目前正在要求為許多消費(fèi)產(chǎn)品和嵌入式系統(tǒng)供電的MCU支持以前由DSP，ASSP或其他專用芯片處理的各種數(shù)字音頻功能。幸運(yùn)的是，許多16位MCU的功能和復(fù)雜性可以支持基本的音頻處理功能，并允許它們執(zhí)行諸如音頻錄制/回放，音頻流轉(zhuǎn)換和其他創(chuàng)新音頻應(yīng)用程序之類的任務(wù)。但是，您如何選擇能夠?yàn)槟漠a(chǎn)品提供所需價(jià)格，性能和設(shè)計(jì)靈活性的MCU呢？繼續(xù)閱讀這些設(shè)計(jì)問(wèn)題的答案，以及最新的音頻應(yīng)用芯片和開發(fā)套件。

音頻特性

您為音頻應(yīng)用選擇的處理能力的類型和數(shù)量是解決方案成本，所需音頻質(zhì)量和可用存儲(chǔ)空間之間關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)方面。雖然特定應(yīng)用程序使用的實(shí)際樣本大小可以在8到24位之間，但我們假設(shè)我們?cè)谶@里處理的大多數(shù)使用12到16位樣本。由于采樣率是您將要處理的聲音質(zhì)量的主要決定因素）我們提供了有用的音頻源細(xì)分和通常用于捕獲或重現(xiàn)它們的采樣率（表1）。

音頻源頻率流行的采樣率音調(diào)，蜂鳴器通常是3 kHz范圍內(nèi)的單頻正弦波，具有最大頻率的音調(diào)的2到4倍DTMF在500 Hz和3 kHz之間的特定標(biāo)準(zhǔn)頻率下兩個(gè)正弦波的加權(quán)和7.2 kHz或更高的報(bào)警通常是一系列頻率的時(shí)變掃描最大頻率的兩倍人類語(yǔ)音/語(yǔ)音可以被視為300 Hz至3.3 kHz之間信號(hào)的加權(quán)和。人聲能夠產(chǎn)生8kHz，11.02kHz，16kHz音頻和頻率。樂(lè)器可以被視為20 Hz和20 kHz之間信號(hào)的加權(quán)和。人耳可以感知這些頻率32 kHz（大多數(shù)樂(lè)器足夠好），44.1 kHz（CD質(zhì)量），48 kHz（PC聲卡）

用于語(yǔ)音級(jí)應(yīng)用的MCU

由于存儲(chǔ)空間（和傳輸帶寬）通常在嵌入式系統(tǒng)中非常重要，因此數(shù)字壓縮應(yīng)用于數(shù)據(jù)流，要么丟棄部分它包含的信息或使用更復(fù)雜的編碼算法以更緊湊的方式表示它。可以使用外部編解碼器或在MCU本身上運(yùn)行的軟件編解碼器來(lái)完成壓縮/解壓縮。圖1說(shuō)明了使用最常用的ITU（G.7xx）算法以及Speex1開源編解碼器壓縮標(biāo)準(zhǔn)128-k/s音頻流的質(zhì)量/數(shù)據(jù)速率權(quán)衡。

圖1：常用語(yǔ)音編解碼器的比特率與音頻質(zhì)量。 （由Microchip Technology提供。）

特定編解碼器所需的處理能力（MIPS）與壓縮比和它提供的音頻質(zhì)量大致成比例，如表2所示。幸運(yùn)的是，即使是便宜的16-位通用MCU可以輕松支持用于語(yǔ)音處理的簡(jiǎn)單軟件編解碼器，例如自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）或更簡(jiǎn)單的G.7xx ITU標(biāo)準(zhǔn)。 G.711算法需要大約1MIPS來(lái)以2：1的壓縮比處理中等質(zhì)量的人類語(yǔ)音。 G.722寬帶算法提供更好的音頻質(zhì)量和4：1壓縮比，同時(shí)僅消耗5 MIPS。兩種編解碼器均可在16位MCU上輕松支持，例如飛思卡爾的HC12系列，Microchip的PIC24F/PIC24H系列或德州儀器廣泛的MSP430 MCU系列，并為監(jiān)控代碼或其他應(yīng)用提供足夠的保留。除了通常的電話和VoIP應(yīng)用之外，這些廉價(jià)的技術(shù)還可以利用許多嵌入式系統(tǒng)中潛伏的多余MIPS來(lái)為煙霧探測(cè)器，報(bào)警系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)和工業(yè)設(shè)備添加音頻警報(bào)（甚至語(yǔ)音合成）。

算法G.711 G.726A Speex MIPS 1 13 20閃存（KB）3.5 6 30 RAM（KB）3.5 4 7存儲(chǔ)1秒編碼語(yǔ)音所需的存儲(chǔ)器8 KB 2，3，4或5 KB 1 KB

表2：常用語(yǔ)音編解碼器的處理要求。 （由Microchip Technology提供）。

用于音樂(lè)應(yīng)用的MCU

用于解碼大多數(shù)流行媒體播放器中使用的MP3/4流的處理和內(nèi)存要求明顯高于前面討論的語(yǔ)音級(jí)應(yīng)用。對(duì)于光盤（CD）質(zhì)量的音頻，標(biāo)準(zhǔn)是16位分辨率，采樣率為44.1 kHz，許多應(yīng)用使用24位，采樣率為96 kHz或更高。許多設(shè)計(jì)也需要支持微軟的WMA和Apple的AAC解碼，這需要更強(qiáng)大的處理能力。因此，使用專用音頻解碼器（如ROHM的BU9457KV或Cirrus Logic音頻解碼器）實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的編碼方案通常更具成本效益，該解碼器可生成饋送到集成D/A級(jí)或片外的串行PCM數(shù)據(jù)音頻編解碼器，例如Cirrus Logic的CS4270或NXP的UDA1341TS。然而，低成本的MCU仍然可以在消費(fèi)類音頻中發(fā)揮重要作用，通常是通過(guò)管理音頻配件中的數(shù)字音樂(lè)流，例如擴(kuò)展塢和數(shù)字揚(yáng)聲器組（圖2）。在這些應(yīng)用中，PCM音頻數(shù)據(jù)幀（封裝在USB音頻類格式中）通過(guò)處理器的SPI/I2C串行通道之一每1 ms到達(dá)一次。 USB音頻類數(shù)據(jù)格式還提供對(duì)音量，音調(diào)，增益控制和均衡器等常用功能的控制。

圖2：在音頻擴(kuò)展塢中，低成本MCU可用于執(zhí)行格式轉(zhuǎn)換，采樣率調(diào)整和流管理，以及支持?jǐn)U展塢的用戶界面。 （由Microchip Technology提供。）

根據(jù)信號(hào)源的不同，音頻流可能會(huì)以多種格式之一（即左對(duì)齊，右對(duì)齊，I2S等）到達(dá)，而一些低成本的編解碼器只能接受特定的格式。在這些情況下，MCU必須確保數(shù)據(jù)在送入編解碼器之前已正確對(duì)齊。由于并非所有音頻源都使用相同的采樣率，因此編解碼器必須使其采樣頻率適應(yīng)源或依靠MCU將采樣數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為通用數(shù)據(jù)速率。在使用低成本編解碼器的情況下，它通常缺少自己的緩沖區(qū)，因此MCU還必須管理流以避免運(yùn)行不足或過(guò)度運(yùn)行的情況，否則會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)靜音，爆音和音頻不連續(xù)數(shù)據(jù)丟失。

一些提供40 MIPS或更高容量的16位MCU和幾乎任何32位MCU都具有處理容量，可支持音頻擴(kuò)展塢中的流管理，緩沖和格式轉(zhuǎn)換。像Microchip這樣的一些制造商增加了特殊功能，可以降低實(shí)施成本。例如，Microchip MX2系列中的某些MCU具有專門針對(duì)這些類型應(yīng)用的存儲(chǔ)器，并具有I2C參考時(shí)鐘輸出。這允許MCU提供采樣速率時(shí)鐘（主時(shí)鐘），從而無(wú)需使用集成或外部PLL的更昂貴的編解碼器。

在需要完全可編程解決方案的應(yīng)用中，可以使用通用MCU（通常為16位）執(zhí)行MP3/4，AAC或WMA解碼，該MCU可提供40 MIPS或更高的通用功能 - 目的RISC處理。這些應(yīng)用程序的應(yīng)用程序代碼通常占用128k的閃存，可能需要高達(dá)48k的RAM，以及用于其他功能的內(nèi)存，例如用戶界面或用于播放器的小型LCD的簡(jiǎn)單圖形處理。例如，Atmel的AT32UC3系列MCU也專為各種消費(fèi)類音頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括擴(kuò)展塢，解碼器/播放系統(tǒng)和USB音頻類設(shè)備（圖3）。

圖3：Atmel的多功能AT32UC3系列可用作音頻擴(kuò)展塢，MP3，WMA和AAC音頻解碼器/播放系統(tǒng)或USB音頻類設(shè)備的基礎(chǔ)。 （由Atmel提供。）另一種選擇是使用所謂的數(shù)字信號(hào)控制器（DSC），它具有支持乘法累加（MAC）操作的擴(kuò)展指令集和支持類DSP功能的硬件加速器。 DSP增強(qiáng)型MCU，如飛思卡爾的56800/E，Microchip的dsPIC 30系列，STMicro的ST10處理器，需要更少的指令來(lái)執(zhí)行等效的代碼/解碼功能，從而節(jié)省資源，用于其他一些功能，如速率適配，高級(jí)濾波和均衡算法。

入門大多數(shù)制造商通過(guò)在一個(gè)方便的軟件包中提供包含所有必需的硬件，軟件和開發(fā)工具的特定應(yīng)用開發(fā)套件，使數(shù)字音頻項(xiàng)目的入門變得簡(jiǎn)單。其中一個(gè)例子是Microchip針對(duì)PIC32 MX1和MX2系列的DM320013音頻開發(fā)套件（圖4）。這款靈活的USB供電平臺(tái)預(yù)裝了演示代碼，用于具有高品質(zhì)音頻功能的音頻播放器，包括24位音頻記錄和播放，USB數(shù)字音頻，MP3解碼和采樣率轉(zhuǎn)換，以及支持開發(fā)基本用戶界面。

圖4：PIC32 MX1/MX2入門工具包（DM320013）專為使用mTouch按鈕開發(fā)高質(zhì)量音頻應(yīng)用和基本用戶界面而設(shè)計(jì)。 （由Microchip Technology提供。）

Atmel還提供多種專用開發(fā)套件，包括EVK1104，其中包含Hi-Fi音頻解碼和流媒體應(yīng)用的所有元素。該板采用Atmel的AT32UC3A3256AU 32位微控制器構(gòu)建，包括一個(gè)高速USB On-The-Go（OTG）接口，一個(gè)雙SD卡接口，ECC NAND閃存和一個(gè)立體聲16位DAC。該套件還包含用于從大容量存儲(chǔ)設(shè)備播放MP3文件的參考固件，并演示了Atmel的專利QTouch電容式觸摸控制。對(duì)于擴(kuò)展塢，Atmel的EVK1105包含所有必需的參考硬件和軟件，用于從iPod，iPhone和iPad設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)字音頻流。