基于PWM的数字音频播放器设计

基于PWM的数字音频播放器 31 5 Vol. 31 No〃 5 第 卷第 期 计算机应用与软件 2014 5 Computer Applications and Software May 2014 年 月 PWM 基于 的数字音频播放器设计 谢 可 姚鸿强 ( 214122)江南大学物联网学院 江苏 无锡 A,M Cortex_M3 LM3S8962 。MP3 ，PWM 摘 要 设计采用 处理器内核的 芯片为实验平台对 音频文件进行软件解码后利用 控 制 PCM PCM PWM ，H 技术将解码得到的 数据转化为一系列幅值相等占空比按 数据大小变化的 信号通过 桥式功率放大电路后驱动 。D / A ，，，扬声器发声大大简化了传统音频解码输出电路的 转换和功率放大电路在保证声音质量的基础上既节省了成本又提高了 。，。系统的工作性能经过实验验证可实现音频文件的正常播放 PWM 关键词 音频文件 控制 功率放大 : 10〃 3969 / j〃 issn〃 1000-386x〃 2014〃 05〃 084TN912 A DOI中图分类号 文献标识码 DESIGN OF PWM-BASED DIGITAL AUDIO PLAYE, Xie Ke Yao Hongqiang ( School of Internet of Things Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,Jiangsu,China) Abstract The design uses LM3S8962 chip in the kernel of A,M Cortex_M3 processor as the experimental platform〃 After decoding the MP3 audio file with software,the PWM control technology is used to convert PCM data obtained from decoding to a series of PWM signals which have the equal amplitude but their duty ratio vary with the size of PCM data,and then go through the H bridge power amplification circuit to drive the speaker to sound〃 This has greatly simplified the D / A converter and power amplification circuit of the traditional audio decoding output circuit〃 More cost has been saved and the system performance has been improved as well on the basis of ensuring the sound quality〃 Experimental results verify that the normal displaying of the audio file can be achieved〃 Keywords Audio file PWM control Power amplification PWM ,信号并利用数字功率开关器件来实现功率的放大和音频 ,,。的输出电路损耗低工作效率高整个系统电路设计 比较简 0 引 言 ,,,,单节省了器件和成本实验证明在保证声音质量的前提下可 实 。现音频文件的正常播放 数字音频技术是随着多媒体技术和计算机技术的发展而逐 。渐兴起的一种声音处理手段为了实现计算机对音频文件的保 1 ,, 硬件系统结构存与传输往往需要将音频文件转化为二进制数据数字音频技 、。 术就是通过对声音信号进行采样量化和编码来实现这一目的1 。A,M Cortex_M3 硬件系统的设计框图如图 所示采用 处 ,由于保存的声音文件存储容量一般很大绝大多数声音文件采 LM3S8962 ,理器内核的 芯片为实验平台利用其通用异步收发 ,用了不同的音频压缩算法在基本保证声音质量不变的情况下 ,1,( UA,T ) MP3 器模块将 文件以中断的方式发送至芯片内部进 。MP3、WVA、 尽可能缩小文件常见的数字音频文件格式有 。PWM PCM 行软件解码利用 控制技术将解码得到的 数据转化 MOD ,MP3 ,等等其中 文件格式是目前比较流行的一种格式它 ,PCM PWM ,,2,为一系列幅值相等宽度按 数据大小变化的 脉冲通 MPEG Layer III 。,是基于 压缩的一种音频文件格式相反音 。过功率开关器件对其进行功率放大后驱动扬声器发声 频文件播放时则需要将数字音频信号转化为模拟音频信号经功 。D / A 率放大后由喇叭输出常用的是 转换器和模拟功率放大 ,,、,、 器件其还原性好输出的声音音质高失真度小但电路复杂 。,成本较高且功率放大器直接对模拟信号进行功率放大使得 ,,。器件工作在线性放大区功率耗散较大效率不高随着单片机 ,PWM D / A 的广泛应用采用 控制技术可实现低成本高精度的 ,,转换并能在保证良好还原性的基础上大大简化电路提高系统 。的工作性能 1 图 硬件系统的设计框图 PWM , 本设计充分利用 控制技术实现对音频文件的播放 MP3 。MP3 实验中以 文件的播放为例将对 音频文件软件解码 , 12 , 30。,,: 。: 2012 收稿日期谢可本科生主研领域自动化姚鸿 PCM ,。后得到的 脉冲调制信号转化为恒定幅值可变占空比的 强高工 5 : PWM 329第 期 谢可等基于 的数字音频播放器设计 ,9, 所示。 2 MP3 音频文件解码的实现1 各种功率放大器的比较 模拟功率放大器 数字功率放大器 MP3 ,9 : 音频文件的解码总体上可分为 个过程比特流分 种类 A B AB D 类 类 类 类 、、、、、解霍夫曼解码逆量化处理立体声处理频谱重排列抗锯齿 处180 90 90 ,180 导通角 度 度 度 \ ,3,、IMDCT 、、PCM 。理变换子带合成输出实验中将待解码的 损耗 大 小 小 小 MP3 ,LM3S8962 文件用二进制方式打开通过 芯片的串口传送 50%50%60% ,70% 80% ,90% 效率 低于 大于 ,4,。MP3 ,MP3 到芯片内部根据 压缩格式依次从 文件中取出 、、,头信息边信息比例因子等等然后对主数据进行霍夫曼解码 和,,虽然各种模拟功率放大器失真小保真度较高但通过性 能。,,逆量化根据头信息对逆量化结果进行立体声处理并通过 ,,、, 比较可知由于器件工作在线性放大区效率较低能耗较大且要、、IMDCT 、,频谱重排列抗 锯齿处理变换子 带 合 成最 终 得 到 ,。D 求有良好的散热设备因而设备体积和重量均较大而 类放大PCM 。数据 ,、。,D 器工作在器件的开关区损耗小效率可以达到很高因 此类 。放大器在音频功率放大中有着很好的应用价值 3 PCM PWM 到 的转换原理D 、类功率放大器主要由脉冲宽度调制器开关放大器和低 ,10, 。,通滤波器组成利用三角波信号对输入的模拟信号进行调 制,5,: 在采样控制理论中有一个重要的结论冲量相等而形状 PWM 。 用调制得 到的 信号直接控制功率开关器件的通断具体 ,。不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时其效果基本相同冲 D 2 。的 类功率放大器的功放原理如图 所示对于高电感 的扬声 ,量即指窄脉冲的面积效果相同是指环节的输出响应波形基本 ,,设备可以省去低通滤波电路在节省大量成本的基础上 保证声 。相同 。D PWM 音的高质量播放由于 类音频功率放大器是基于 控 PWM 。控制技术就是在该原理的基础上发展起来的以正 ,,、、 、制技术器件工作在开关状态故具有效率高体积小重量轻 ,N ,弦波为例将正弦波等分成 份利用相同数量的等幅不等宽 。输出功率大等优点 ,的矩阵脉冲代替使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点 ,,重合且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等就得到一系 。列幅值相等而宽度随正弦规律变化的矩形脉冲 ,MP3 在本设计中利用实验平台对 音频文件进行软件解码 PCM ,, 后可得到一系列的 数据要使音频文件能够正常的播放 D / A ,PCM 常用的处理是利用 转换器将这些 数据转化为模拟 。PWM ,音频信号经喇叭输出而采用 控制技术后可将音频解 PCM 、PCM 码得到的 数据转化为幅值一定占空比随 信号大小 PWM ,变化的 信号利用简单的数字功率放大电路即可实现对 。,音频文件的播放但由于不同音频文件的采样率不一样导致 2 D 图 类功放原理图 PWM 。生成的 波的频率也会不相同为了降低后续电路的复杂 PWM ,MP3 设计采用基于 控制技术的音频播放对 文件实 ,PWM 。性常常需要保持 的频率恒定 ,PWM 现软件解码后可 利 用 控制技术可直接将解码得到的 ,。这里先介绍音频文件的采样率采样率是设备每秒对声 PCM PWM ,D 数据转换为 信号省去了 类功率放大器件中的三 ,Hz。,, 音信号的采样次数单位为 采样率越高声音的音质越好( 2 ) ,角波发生器和比较器如图 中虚线部分所示只需要一个简 。: 占用的空间也就越大常见的音频采样率可分为四个等级。,6,7,单的功率放大电路即可实现音频文件的播放这样使得音频功 11〃 025、22〃 05、44〃 1 48 KHz,44〃 1 KHz CD 和 其中 为标准的 ,,率放大电路的复杂程度大大降低不仅节省了器件而且降低了 ,。音质可以保证声音的高质量播放为了降低后续滤波电路的 ,。H ,8, 功率损耗提高了系统的性能设计中采用 桥式功率放大电 ,M 44〃 1PW复杂程度可利用插空的方法保持 的频率恒定在 ,11, , 3 。 H路 如图 所示 由于 桥式功率放大电路的器件工作在开 KHz 。,PWM ,或更高实验证明当 频率足够大时利用高电感的 ,,,MOS-关状态且负载的电阻很小因此电路的损耗很低主要由 ,。 扬声器可实现同样的滤波效果不需另外设计专门的滤波电路FET 。的导通电阻决定 PWM PCM PWM 设计巧妙利用 控制技术将 信号转化为 信 ,,PWM ,号实验可知只要 信号的频率在一定的范围之内便可 PWM 直接利用功率开关器件实现对 信号的功率放大和音频输 。MP3 D / A 出这种方法大大简化了传统 解码输出过程中的 转 ,,。换和滤波电路节省了器件降低了成本 4 功率放大电路 传统的音频功率放大电路是利用模拟功率放大器对模拟信 ,A ( ) 、B 号进行放大根据模拟信号的导通角可分为 类甲类类 3 H ( ) AB ( ) 。图 桥式功率放大电路 乙类和 类甲乙类等目前应用非常广泛的音频放大 ( 333 )D 。1下转第 页 器是 类 数 字 放 大 器各 种放大器具体的性能比较如表 5 : BGP 333第 期 潘大庆基于衰减扩散的可控 协议攻击研究 ,8 , ,,〃 Internet 侯春雨朱珂王堃域间路由振荡问分析与研究 ,J,〃 ( 16) : 159161,174〃,2004,40-计算机工程与应用 ( 322 )上接第 页 ,9 , ,,,〃 GesBGP李琦吴建 平徐 明伟等自治系统间的安全路由协议 ,4 , ,,,〃 AHB ,J,〃 马秦生曹阳杨珺等事计算机应 用务级 总线模型研究 ,J,〃 ,2009,32( 3) : 507-515〃计算机学报 ,2009,26( 9) : 3246-3248〃研究 ,10, ,,,〃 胡湘江朱 培栋龚 正虎等一种新的域间路由系统信任模型 ,5 , ,,,〃 SOC ,M,〃 2 〃 : 郭炜魏继增郭筝等设计方法与实现版北京电 子 ,J,〃 ,2007,43( 25) : 3-5〃计算机工程与应用 ,2010: 13-19〃工业出版社 ,11, ,,〃 BGP ,J,〃 胡湘江朱培栋龚正虎域间路由协议 安全性研究计 ,6 , 〃 / CPU ,D,〃 ,,2000:张征接触 非接触式 卡的研制上海复旦大学 ,2007,29( 9) : 58〃520〃 --算机工程与科学 ,7 , 〃 SOC ,D,〃 ,,刘松通虚拟原型验证平台研究与设计山,12, ,,〃 用 东山东大 学王俊强毛羽刚朱培栋域间路由协议前缀劫持行为模拟与分析 2011: 20-21〃,J,〃 ,2011,33( 8) : 19-26〃 计算机工程与科学 ,13, ,,,〃 BGP ,J,〃 王焕然徐明伟徐恪等基于策略的 配置管理模型清 : ,2005,45( 4) : 492-496〃华大学学报自然科学版 ( 325 )上接第 页 ,14, ,,,〃 朱珂史梦琳朱培栋等基于三维矩阵重构争论有向图的域间路 ,9 , Xue Qiang,Wang Liyang,Pan Dong,et al〃 A High-Speed Two-Cell ,J,〃 ,2006( 11) : 172-182〃由振荡检测算法数学的实践与认识 BCH Decoder for Error Correcting in MLC nor Flash Memories ,J,〃IEEE Trans 〃 on Circuits and Systems,2009,56-II〃 ,10, Wilson S G〃 Digital modulation and coding,M,〃 Prentice Hall,1995〃 ( 307 )上接第 页 ,11, 〃 ,M,〃 3 〃 : ,2007:万哲先代 数 和 编 码版北 京高等教育出版社 ,4 , Guangbin Huang,Qinyu Zhu,Cheekheong Siew〃 Extreme Learning Ma- 380-401〃 chine: Theory and Applications ,J,〃 Neurocomputing,2006,70: ,12, ,〃 ,M,〃 : 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