基于C51單片機(jī)的校園自助導(dǎo)覽儀設(shè)計(jì)

摘要：在分析MP3標(biāo)準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上，基于C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)MP3的編解碼，并對(duì)MP3編碼進(jìn)行了多方面的優(yōu)化；在單片機(jī)上的MP3算法中加入無(wú)線功能，設(shè)計(jì)成為一種校園自助導(dǎo)覽儀。經(jīng)野外測(cè)試，效果良好。
關(guān)鍵詞：MP3編解碼；無(wú)線模塊；自助導(dǎo)覽

引言
MP3是MPEG-I的音頻標(biāo)準(zhǔn)第三層壓縮模式。雖然算法比較復(fù)雜，但壓縮比最大在低碼率條件下基本能達(dá)到CD的音質(zhì)效果。其壓縮比例高、音質(zhì)失真小的特點(diǎn)使之成為用于當(dāng)前PC、網(wǎng)絡(luò)、PDA等最為流行的音頻格式。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)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(jìn)行解碼)，其特點(diǎn)是可以實(shí)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(即完全依賴于嵌入式微處理器或DSP的處理能力)，通過對(duì)MP3定點(diǎn)或浮點(diǎn)解碼程序?qū)崿F(xiàn)解碼過程，該方案對(duì)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(jī)上實(shí)現(xiàn)了MP3的解碼，并加入無(wú)線功能，使其向產(chǎn)品靠攏，設(shè)計(jì)成為一種電子產(chǎn)品“校園自助導(dǎo)覽儀”。它的功能和導(dǎo)游一樣，具備自助和電子的要素。
本文還對(duì)MP3編碼進(jìn)行優(yōu)化，除了算法優(yōu)化和高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化之外，還進(jìn)行了匯編級(jí)優(yōu)化，大大降低了算法的復(fù)雜性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)是基于校園的一種電子產(chǎn)品，將旅游景點(diǎn)的解說以MP3格式存儲(chǔ)，通過無(wú)線形式實(shí)現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)能根據(jù)觀眾的位置和需要自動(dòng)確定解說的語(yǔ)言和內(nèi)容，使得每個(gè)觀眾不但可以得到每個(gè)展位、景點(diǎn)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(shí)，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品還配有鍵盤，可以對(duì)播放的音頻文件進(jìn)行控制，滿足人性化的要求。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

1．1 MP3編碼與實(shí)現(xiàn)
MP3采用的是頻域編碼，即音樂信號(hào)自適應(yīng)譜感熵編碼ASPEC(Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding of High Quality Music Signal)。
MP3的數(shù)據(jù)是以幀流的形式存儲(chǔ)或傳輸?shù)模總€(gè)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(yǔ)法，采用了較為復(fù)雜的位流結(jié)構(gòu)。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(gè)32位長(zhǎng)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(duì)每一幀的576(單聲道，立體聲為1152)個(gè)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?cái)?shù)可以根據(jù)下式得到：
幀內(nèi)比特?cái)?shù)=幀內(nèi)采樣數(shù)×位率／采樣率 (1)
圖2是MP3音頻信號(hào)的編碼過程。就單聲道而言，MP3的一個(gè)編碼框包含1152個(gè)聲音取樣，每個(gè)取樣為16位。MP3編碼時(shí)，首先將原始輸入的16位PCM信號(hào)經(jīng)過濾波器分析(filer bank analysis)，轉(zhuǎn)換成32個(gè)等頻寬的子頻帶信號(hào)(subband signal)。然后透過改良式離散余弦轉(zhuǎn)換(Modified I)iscrete CosineTransforln，MDCT)，將每個(gè)子頻帶信號(hào)再細(xì)分為18個(gè)次頻帶，根據(jù)第二心理聲學(xué)模型(Psychoacoustic Mode ID所提供的信噪比(Signal-to-MaskRatio，SMR)，對(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)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。