如何使用自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）在8位PIC18F67J10 MCU上處理簡(jiǎn)單的語(yǔ)音編碼和解碼。 ADPCM編碼基于連續(xù)語(yǔ)音樣本高度相關(guān)的事實(shí)。該算法基于先前的樣本預(yù)測(cè)每個(gè)后續(xù)樣本，并且僅編碼預(yù)測(cè)樣本和實(shí)際樣本之間的差異。您當(dāng)然不會(huì)使用ADPCM來(lái)編碼音樂(lè)，但該算法在語(yǔ)音應(yīng)用程序中非常有效。

您將找到基于浮點(diǎn)數(shù)學(xué)和精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的ADPCM實(shí)現(xiàn)。這樣的實(shí)現(xiàn)顯然超出了8位MCU的能力。 Microchip開發(fā)了基于4位ADPCM數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)。 8位MCU可以支持8 KHz采樣率的單調(diào)音頻。

ADPCM編碼

編碼器的設(shè)計(jì)（圖1）接受二進(jìn)制補(bǔ)碼格式的16位數(shù)據(jù)流。您可以使用片上10位A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)來(lái)自麥克風(fēng)的采樣進(jìn)行編碼。解碼器采用4位ADPCM數(shù)據(jù)并生成16位二進(jìn)制補(bǔ)碼輸出。您可以使用片內(nèi)捕捉/比較/PWM（CCP）外設(shè)將PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)至輸出濾波器。

圖1：ADPCM編碼器框圖，其中sp是預(yù)測(cè)樣本，si是線性輸入樣本，d是差值，t是4位ADPCM值。

有許多因素可能會(huì)限制此類應(yīng)用程序在8位MCU上的性能，盡管CPU性能通常不是主要因素。例如，集成ADC的轉(zhuǎn)換速度和閃存的寫入速度將實(shí)現(xiàn)限制為8KHz速率。事實(shí)上，Microchip表示可以在性能較低的8位PIC16系列MCU上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音功能。 ADPCM應(yīng)用程序可輕松適應(yīng)PIC18F67J10 MCU的存儲(chǔ)器占用空間。例如，解壓縮算法僅使用可用于程序存儲(chǔ)的128千字節(jié)中的484個(gè)字節(jié)。

Microchip不為PIC18系列MCU提供以音頻為中心的開發(fā)套件，但您可以輕松地將其組合在一起。 PICDEM開發(fā)板包括PIC18 MCU和dsPIC30F DSP使能的MCU或數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）。將演講回放PICtail Plus子板添加到套件中，您就可以進(jìn)行音頻實(shí)驗(yàn)了。

如果您將任務(wù)的編碼部分排除在等式之外，那么8位MCU的音頻任務(wù)能力就更強(qiáng)了。例如，您可以設(shè)計(jì)一種產(chǎn)品，播放預(yù)先錄制的語(yǔ)音片段，作為最終用戶的語(yǔ)音提示。您可以單獨(dú)創(chuàng)建樣本，只需使用MCU解碼數(shù)據(jù)并輸出PWM信號(hào)。

16位音頻應(yīng)用程序

升級(jí)到16位MCU，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)瞄準(zhǔn)的音頻應(yīng)用程序類型出現(xiàn)重大跳躍。然而，實(shí)際上，差異并不像你想象的那么大。正如我們剛才所討論的，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間和內(nèi)存訪問(wèn)速度等特性可以控制音頻功能。你得到的是額外的免費(fèi)MCU周期來(lái)托管應(yīng)用程序的其他元素。

讓我們來(lái)看看瑞薩最新的16位MCU系列--RL78系列。該MCU系列針對(duì)低功耗應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，包括用于電池供電設(shè)備。該設(shè)計(jì)提供41 Dhrystone MIPS（DMIPS），最高時(shí)鐘速度為32 MHz。這種性能水平使其落后于低端32位MCU，實(shí)際上比某些更快。

瑞薩發(fā)布了一份專注于在ADPCM應(yīng)用程序中使用RL78的應(yīng)用筆記。編碼器使用集成的10位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入進(jìn)行采樣。與我們之前討論過(guò)的Microchip示例一樣，該實(shí)現(xiàn)以8 KHz采樣率創(chuàng)建4位ADPCM數(shù)據(jù)。解碼器可以以11.025KHz的采樣率操作。

您可以使用RSK RL78/G13開發(fā)人員套件（圖2）試驗(yàn)瑞薩的ADPCM應(yīng)用程序。該套件不是特定于音頻的，但它集成了許多以音頻為中心的功能，包括單調(diào)和立體聲音頻放大器。該板還包括一個(gè)麥克風(fēng)輸入和前置放大器以及一個(gè)用于數(shù)字麥克風(fēng)的接口。

圖2：用于低功耗RL78 MCU的瑞薩開發(fā)套件包括單調(diào)和立體聲放大器以及麥克風(fēng)輸入。

通過(guò)遷移到16位MCU可以獲得的另一個(gè)好處是更廣泛的編碼算法選擇，這些算法的CPU密集程度更高，可以提供更好的音頻質(zhì)量或更高級(jí)別的壓縮，這意味著您可以存儲(chǔ)更多音頻可用的內(nèi)存。

編解碼器選擇

例如，讓我們考慮一下Microchip PIC24系列MCU。對(duì)于編碼和解碼應(yīng)用，Microchip提供對(duì)ADPCM，G.711，G.726A和Speex編解碼器的支持。實(shí)際上有更多的編解碼器選擇，但列出的編解碼器可以免費(fèi)使用。

G.711是ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于電話應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了8位采樣，8KHz采樣率，并使用PCM算法。

G.726A也是ITU標(biāo)準(zhǔn)，基于ADPCM。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了8 KHz的采樣率，但在樣本大小方面提供了靈活性，并提供16，24，32或40 Kbit/s數(shù)據(jù)速率的選擇。

Speex是一款開源編解碼器，專為IP語(yǔ)音（VoIP）應(yīng)用而開發(fā)。編解碼器基于代碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（CELP）算法。編解碼器可支持8，16和32 KHz采樣率。

一般來(lái)說(shuō)，G.711提供了我們討論過(guò)的最佳選擇。 Microchip表示，相對(duì)于PIC24 MCU，它需要大約60 MIPS的數(shù)量級(jí)才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)所選的編碼選項(xiàng)，G.726A編解碼器可能需要16到40 MIPS。 Speex編解碼器在某些情況下可以在質(zhì)量方面與G.726A匹配，并且需要不到16 MIPS。

根據(jù)Microchip的說(shuō)法，G.711編解碼器需要8 KB才能存儲(chǔ)1秒的語(yǔ)音。 G.726A編解碼器的要求范圍為2到5千字節(jié)，可存儲(chǔ)一秒鐘。同時(shí)，Speex編解碼器只需要1 KB即可存儲(chǔ)一秒鐘的語(yǔ)音。

添加DSP功能

Microchip實(shí)際上將PCI24系列與dsPIC33 DSC系列組合在一起（圖3），因?yàn)镮C共享相同的CPU架構(gòu)，盡管后者增加了對(duì)DSP應(yīng)用的數(shù)學(xué)支持。在音頻應(yīng)用方面，通過(guò)轉(zhuǎn)移到DSC可以看到您添加的內(nèi)容很有趣。

dsPIC33在支持的編解碼器方面沒(méi)有太多增加，但同樣，您將釋放可用于應(yīng)用程序其他方面的CPU周期。但是，DSC允許您使用Microchip的自動(dòng)增益控制庫(kù)，它可以在編碼過(guò)程之前自動(dòng)調(diào)整語(yǔ)音信號(hào)的幅度。該功能在揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)之間的距離變化的應(yīng)用中特別有用，例如在揚(yáng)聲器電話中。

Microchip dsPIC33 IC還可以使用該公司的語(yǔ)音和音頻快進(jìn)工具。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在開發(fā)過(guò)程中使用該工具實(shí)時(shí)控制以音頻為中心的算法，如噪聲抑制，回聲消除和均衡。先前的特征也在庫(kù)中實(shí)現(xiàn)。此外，基于GUI的語(yǔ)音工具生成可以移植到PIC33 DSC的代碼。

Microchip提供了一個(gè)全面的以音頻為中心的開發(fā)工具集（圖3），用于基于PIC24和dsPIC33的設(shè)計(jì)。 Explorer 16通用開發(fā)板支持兩個(gè)MCU系列。您可以通過(guò)音頻PICtail Plus子卡和該產(chǎn)品附帶的軟件添加音頻支持。該組合支持16位和24位音頻，包括用于存儲(chǔ)音頻的4 Mbits串行閃存，并包含一個(gè)低通濾波器，用于解調(diào)MCU的PWM輸出。

圖3：對(duì)于dsPIC MCU系列，Microchip提供了一組強(qiáng)大的以音頻為中心的庫(kù)，可通過(guò)基于GUI的語(yǔ)音和音頻快進(jìn)開發(fā)工具進(jìn)行管理。

32位和音樂(lè)

現(xiàn)在讓我們繼續(xù)前進(jìn)到32位空間。正如您所料，音樂(lè)通過(guò)32位MCU進(jìn)入畫面。通常，MCU不能實(shí)時(shí)將音樂(lè)編碼為MP3或WMA（Windows Media Audio）等格式。但32位MCU可以處理完美的音樂(lè)解碼，以及我們之前討論過(guò)的所有音頻應(yīng)用。如果要實(shí)現(xiàn)編碼，則需要使用專用的編解碼器IC。

當(dāng)您進(jìn)入音樂(lè)區(qū)域時(shí)，您通常會(huì)超越片上外設(shè)的功能，以產(chǎn)生所需的音頻質(zhì)量。 MCU和DAC的組合可以處理16至24位音頻，采樣速率為32至48 KHz。一旦考慮32位空間，您還將看到以音頻為中心的MCU產(chǎn)品。例如，Atmel提供AT32UC3系列32位MCU，包括通用和音頻專用版本。這些產(chǎn)品基于AVR MCU內(nèi)核。

音頻MCU的一個(gè)例子是AT32UC3A0512AU MCU，它集成了512 KB的閃存和64 KB的RAM。音頻MCU攜帶設(shè)備執(zhí)行許可算法（如MP3，WMA和AAC解碼器）所需的標(biāo)識(shí)號(hào)。 MCU集成了便攜式音樂(lè)播放器所需的完整功能集，例如支持閃存卡和強(qiáng)大的USB堆棧。

Microchip還在其基于MIPS內(nèi)核的32位PIC32 MCU系列上支持音樂(lè)應(yīng)用。 32位MCU不支持DSPIC33可用的增益控制庫(kù)或語(yǔ)音和音頻快進(jìn)開發(fā)工具。但是，32位產(chǎn)品支持我們?cè)诖擞懻摰呐cMicrochip MCU相關(guān)的所有其他編解碼器。

正如您所料，Microchip為32位MCU提供了許多開發(fā)工具，這些工具將在音頻和音樂(lè)項(xiàng)目中派上用場(chǎng)。 PIC32音頻開發(fā)板（圖4）集成了PIC32MX795F512 MCU，512 KB閃存和128 KB SRAM。該板還包括一個(gè)Wolfson編解碼器，可以處理實(shí)時(shí)音樂(lè)編碼和解碼。 Microchip還支持通過(guò)開源Helix MP3解碼器庫(kù)在PIC32上進(jìn)行解碼

圖4：Microchip的基于PIC32的音頻開發(fā)板與iPod PICtail配對(duì)，其中包括用于Apple iPod的對(duì)接連接。

開發(fā)板包括一個(gè)與iPod上使用的Apple MFi接口兼容的連接器。 Microchip還提供名為iPod PICtail Plus的配套產(chǎn)品，其中包括iPod的底座。

如您所見，鑒于MCU供應(yīng)商提供的工具和庫(kù)的廣泛性，為基于MCU的系統(tǒng)設(shè)計(jì)添加音頻功能相對(duì)簡(jiǎn)單。您必須接近這樣的設(shè)計(jì)，并對(duì)某一類MCU可以支持的音頻質(zhì)量抱有現(xiàn)實(shí)的期望。您會(huì)發(fā)現(xiàn)即使是非常低端的MCU也可以處理短音頻片段的播放。隨著處理能力的提升，您可以為音樂(lè)添加編碼并最終支持。