基于單片機的8×4數字語音混音矩陣模塊設計

羅純哲，李探元

（91245部隊，遼寧 葫蘆島 125001）

在有線語音指揮調度系統中根據需要對下級用戶送來的多路語音信號進行混音處理，傳統方法采用矩陣和集成運放求和電路實現，存在硬件組成復雜、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的新型1T高速單片機STC12C5A60S2為核心，利用片內豐富的A/D資源和輔助的4通道并行D/A轉換器構成了一個8×4數字語音混音矩陣硬件，通過軟件實現了8路語音信號的4路混音輸出和動態靜噪功能，具有混音功能設置靈活、調試方便等優點。

1 總體設計方案

總體設計框圖如圖1所示，單片機STC12C5A60S2為控制核心，通過串口接受混音狀態設置，通過A/D轉換口對8路輸入緩沖器輸出的語音信號進行采樣，計算每路輸入語音信號平均電壓，并與靜噪閾值進行比較后，實時改寫混音開關狀態字實現混音輸出動態靜噪功能，并根據改寫后的實際混音開關狀態字進行數字混音計算后，通過并行總線控制的D/A轉換器輸出4路混音信號。

圖1 總體設計框圖

2 硬件設計

模塊硬件組成主要包括：電源、輸入緩沖單元、微控制器、D/A轉換及濾波單元、模塊地址設置單元等。

2.1 電源轉換單元

電源轉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線性穩壓電源模塊轉換為+5 V直流電源，做為單片機A/D轉換器和外加D/A轉換器的參考電壓，并增加輸入輸出高頻濾波電路，使輸出紋波電壓進一步減小，電壓輸出幅度穩定，滿足模塊供電要求。

圖2 電源轉換單元原理圖

2.2 輸入緩沖單元

為了滿足單片機A/D口要求，需要對輸入的語音信號進行隔離和電平轉換。圖3為輸入緩沖單元電路原理圖。電路采用NE5532低噪聲運放輔以阻容等元件構成單電源射級跟隨器，圖中C1為隔直電容，R1、R2為運放IC1A的偏置電阻，使運放正輸入端偏置于2.5 V，保證運放在單電源下正常工作，同時將輸入的交流語音信號基準參考電平平移到2.5 V，滿足單片機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的單時鐘/機器周期（1T）的單片機 STC12C5A60S2，該單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，但速度提高 8～12倍[1]。最高工作頻率可達35 MHz，具有44個I/O口，每個I/O口驅動能力均可達20 mA，內部還集成有MAX810專用復位電路，512B EEPROM，1 280 B RAM，60 KB 程 序 存 儲 器 ，2 路PWM，8路10位高速A/D（250 kS/s），主要針對電機控制等強干擾應用[3]。另外還具有ISP（在系統可編程）/IPA（在應用可編程）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，方便軟件下載和調試。

本方案中，STC12C5A60S2單片機采用外部晶體振蕩器，頻率為24 MHz，通過單片機串口2接受混音狀態設置，8路語音信號通過P1.0～P1.7口輸入到單片機進行A/D轉換；混音處理后的數字量通過并行總線送給TLC7226 D/A轉換器，經D/A轉換后輸出4路混音信號。

2.4 D/A轉換單元

D/A轉換單元采用TI公司生產的TLC7226CDW電壓輸出型D/A轉換器，TLC7226采用CMOS工藝，內部設有控制邏輯單元、4個并行D/A轉換器和輸出緩沖器[2]。本方案中，單片機與TLC7226連接如圖4所示。

圖4 D/A轉換單元電路原理圖

3 軟件設計

STC12C5A60S2單片機軟件在Keil集成開發環境下，采用匯編語言對其編程，目標代碼利用STC提供的ISP下載工具STC-ISP.EXE通過串口下載到單片機，下載和調試非常方便。

3.1 主程序模塊

主程序模塊主要完成單片機和模塊的初始化，程序流程如圖5所示。

3.2 T0中斷服務程序模塊

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

圖5 主程序流程圖

圖6 T0中斷服務程序流程圖

3.2.1 動態靜噪原理

計算在極短時間內采樣值的平均值與靜噪門限進行比較，在門限值之下的信號認為是噪聲，不參與混音計算，在門限值之上的信號則認為是語音信號，參與混音計算，這時雖然噪聲和語音一起混音后輸出，但由于聲音的屏蔽效應，噪聲可以忽略[3]，從而實現混音動態靜噪功能。

3.2.2 采樣值處理

語音信號電壓采樣頻率為8 kHz，為了實現混音動態靜噪功能，通過計算在極短時間內語音信號電壓所有采樣值的平均值來表征語音信號的強弱。由于采樣時間極短，人耳感覺不到時間差異。如將采樣時間t取為4 ms，采樣點數 N=0.004×8 000=32。

3.2.3 數字混音算法

在權重系數混音算法思想基礎上采用如下混音模型公式：

其中：Volk（t）為 t時刻第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，是動態改變的值，其初始值為 1/n，n為輸入語音的總路數[2]。隨著時間 t的變化，在混音過程中會出現溢出現象，為了減少溢出引入的噪聲，將衰減因子平滑地減小，使音頻數據衰減后處于值域以內，當沒有溢出時，衰減因子隨步長慢慢增大，為了在盡量保持數據的平滑變化和混音效率中間達到平衡，通常將步長取為（1/n-f）/16，既能使整體聲強不至于衰減太快，又能保證較小的失真度[4]。

3.2.4 軟件時間開銷估算

A/D轉換時間開銷：STC12C5A60S2單片機內部A/D轉換器模塊使用內部RC振蕩器時鐘，5 V單片機內部RC振蕩器時鐘頻率常溫下為 11～17 MHz，A/D轉換器最快轉換速度為90個時鐘周期，所以每路A/D轉換所需時間為：5.3～8.2 μs，8 路 A/D 轉換所需時間為：42.4～65.6 μs。

其他時間開銷：STC12C5A60S2單片機采用24 MHz外部石英晶體時，執行1條單周期指令所需時間為0.042 μs，采樣值處理、動態靜噪控制、數字混音計算及D/A輸出控制總計約1 000條單周期指令，其他時間開銷總計約：0.042 μs×1 000=42 μs。

最大時間開銷總計：65.6 μs+42 μs=107.6 μs＜125 μs。

3.3 串口通信模塊

串口2設置為工作模式3，模塊作為從機與控制主機進行通信，模塊地址通過4位撥碼開關進行設置，模塊主要完成接收和保存4路混音狀態設置字，程序流程圖如圖7所示。

4 實驗結果與結論

為了驗證設計方案，設計制作了模塊PCB板，并編制相關軟件進行了調試和實驗。通過電腦模擬控制主機與模塊進行主從通信，發送4字節混音設置狀態字，實驗結果表明，按照預定協議能夠進行可靠通信，可以正確地完成4路混音輸入狀態設置。

在動態靜噪控制時，在每路語音信號平均電壓（RMS值）與靜噪門限進行比較后，改變混音開關狀態時需要一定的時間延遲。當語音信號在超過門限電平到混音開關閉合要有一定的延時Th。Th太長會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短暫干擾都會立刻打開混音開關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。當語音信號在低于門限電平到混音開關斷開也要有一定的延時Tb。由于語音信號動態范圍大，講話時又隨著語氣的變化而起伏停頓，因此Tb太短會造成語音的斷續，影響語音混音質量。Tb太長，則語音停頓時噪聲拖尾，同樣影響混音質量。為了兼顧這兩方面，Tb值可在 0.5～2 s之間選取。

圖7 串口中斷服務程序流程圖

通過調試和實驗，4路混音輸出每路均能夠正確地按照預設狀態字從8路語音輸入中選擇指定語音信號進行混音后輸出，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現動態靜噪功能，驗證了混音算法和動態靜噪控制的正確性。

本文根據某有線語音指揮調度系統研制需要，設計了一種基于STC12C5A60S2單片機的8×4數字語音混音矩陣方案，并制作實物進行了調試和驗證。驗證結果表明：方案設計合理可行，研制的模塊實物體積小、成本低，具有硬件電路簡單、抗干擾能力強、混音功能設置靈活、調試方便等優點，具有較高的性價比和實用價值。

[1]STC12C5A60S2中文手冊完全版.STC官方網站：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，楚紀正，王琦.數字信號音頻電平的算法研究[J].通信技術 2010（7）：150-153.

[4]黃梅，宏玫，盧揚，等.數字混音模型的設計與實現[J].計算機工程與設計 2010，31（16）：3625-3626.