雨润年华

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单片机(Arduino)自制录音、播放器

【声音播放器原理与知识点介绍】

 1.声音播放器的原理

  首先需要介绍通常使用MP3播放器的工作原理。 通常我们使用的MP3,是将存储在内存中的 .mp3 MPEG音频压缩文件经过 解压缩算法后,转换成原始的PCM(Pulse Code Modulation)数据,并通过DAC(Digital Analog Converter)转换输出单声道或者双声道的模拟信号,经过功率放大芯片后,输出到耳机、外放等音源设备。具体流程图如下:

在我们的方案中,MP3解码的这一环在PC上替代实现了。同时,由于Atmega328P不具有DAC,我们不得不用PWM占空比调制+积分滤波电路来获得模拟信号输出,这也是我们和好的MP3播放器在音质之间的一大差距。

2.PCM(Pulse Code Modulation)数据格式 

关于PCM数据格式的详细讲解,请点击标题的超链接查看百度百科,这里我就不再赘述。这里需要强调几个关键的点:

1)采样率和采样精度

    对原始音源(WAV或者MP3)采取合适的采样率和采样精度来进行重采样,对于我们的音频播放有着重要的关系。由于选取的是Atemega328P, 单片机的主频和定时器的速度有限。在此案例,采样频率应同我们的播放频率保持一致,否则如果采样频率大于播放频率,那么效果会变成了慢速播放(本来1s的数据2s才播完),反之则是快进。因此,采样率和采样精度有着如下公式的限制:

其中f(clk)是定时器的主频, n为采样精度, fs为采样频率。这个公式我们会在接下来更为详细的铺开讲解,在这里我们只需要选定合适的采样频率和采样精度。

依照标准无损的WAV格式, 音源数据为16bit, 44.1KHz.那么我们的主频则需要有

这显然是不可接受的,因为我们的主频限制在16MHZ。同时,由于比特率达到了44.1k*16 bps, FLASH 64Mbit的存储不能满足需求。

如将采样精度降低为8bit,则所需主频大概降到了12MHz.然而,44.1K的采样率对于我们来说过大,因外设喇叭的频响根本没有达到。适当降低采样率来提升采样精度对我们来说是可取的。那么,如何选择呢?

16Mhz = 15625 * 1024。10bit采样,15625HZ!! 这对于我们来说是十分合适的,因为根据下图等响度曲线(Equi-loudness Curves),人耳对频率为3-4KHz左右的声音最敏感。根据香农采样定理,fs>2fmax时信号可通过低通滤波器还原。当我们进行15.6kHZ重采样后,转化为PWM信号后,后级使用4K左右的滤波器,就可以较好的匹配。然而,大多数的音频软件不支持10bit采样,我们采用取16位的高10位进行处理,这样虽然会多占用一些空间,但可以更好的满足我们的需求。

2)无符号和有符号的区别

   对于有符号采样,量化后的抽样信号在一定的取值范围内仅有有限个可取的样值,且信号正、负幅度分布的对称性使正、负样值的个数相等,正、负向的量化级对称分布。

    举个例子,假如采用8bit无符号的PCM编码, 那么振幅的最大值应该是255,最小值为0.如果声音信号是正弦波,那么基准线应该在+128的位置(如下图),若采用16bit有符号PCM编码,那么基准线应该为0,幅值应该为-32768-32767(如下图)

                                                                                        8bit unsigned 

                                                                                         16bit signed

3)单声道和多声道、大端序和小端序

I 当我们的音源输出可以是耳机或者立体音响时,采用双声道可以进一步的提升音质。然而,这里我们采用的是单声道配单个喇叭。

II 大端序和小端序是指当采样精度为16bit或更多时,数据的高位在先还是低位在先。

对于单双声道、大小端序的形象表述,我们可以用如下表来理解。假设我们采用的是双声道,在某一个采样点内,两个声道的振幅为

(43707,52445)    43707(10) = 0xAABB   52445(10) = 0xCCDD , 那么数据的排列方式应该为

【硬件电路的实现】

  在上篇文章中已经提到,声音播放器的流程实现如下图所示。我们这节具体讲一下音乐播放器偏硬件的方案细节

1.FLASH 与 Arduino 采用的通信是SPI 通信, 3.3V标准输出电压,按照通常SPI的连接方式即可,不再赘述

2.二阶低通滤波器的作用是将带有占空比的PWM信号转化为模拟信号,其主要起到的是积分器的作用。在此案例,我们用脉宽的长度来调制振幅,那么只要经过积分电路,就可以将其还原成原先的模拟信号。经测试,二阶的滤波器的RC值被选择为 47KΩ 和1nF。下图为RC在线计算器算出的截止频率: 

后级电路如下:


   

【程序实现】

  https://www.arduino.cn/thread-2944-1-1.html 此网址介绍了如何使用simpleSDAudio做一个用SD卡播放的播放器。我将SD卡读写的程序部分换为了flash读写,大家可以参考SimpleSDAudio 的程序来做。

注意:  为了将采样精度由8位变成10位,我们需要将Arduino TCCR1的16位寄存器配置由 fast PWM 8bit 变为 10bit,读取数据buffer的时候,要由读一个字节改为两个字节.同时,如果音频编辑软件采用的是有符号类型的PCM采样数据,需要调整基准电位值到中位2.5V,否则数据将会出错。在 SimpleSDAudio.cpp中更改: 

if (flags & _BV(MUSIC_F_PLAYING))
  {
      if (_bufferAvailable > 1)
      {
        tmp_value16 = *_pBufout++;        //小端序的代码,高位在后,低位在前
        tmp_value16 += (*_pBufout++) << 8;
        memcpy(mybuffer+i,&tmp_value16,2);   
        #if 0
          tmp_value16 <<= 2;   //   这里用于调整音量的大小
        #endif
        tmp_value16 >>= 6;//   右移6位,将16bit的采样的低6位舍弃
        tmp_value16 += 512; //调整基准电位值为2.5V: 512/1024*5 = 2.5V
        OCR1A = tmp_value16;//设置占空比
       _bufferAvailable -= 2;
      }
      if (_pBufout >= _pBufoutend)
        _pBufout -= _Bufsize;   
  }

至此,音乐播放器的要点已经介绍完毕,希望对大家有帮助,下一篇我们将继续介绍录音的解决方案
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原文链接:https://blog.csdn.net/weixin_40210471/java/article/details/80815420

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