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，通過無線形式實現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)能根據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。

1．1 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)據是以幀流的形式存儲或傳輸?shù)?，每個幀有幀頭和幀尾。為獲取較高的數(shù)據壓縮比，根據音頻位流語法，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)據及輔助數(shù)據等組成。幀頭是一個32位長的數(shù)據，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。具體的壓縮后的比特數(shù)可以根據下式得到：
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。MP3編碼時，首先將原始輸入的16位PCM信號經過濾波器分析(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。