摘 要： 以Android平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)Android手機(jī)的麥克端采集數(shù)據(jù)信號(hào)的方案，不僅擴(kuò)展了數(shù)據(jù)采集的方法，同時(shí)也把Android平臺(tái)應(yīng)用到工程領(lǐng)域中。
關(guān)鍵詞： Android；嵌入式；麥克；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)顯示

Android是一個(gè)開放、自由的移動(dòng)終端平臺(tái)，其開放性保證了該平臺(tái)不存在任何阻礙移動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的專有權(quán)障礙，一經(jīng)推出就深受業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可。隨著電子科技的發(fā)展，Android平臺(tái)不僅僅應(yīng)用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上的開發(fā)，在工程上的開發(fā)前景也得到了廣泛的關(guān)注[1]。
Android平臺(tái)使用Java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，支持SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)、2D/3D圖形加速、多媒體播放和攝像頭等硬件設(shè)備，并設(shè)置了豐富的應(yīng)用程序，如電子郵件客戶端、鬧鐘、Web瀏覽器、計(jì)數(shù)器、通信錄和MP3播放器等。Android采用了軟件堆層(Software Stack)的架構(gòu)，共分為4層：第一層是Linux內(nèi)核，提供由操作系統(tǒng)內(nèi)核管理的底層基礎(chǔ)功能；第二層是中間件層，由函數(shù)庫(kù)和Android運(yùn)行時(shí)所需的虛擬機(jī)構(gòu)成；第三層是應(yīng)用程序框架層，提供了Android平臺(tái)基本的管理功能和組件重用機(jī)制；第四層是應(yīng)用程序?qū)?，提供了一系列核心?yīng)用程序[2]。數(shù)據(jù)信號(hào)的采集一般是通過(guò)USB、藍(lán)牙、WiFi等方法，而本文是通過(guò)Android手機(jī)的麥克端來(lái)采集數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了一種新型的數(shù)據(jù)采集的方法。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 硬件結(jié)構(gòu)
Android手機(jī)的麥克端不能接收任意頻率的信號(hào)，只能接收頻率在20 Hz～20 kHz范圍內(nèi)（即達(dá)到音頻信號(hào)的范圍）的信號(hào)，因?yàn)橹挥幸纛l信號(hào)才能被人耳聽(tīng)到，才能被麥克采集到。本文采集的信號(hào)是一電壓信號(hào)，而電壓信號(hào)不能直接被Android手機(jī)的麥克端接收。因此在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率范圍在20 Hz～20 kHz之間的頻率信號(hào)，即達(dá)到音頻信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)。電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)的方法有很多，本文采用V/F轉(zhuǎn)換器LM331實(shí)現(xiàn)把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率在20 Hz～20 kHz范圍內(nèi)的音頻信號(hào)，其硬件框圖如圖1所示。

經(jīng)調(diào)整電路后的頻率信號(hào)就是標(biāo)準(zhǔn)的音頻信號(hào)了，但信號(hào)并不能直接連接到送話器讓Android手機(jī)的麥克端接收，因?yàn)椴荒鼙ＷC周圍絕對(duì)安靜， 誤差會(huì)很大，而是要把音頻信號(hào)與耳機(jī)中的送話器線相連，再把耳機(jī)與Android手機(jī)相連，這樣就可以大大減少失真的程度。
1.2 V/F轉(zhuǎn)換器LM331模塊
LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性價(jià)比較高的集成芯片，它是當(dāng)前最簡(jiǎn)單的一種高精度V/F轉(zhuǎn)換器，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號(hào)，輸出頻率嚴(yán)格正比于輸入電壓。LM331為雙列直插式8引腳芯片，線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工作頻率為0.1 Hz時(shí)仍有較好的線性；變換精度高，分辨率可達(dá)16位；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便地構(gòu)成V/F轉(zhuǎn)換器，并且容易保持轉(zhuǎn)換精度。LM331在4.0 V的電壓供電的情況下，就可在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)高精度地工作[3]。V/F轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2 音頻格式
音頻的格式有很多種，但在Android的API中與音頻有關(guān)的包是android.media，其中有兩個(gè)類是與音頻采集有關(guān)的，分別是MediaRecorder和AudioRecord。用Media-Recorder采集的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮編碼后變成的聲音數(shù)據(jù)為AMR格式。但因?yàn)閿?shù)據(jù)是被壓縮的，所以在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，要面臨解壓縮的問(wèn)題。而用AudioRecord采集音頻可以直接獲得無(wú)壓縮的PCM數(shù)據(jù)，即可以直接讀取音頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不再需要解壓縮。基于AudioRecord的方便性與實(shí)用性，本文采用AudioRecord來(lái)采集音頻信號(hào)。
脈沖編碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)是將音頻數(shù)字化的最好途徑，聲音經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)，轉(zhuǎn)換成一系列電壓變化的信號(hào)。要將這樣的信號(hào)轉(zhuǎn)換成PCM格式，要使用聲道數(shù)、采樣位數(shù)和采樣頻率3個(gè)參數(shù)來(lái)表示聲音：(1)聲道數(shù)可分為單聲道和立體聲，單聲道即用一個(gè)傳聲器拾取聲音，用一個(gè)揚(yáng)聲器來(lái)播放聲音；而立體聲則是由兩個(gè)傳聲器輪流拾取聲音，用兩個(gè)揚(yáng)聲器來(lái)播放聲音。(2)采樣位數(shù)即采樣值，它是用來(lái)衡量聲音動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化的一個(gè)參數(shù)，其值越大，分辨率就越高，在Android提供的API中，所提供的分辨率有8 bit和16 bit兩種。(3)采樣頻率(即取樣頻率)指的是每秒鐘采得聲音樣本的次數(shù)，采樣頻率越高，聲音的質(zhì)量也就越好，聲音的還原越真實(shí)，同時(shí)它占用的資源也比較多。通常選用的采樣頻率一般有11 025 Hz、22 050 Hz和44 100 Hz。11 025 Hz、8 bit的聲音稱為電話音質(zhì)；22 050 Hz、16 bit的聲音稱為廣播音質(zhì)；44 100 Hz、16 bit已達(dá)到CD的音質(zhì)了[4]。
3 Android平臺(tái)下的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
首先是建立Android工程(即MediaPCM)，其中包括主界面MainActivity，在主界面上有MediaFile和Recorder兩個(gè)圖標(biāo)，分別代表音頻文件列表和音頻信號(hào)采集，如圖3所示。

點(diǎn)擊右邊的Recorder，就會(huì)進(jìn)入到音頻采集界面(即Record-Activity)，實(shí)現(xiàn)采集和播放音頻的功能，同時(shí)要把采集到的音頻打包成文件存放到SD卡指定的目錄下；點(diǎn)擊左邊MediaFile，就會(huì)進(jìn)入到音頻文件顯示列表界面(即ListActivity)，點(diǎn)擊其中某一項(xiàng)文件，就會(huì)進(jìn)入波形顯示界面(即WaveFormActivity)，就會(huì)把音頻文件以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式顯示在Android手機(jī)的界面上。軟件系統(tǒng)的整體框架流程圖如圖4所示。

3.1 清單(AndroidManifest)文件
在每一個(gè)Android項(xiàng)目中，都包含了一個(gè)清單(AndroidManifest)文件，即AndroidManifest.xml，它存儲(chǔ)在項(xiàng)目層次中的最底層，用于在程序運(yùn)行之前向Android系統(tǒng)聲明程序的相關(guān)信息，這些信息包括應(yīng)用程序需要的許可、程序運(yùn)行的最低SDK版本、程序運(yùn)行所需要的硬件支持和函數(shù)庫(kù)等。由于本文要用到SD卡的操作和采集音頻信號(hào)(即錄音)的操作，所以要在AndroidManifest.xml文件中加入以下兩個(gè)權(quán)限："android.permission.WRITE_EXTERNAL_STORAGE"和"android.permission.RECORD_AUDIO"，這樣就可以訪問(wèn)SD卡和進(jìn)行采集音頻信號(hào)了。
3.2 音頻的采集與播放
因?yàn)橐纛l的采集需要使用AudioRecord類，與之對(duì)應(yīng)的音頻的播放需要用到AudioTrack類；要把聲音轉(zhuǎn)化成PCM格式，需要使用采樣頻率、聲道數(shù)和采樣位數(shù)這三個(gè)參數(shù)。因此在編寫程序時(shí)，要對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化，即在本文中表示為frequence、channelConfig和audioEncoding。本文采用的是采樣頻率為44 100 Hz、單聲道16位進(jìn)行采樣。點(diǎn)擊開始按鈕(startButton)時(shí)，就會(huì)開始錄音(即采集音頻信號(hào))。其核心代碼如下：
int bufferSize = AudioRecord.getMinBufferSize(frequence,
channelConfig, audioEncoding);
int resource = MediaRecorder.AudioSource.MIC;
AudioRecord record = new AudioRecord(resource, frequence,
channelConfig, audioEncoding, bufferSize);
record.startRecording();
其中，bufferSize是根據(jù)采樣頻率、聲道和采樣位數(shù)三個(gè)參數(shù)得到一個(gè)最小的緩沖區(qū)，并且MediaRecorder.AudioSou-rce.MIC聲明了音頻信號(hào)的來(lái)源是Android手機(jī)的麥克端。這樣當(dāng)調(diào)用record的startRecording()方法時(shí)就開始錄音(即音頻采集)；當(dāng)點(diǎn)擊停止按鈕(stopButton)時(shí)就會(huì)停止采集；點(diǎn)擊播放按鈕(playButton)時(shí)，就開始播放已經(jīng)錄制的音頻；點(diǎn)擊結(jié)束按鈕(finishButton)就結(jié)束播放音頻。至于播放音頻這一項(xiàng)，對(duì)數(shù)據(jù)的采集并沒(méi)有太大的影響。為了完善界面，在沒(méi)有硬件電路的情況下，只用一個(gè)Android手機(jī)也能完成錄音播放的功能。錄音界面如圖5所示。
3.3 打包音頻文件
只采集音頻信號(hào)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要把采集到的音頻信號(hào)打包成文件存放到SD卡指定的目錄中，并把采集到的音頻信號(hào)顯示在音頻文件顯示界面上，在SD卡中的位置如圖6所示。