羅純哲，李探元

（91245部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001）

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)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

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。

圖2 電源轉(zhuǎn)換單元原理圖

2.2 輸入緩沖單元

為了滿足單片機(jī)A/D口要求，需要對(duì)輸入的語音信號(hào)進(jìn)行隔離和電平轉(zhuǎn)換。圖3為輸入緩沖單元電路原理圖。電路采用NE5532低噪聲運(yùn)放輔以阻容等元件構(gòu)成單電源射級(jí)跟隨器，圖中C1為隔直電容，R1、R2為運(yùn)放IC1A的偏置電阻，使運(yùn)放正輸入端偏置于2.5 V，保證運(yùn)放在單電源下正常工作，同時(shí)將輸入的交流語音信號(hào)基準(zhǔn)參考電平平移到2.5 V，滿足單片機(jī)A/D的需要。

圖3 輸入緩沖單元電路原理圖

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。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換單元電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

STC12C5A60S2單片機(jī)軟件在Keil集成開發(fā)環(huán)境下，采用匯編語言對(duì)其編程，目標(biāo)代碼利用STC提供的ISP下載工具STC-ISP.EXE通過串口下載到單片機(jī)，下載和調(diào)試非常方便。

3.1 主程序模塊

主程序模塊主要完成單片機(jī)和模塊的初始化，程序流程如圖5所示。

3.2 T0中斷服務(wù)程序模塊

中斷周期為 125 μs，主要完成 8路語音信號(hào)采樣（頻率為8 kHz）、每路參與混音的語音信號(hào)的動(dòng)態(tài)靜噪及4路數(shù)字混音計(jì)算和輸出功能，程序流程圖如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 T0中斷服務(wù)程序流程圖

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。

3.2.3 數(shù)字混音算法

在權(quán)重系數(shù)混音算法思想基礎(chǔ)上采用如下混音模型公式：

其中：Volk（t）為 t時(shí)刻第k路輸入語音的音量大小，為所有路輸入語音的音量大小的平均值，f為控制聲音不失真的平滑衰減因子，是動(dòng)態(tài)改變的值，其初始值為 1/n，n為輸入語音的總路數(shù)[2]。隨著時(shí)間 t的變化，在混音過程中會(huì)出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，為了減少溢出引入的噪聲，將衰減因子平滑地減小，使音頻數(shù)據(jù)衰減后處于值域以內(nèi)，當(dāng)沒有溢出時(shí)，衰減因子隨步長慢慢增大，為了在盡量保持?jǐn)?shù)據(jù)的平滑變化和混音效率中間達(dá)到平衡，通常將步長取為（1/n-f）/16，既能使整體聲強(qiáng)不至于衰減太快，又能保證較小的失真度[4]。

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。

圖7 串口中斷服務(wù)程序流程圖

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。

[1]STC12C5A60S2中文手冊(cè)完全版.STC官方網(wǎng)站：WWW.STCMCU.COM.

[2]TEXAS INSTRUMENTS.TLC7226C Quadruple 8-bit Digital-TO-Analog Converters Data Sheet.SLAS060F-January 1995-Revised April，2007.

[3]丁光亮，楚紀(jì)正，王琦.數(shù)字信號(hào)音頻電平的算法研究[J].通信技術(shù) 2010（7）：150-153.

[4]黃梅，宏玫，盧揚(yáng)，等.數(shù)字混音模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì) 2010，31（16）：3625-3626.