PWM結合電阻網絡實現16位WAV語音播放

黃玲，吳凌云

（長江大學 電子信息學院，荊州434023）

引 言

PWM波由諧波和直流量組成，諧波是需要被濾除的信號，即通過模擬低通濾波器可以將調制后的PWM信號轉換成模擬信號，濾波器可以消除大部分高頻成分，最后只留下直流量，圖1為PWM信號還原為模擬信號的示意圖。普通單片機受限于其處理能力，一般只能調制8位左右的PWM信號，因此只能還原8位的WAV 聲音文件。而用D/A轉換器實現模擬量的輸出成本較高，音質效果也不佳。電阻網絡對各頻帶及幅值的信號的阻礙比較統一，保證了聲音信號保真率。本文將16位高音質WAV信號進行拆分處理，一部分由PWM進行調制，另一部分控制8個I/O口中的某幾路輸出PWM，信號經低通濾波和功率放大后送至喇叭等放聲設備，以此將數字語音信號轉換成模擬信號，達到語音播放的目的。

1 原理及誤差分析

1.1 基本原理

16位數字信號可表示自然界65 535種聲音信號，據此將16位數字量量化為對應的模擬信號，便完成聲音的還原：

這里將16位數據Data拆分為X1和X2，且有Data＝X1×X2。將X1通過單片機的定時器調制為PWM信號，通過控制占空比來控制輸出電壓大小，即：

將X2用來控制單片機的8路I/O是輸出調制好的PWM信號，還是輸出信號“0”，該8路信號送到電阻網絡，即：

圖1 PWM波經過濾波后得到的模擬波形

1.2 數據拆分形式分析

針對基本原理中提出的將16位數據拆分為高低位兩部分在單片機中的實現，提出3種方案并對其進行對比分析。

1.2.1 方案1

將16位數據從中間截斷，并判斷高低8位的值是否為0，是則補1，避免拆分的兩個數據有一個為0時導致輸出也為0。拆分后的低8位送給定時器進行PWM合成，高8位送給電阻網絡控制輸出。該方式占用單片機資源很少，對單片機處理能力沒有要求，可以在所有單片機上實現。但PWM與電阻網絡模擬電壓輸出均有非線性失真，當拆分的兩個數據中有一個較小（接近0）或較大（接近255）時，對最后的輸出電壓有較大影響。

1.2.2 方案2

利用查表法，將Data＝X1×X2的所有65 536種數據的拆分結果計算出來，建表后存到單片機中，只需根據數據大小對號查出X1、X2進行PWM調制并控制電阻網絡輸出即可（X1、X2均不大于256）。該數組需占用128 K的存儲空間，但不是所有數據都能寫成Data＝X1×X2形式，只能盡可能地去逼近，最終的輸出值與Data會有少許出入。該方案也不需要單片機具有較強的處理能力，且避免了方案1的缺陷，但因其逼近的拆分方式導致其輸出精度有損，達不到16位高精度。

1.2.3 方案3

判斷16位數據的高位為0的位數，將不為0的低位數據從中間一分為二，然后將拆分后的數據均左移相同的位數，保證數據拆分前后“一致”，將拆分后的數據分別進行PWM調制和控制電阻網絡輸出。一般單片機可輕松完成，占用資源較少，避免了方案2的缺陷，但在左移時會有數據丟失，導致輸出誤差較大，特別是當數據小于255時，其誤差是不可接受的。

根據現有的理論分析和實際的測試效果來看，方案2較為理想。本文針對方案2展開設計。

2 系統設計

系統框圖如圖2所示，該方案采用TI公司的MSP430F5529作為主控MCU，它將TF卡中的WAV文件讀取出來，并在TF卡中的數據表中查出對應的數據拆分值，然后存放在單片機中分出來的1 KB的緩沖區中。定時器A定時讀取緩沖區中的數據，定時器B完成PWM調制并同時控制電阻網絡輸出。由電阻網絡輸出的信號經二階低通濾波器和功率放大器后送到喇叭完成語音播放。帶觸摸功能的TFT液晶屏用來顯示和控制語音播放。單片機的供電由兩節干電池完成，功率放大電路供電由12 V直流電源提供。

圖2 系統框圖

2.1 硬件設計

電阻網絡的電路圖如圖3所示，利用電壓疊加定理和電阻分壓計算分析可知，其輸出為Vout＝（1/2×Vio1＋1/4×Vio2＋1/8×Vio3＋…＋1/256×Vio8）×Vcc。它僅由兩種阻值的電阻組成，阻值選取容易，其成本也低。

圖3 電阻網絡

低通濾波和功率放大電路如圖4所示，設計中采用了二階無源低通濾波器，功率放大器選擇TI公司的LM386，它適合放大低電壓的音頻信號。圖4中R1、R2、C5、C6組成二階低通濾波器，其在下降率為6 dB時的截止頻率為16 k Hz，用以播放采樣頻率為22.05 k Hz的 WAV 語音。C7、R3組成了一階高通濾波器。此處電壓增益為20 dB，C3為隔直電容。LS1接0.5 W/8Ω的喇叭。

2.2 軟件設計

本系統在硬件平臺的支持下，采用狀態機的形式完成對SD卡的讀取、觸摸控制信號的獲取、WAV文件的播放以及WAV的文件名和進度等信息的顯示。SD卡讀取及LCD顯示驅動現已比較成熟，此處不再展開。其中的關鍵點在于保證WAV音頻高音質流暢播放的“同時”，完成控制及顯示等功能。為實現這一目標，本設計用另一個定時器來計算下次指令執行所剩時間，低于某一閾值則暫停觸控信號的獲取及信息的更新顯示，優先保證音頻能流暢播放。實驗表明，該方法在觸控及LCD顯示上并無明顯延遲。其軟件流程圖如圖5所示。

圖4 低通濾波和功放電路

圖5 軟件流程圖

結 語

語音的頻率范圍為300～3 000 Hz，而音樂的頻率范圍為20 Hz～20 k Hz，在PWM語音播放器中需要注意的是PWM的頻率一般是低通濾波器截止頻率的4倍以上，所以在播放音樂時可根據實際需要提高聲音的PWM頻率，還可以修改低通濾波器的電容參數（C5、C6），將電容減小，并增大濾波器的截止頻率，從而達到音樂的頻帶要求。

該方案采用PWM并結合電阻網絡的形式，其結構簡單，性價比高。現單片機的主頻很容易突破12 MHz，加上MSP430F5529為16位單片機，其調制PWM的精度可達10位以上，基本彌補了數據的逼近處理帶來的誤差，提高了整個系統的語音播放音質。該方案可廣泛用于火車站的播報提醒、銀行等場合的叫號系統、電話應答機以及各種需要高音質語音播報的場合。

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