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關(guān)于PWM實(shí)現(xiàn)語音播放的詳細(xì)過程

GReq_mcu168 ? 來源:ARM中文社區(qū) ? 作者:Xiaoya ? 2021-04-25 17:27 ? 次閱讀

事實(shí)上大部分MCU都可以實(shí)現(xiàn)語音播放

下面是一段音頻數(shù)據(jù)的波形

局部放大圖:

0751e2e6-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

以一定的速度采樣(ADC)這些波形進(jìn)行存儲,就是音頻數(shù)據(jù)了,所以播放就是按原來采樣的速率再用DAC輸出對應(yīng)的數(shù)據(jù)即可。

這里的音頻有兩個(gè)主要的參數(shù),采樣速率和采樣位數(shù)。

采樣速率:指1s中采樣多少個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),比如1s種采集16000個(gè)點(diǎn),那么采樣率就是16KHz。采樣速率越高,越能抓到頻率較高的聲音,比如CD的采樣率就是44.1KHz,確保人耳能聽到的聲音都會被抓到。

采樣位數(shù):指音頻幅度最大值與最小值分為了多少階,比如滿幅度是3.3V,如果是8Bit位數(shù),那么每一階就是3.3V/256 = 12.89mv,采樣位數(shù)越高,聲音細(xì)節(jié)越好。所以采樣速率和位數(shù)越高,聲音還原越逼真,但存儲的數(shù)據(jù)量也越大,一首三四分鐘的歌曲,如果不采用編碼按原始波形數(shù)據(jù)存儲,數(shù)據(jù)量有好幾十兆大小,這涉及到音頻編碼的問題,這里不展開講了,有興趣的同學(xué)可以找相關(guān)資料。

接下來看怎么播放,最簡單的當(dāng)然是把采樣(ADC)的數(shù)據(jù)按原樣輸出(DAC)了。但我們有些芯片本身不帶有DAC,所以只能用PWM代替DAC,PWM即脈沖寬度調(diào)制。這里只需要把DAC的幅度值轉(zhuǎn)換成PWM的占空比即可,例如16KHz 8Bit的聲音轉(zhuǎn)換成16Khz 256階占空比的PWM。但有一個(gè)問題,如果用16KHz的PWM播放語音,聲音是可以播放,但有一個(gè)16Khz的諧波存在,這個(gè)聲音會被人耳聽到,所以需要更高頻率的PWM,數(shù)據(jù)還是按照16Khz更新。

我這里使用32KHz的PWM,用16KHz 8Bit PCM格式的音頻數(shù)據(jù),8Bit的數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)Byte,16KHz采樣,1秒種占用存儲空間就是16K Byte,F(xiàn)429有2M Byte的Flash存儲空間,理論上可以存儲2048K/16K = 128秒的音頻。

下面是用NucleoF429實(shí)現(xiàn)音頻播放的具體過程:

一、配置PWM

1、用STM32CubeMx建立工程,配置兩個(gè)定時(shí)器TIM1和TIM2,TIM用于PWM產(chǎn)生,TIM2用于16KHz數(shù)據(jù)更新。

075e031e-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

TIM1選擇PWM互補(bǔ)輸出(單通道也可以),將PE8和PE9復(fù)用為PWMN和PWMP。

TIM1在APB2總線上,TIM2在APB1總線上

077024ae-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

所以TIM1和TIM2的時(shí)鐘頻率分別為180M和90M,系統(tǒng)時(shí)鐘用HSE輸入的8MHz。

079da032-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

將TIM1設(shè)置為32KHz,即31.25us。8Bit占空比,一個(gè)LSB為31.25us / 256 = 0.1220703125us = 8.192MHz,TIM1 180M / 8.192M = 21.97265625,這里取整數(shù)22。所以實(shí)際的PWM頻率為1/(180 / 22) *256 = 31.289us = 31.96KHz

07ab63ca-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

TIM2 為90MHz,45分頻后為2MHz即0.5us,周期125即62.5us = 16KHz。

07b6ede4-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

NVIC開啟TIM2中斷。生成工程名和目錄后生成Keil工程。

二、播放語音

1、先編譯后,編寫TIM中斷服務(wù)程序。

07e540f4-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

完成后,開啟TIM2中斷和PWM,(PWM是互補(bǔ)輸出,需要單獨(dú)開啟各個(gè)通道)

07eda870-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

用邏輯分析儀測量輸出波形。

07f7c562-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

如圖所示,TIM1 PWM為31.96KHz,TIM2為62.5us即16KHz,結(jié)果正確。

接下來處理音頻:

這里使用的音頻是PCM格式,是未進(jìn)行壓縮編碼的原始數(shù)據(jù),可以直接給PWM輸出。

音頻處理的軟件有許多,只要能把格式轉(zhuǎn)為PCM即可,下面是我用Cool Edit這款軟件做的音頻格式轉(zhuǎn)換。

選擇菜單 文件--》批量轉(zhuǎn)換

08141cda-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

選擇新的采樣率和采樣位數(shù)。

08202f02-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

選擇PCM格式。設(shè)置輸出目錄后運(yùn)行批處理完成轉(zhuǎn)換。

08299272-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

完成后的音頻文件用WinHeX這個(gè)軟件打開。

08331a22-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

圖中紅框中的44個(gè)Byte為PCM格式的文件頭信息,后面的的數(shù)據(jù)為音頻數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)全選后利用WinHex的可選格式復(fù)制

0862504e-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

將數(shù)據(jù)以C數(shù)組的形式導(dǎo)出,在工程目錄下新建.h文件,將復(fù)制的文件粘帖到.H文件并在工程中Include進(jìn)來,定義起始和結(jié)束地址,數(shù)組的大小即為文件結(jié)束地址,數(shù)組用const修飾,可以將數(shù)據(jù)存儲到Flash中。

086db466-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

在TIM2中,以16KHz的速度更新PWM數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)音頻播放。

0876158e-a4ba-11eb-aece-12bb97331649.png

編譯工程,下載到NucleoF429板子上,在PE8或PE9上接一個(gè)喇叭即可聽到聲音。

以上用的音頻采樣是16K 8Bit,要想提高音質(zhì),提高采樣和Bit數(shù)即可,音量可以用外接三極管或功放放大,音頻數(shù)據(jù)也可以用ADC采集后存儲到SPI Flash后播放,實(shí)現(xiàn)錄音回放。

編輯:lyn

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原文標(biāo)題:使用PWM實(shí)現(xiàn)語音播放

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