基于C51單片機的校園自助導覽儀設計

1、    基于C51單片機的校園自助導覽儀設計摘要：在分析MP3標準算法的基礎上，基于C51單片機實現(xiàn)MP3的編解碼，并對MP3編碼進行了多方面的優(yōu)化；在單片機上的MP3算法中加入無線功能，設計成為一種校園自助導覽儀。經(jīng)野外測試，效果良好。關鍵詞：MP3編解碼；無線模塊；自助導覽引言 MP3是MPEG-I的音頻標準第三層壓縮模式。雖然算法比較復雜，但壓縮比最大在低碼率條件下基本能達到CD的音質效果。其壓縮比例高、音質失真小的特點使之成為用于當前PC、網(wǎng)絡、PDA等最為流行的音摘要：在分析MP3標準算法的基礎上，基于C51單片機實現(xiàn)MP3的編解碼，并對MP3

2、編碼進行了多方面的優(yōu)化；在單片機上的MP3算法中加入無線功能，設計成為一種校園自助導覽儀。經(jīng)野外測試，效果良好。關鍵詞：MP3編解碼；無線模塊；自助導覽引言    MP3是MPEG-I的音頻標準第三層壓縮模式。雖然算法比較復雜，但壓縮比最大在低碼率條件下基本能達到CD的音質效果。其壓縮比例高、音質失真小的特點使之成為用于當前PC、網(wǎng)絡、PDA等最為流行的音頻格式。在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)MP3音頻編解碼常見的有兩種方案；一種是硬件解碼(即通過專用的MP3解碼硬件進行解碼)，其特點是可以實現(xiàn)較高的性能和較低的功耗，目前大多數(shù)商用MP3都采用這種方案；另外一種是軟件解碼(即

3、完全依賴于嵌入式微處理器或DSP的處理能力)，通過對MP3定點或浮點解碼程序實現(xiàn)解碼過程，該方案對嵌人式微處理器或DSP處理能力要求較高。   本文采取硬件解碼方案，在單片機上實現(xiàn)了MP3的解碼，并加入無線功能，使其向產品靠攏，設計成為一種電子產品“校園自助導覽儀”。它的功能和導游一樣，具備自助和電子的要素。    本文還對MP3編碼進行優(yōu)化，除了算法優(yōu)化和高級語言的優(yōu)化之外，還進行了匯編級優(yōu)化，大大降低了算法的復雜性。1 系統(tǒng)總體設計    本設計是基于校園的一種電子產品，將旅游景點的解說以MP3格式存儲，通過無

4、線形式實現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)能根據(jù)觀眾的位置和需要自動確定解說的語言和內容，使得每個觀眾不但可以得到每個展位、景點的完整信息，而且能夠感受到高清晰、低噪聲的音響效果。同時，本設計產品還配有鍵盤，可以對播放的音頻文件進行控制，滿足人性化的要求。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。11 MP3編碼與實現(xiàn)    MP3采用的是頻域編碼，即音樂信號自適應譜感熵編碼ASPEC(Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding of High Quality Music Signal)。    MP3的數(shù)據(jù)是以幀流的形式存

5、儲或傳輸?shù)?，每個幀有幀頭和幀尾。為獲取較高的數(shù)據(jù)壓縮比，根據(jù)音頻位流語法，采用了較為復雜的位流結構。MP3碼流是由很多幀組成，每一幀由幀頭、壓縮的音頻數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)等組成。幀頭是一個32位長的數(shù)據(jù)，它包含輸入輸出采樣率、輸出比特率以及單雙聲道等信息。對每一幀的576(單聲道，立體聲為1152)個輸入音頻采樣壓縮而得到音頻數(shù)據(jù)。具體的壓縮后的比特數(shù)可以根據(jù)下式得到：    幀內比特數(shù)=幀內采樣數(shù)×位率采樣率 (1)    圖2是MP3音頻信號的編碼過程。就單聲道而言，MP3的一個編碼框包含1152個聲音取樣，每個取樣為16位。

6、MP3編碼時，首先將原始輸入的16位PCM信號經(jīng)過濾波器分析(filer bank analysis)，轉換成32個等頻寬的子頻帶信號(subband signal)。然后透過改良式離散余弦轉換(Modified I)iscrete CosineTransforln，MDCT)，將每個子頻帶信號再細分為18個次頻帶，根據(jù)第二心理聲學模型(Psychoacoustic Mode ID所提供的信噪比(Signal-to-MaskRatio，SMR)，對每個子頻帶信號進行位元分配及量化編碼。最后，只要將編碼后的資料依照MPEG-I定義的位元串的形式輸出即可。    數(shù)字

7、音頻采樣通過由兩個濾波器組成的濾波器組輸入到心理聲學模型中，由心理聲學模型的輸出來控制音頻屏蔽等參數(shù)，最終通過量化和霍夫曼(Huffman)編碼得到輸出的比特流。12 MP3解碼與實現(xiàn)    PCM信號進行MP3壓縮時，以1152個PCM采樣值為單位，封裝成具有固定長度的MP3數(shù)據(jù)幀(幀是MP3文件的最小組成單位)。在解碼時，利用數(shù)據(jù)幀里的信息就可以恢復出1152個PCM采樣值。這1152個采樣值被分為2個粒度組，每個粒度組包含576個采樣值。一個MP3數(shù)據(jù)幀分為5個部分：幀頭、CRC校驗值、邊信息、主數(shù)據(jù)、附加數(shù)據(jù)。在進行解碼時一般包含同步(Synchroniz

8、ation)、找到幀的開始位置、檢查錯誤(CRC)、霍夫曼解碼(Huffman decoding)、解包信息、輸出量化的頻率信息、再量化(Requantize)、用比例系數(shù)放大輸出信息、再排序(Reorder)、增加頻率后重新排序、頻率線立體聲合成(Stereodecoding)等過程。    MP3解碼器程序設計包括以下內容：    定點算法設計。盡管定點單片機也支持浮點運算，但浮點運算會消耗大量的指令周期和內存，也會降低系統(tǒng)運行速度，不能應用于MP3實時解碼。在程序設計中，首先要將MP3浮點C解碼算法轉換為定點C解碼算法。浮點算法

9、轉換成定點算法實現(xiàn)過程比較復雜，本文不再多述。    在程序的頭部建立正確的運行頭(Run Time Header)文件。    內存分頁重疊。與ADSP-218X類似，F(xiàn)D216也是通過設置重疊存儲器選擇寄存器(PMOVLAYDMOVLAY)來實現(xiàn)PM(CM)DM存儲器分頁重疊的。2 無線模塊    無線遙控裝置已廣泛應用于車模、航模等領域，用來實現(xiàn)對靶機、驅動電機、玩具等的控制。在空間存在各個頻段、強弱變化的無線電波，因此無線遙控器在通信數(shù)據(jù)傳輸時容易受到干擾。為了提高通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須在發(fā)送

10、端對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼，而在接收端對接收的數(shù)據(jù)進行解碼，以提高抗干擾性。下面先介紹無線收發(fā)的特點，再將此無線功能加入MP3中，構成一個有無線功能的MP3，從而完成校園自助導覽儀的設計。    發(fā)射器一般由數(shù)據(jù)輸入模塊、編碼電路、調制電路、驅動電路、發(fā)射電路等部分組成。當有數(shù)據(jù)從輸入模塊輸入時，編碼電路產生相應的編碼信號(編碼指信號對載波進行調制)，再由驅動電路進行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射。接收器一般由接收電路、放大整形電路、調制電路、數(shù)據(jù)處理電路、驅動執(zhí)行電路等部分組成。接收電路接收發(fā)射器發(fā)送的調制編碼信號，經(jīng)過放大整形電路處理后送至解調電路。解調電路對調制信

11、號進行解調，即還原為編碼信號。數(shù)據(jù)處理電路對編碼數(shù)據(jù)進行解析，并控制執(zhí)行電路執(zhí)行相應的操作。    由上述可知，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須對發(fā)送數(shù)據(jù)及發(fā)送的脈沖格式進行編碼，然后在接收端對這些信號進行解碼?，F(xiàn)在市場上有很多用于編碼和解碼的專用芯片，例如PT2262PT2272，它們都是通過硬件實現(xiàn)編碼和解碼的。在接收端，由于無線接收模塊收到的是脈沖信號，而不同的數(shù)據(jù)位其寬度不同，所以必須測量每個脈沖的寬度，以判別是哪個數(shù)字邏輯。在硬件上采用單片機的兩個外部中斷INT 0、INT1來捕捉脈沖的上升沿和下降沿，進而計算出脈沖寬度和數(shù)字邏輯。圖3是設計的校園自助導覽

12、儀的無線收發(fā)場景。    如果旅游者佩戴我們設計的自助導覽儀進入校園游覽，每次到達校園景點時，會自動接收到校園景點發(fā)射的編碼信號，自助導覽儀進行解碼后會播放相應的MP3音頻文件進行景點的介紹。    為了檢驗自助導覽儀設備可靠性，進行了一些野外測試，效果良好：    發(fā)射模塊距離可調，符合顯示各校園景點需要，基本上能通過控制天線長短和電壓高低得到理想距離；    誤碼可能性極低；    通過程序控制很好地實現(xiàn)了自動判斷同一景點播放完后是否重新播放

13、。3 MP3編碼優(yōu)化    心理模型的優(yōu)化可以分為兩個方面：心理聲學模型算法的優(yōu)化和心理聲學模型定點運算的優(yōu)化。心理模型對于長窗和短窗的運算均需要進行一系列的包含F(xiàn)FT的復雜運算，耗費大量運算周期。因此我們考慮這樣來實現(xiàn)心理聲學模型：首先進行窗體類型的判斷，依據(jù)判斷結果，只作對應窗口類型的FFT變換和后續(xù)的心理聲學模型計算，從而大大減輕運算負擔。經(jīng)過測試統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的情況下，編碼器所采用的窗口類型均為長窗，因此在心理模型窗體計算時可以不考慮短窗。另外一種優(yōu)化則是對定點運算進行優(yōu)化。由于在心理聲學模型中涉及到諸多復雜的運算(包括循環(huán)控制、對數(shù)運算、冪運算等)，因此充分利用硬件功能和對運算的優(yōu)化成為了關鍵。MP3編碼器編碼過程中，量化編碼需要進行多次量化調整循環(huán)，每一次的量化調整都會消耗很多周期，因此通常會占到6070的運算周期。在實現(xiàn)時，為了達到實時的要求，對量化編碼模塊的循環(huán)進行了控制，得到了最佳的量化結果。結語    對MP3的編解碼和無線模塊的整合，是設計電子產品的一個方向，對電子產品的多樣化有一定的推動作用。本文在單片機上通過對MP3的編解碼運