单片机（Arduino）自制录音、播放器（二）播放器篇

前一篇给大家分享了录放机设计的大致流程，那么这篇我们将先专注于如何实现声音播放器，具体内容如下：

1. 声音播放器原理与知识点介绍

2. 硬件电路的实现

3.软件的设计


【声音播放器原理与知识点介绍】

 1.声音播放器的原理

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：

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_AudioTrack播放声音


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：

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_数据_02

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

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_采样频率_03

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。

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_采样频率_04

2）无符号和有符号的区别

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)

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_AudioTrack播放声音_05

                                                                                        8bit unsigned 

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_采样率_06

                                                                                         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

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_采样率_07


【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

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_采样率_08

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： 

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_采样率_09

后级电路如下：

AudioTrack播放声音 audiogate播放器_采样频率_10

   

【程序实现】

 <SimpleSDAudio> 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： 

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