基于51單片機的數(shù)字語音存儲及回放系統(tǒng)設(shè)計

1、.1基于51單片機的數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)設(shè)計 摘 要該文采用AT89C51單片機和ISD2560語音芯片設(shè)計一款實時語音錄放系統(tǒng)，能實現(xiàn)錄音時間達60s、錄放音受按鍵控制、可復(fù)位且音量可調(diào)等諸多功能。整個系統(tǒng)共有三大模塊：單片機控制模塊、語音錄放模塊、功放模塊?？刂颇K核心是51單片機的口線功能，通過對按鍵的識別來控制語音錄放模塊的工作模式；語音錄放模塊能實現(xiàn)對聲音的處理、存儲以及復(fù)原的功能；功放模塊能對復(fù)原好的音頻信號加以放大，使聲音更加清晰明亮。整個設(shè)計圍繞以下三方面進展研究：總體方案設(shè)計、硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計。 關(guān)鍵詞：AT89C51單片機,語音存儲,語音回放 DESIGN OF V

2、OICE RECORDING AND PLAYBACK SYSTEM BASED ON AT89C51ABSTRACTThe propose of this paper is to design a real-time speech recording system with AT89C51 microcontroller and ISD2560 voice chip,it can realize the recording time of 60s, sound recording and playback controlled by button, can reset and voice c

3、an adjust.The system includes three modules:single chip microputer control module, voice recording module, power amplifier module. Core ofcontrol moduleis 51SCM mouth line function, through the identification of key to control the voice recording module work model;voice recording module can realize

4、voice processing,storage and playback;power amplifier module for audio signal amplified, to make the sound more clear and bright.The whole design around the following three aspects: the overall design, hardware circuit design, and the design of software. Key Words:AT89C51，phonetic storage ，phonetic

5、playback 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc17006 摘 要 PAGEREF _Toc17006 I HYPERLINK l _Toc5263 ABSTRACT PAGEREF _Toc5263 II HYPERLINK l _Toc31054 目錄 PAGEREF _Toc31054 III HYPERLINK l _Toc30174 第1章 緒論 PAGEREF _Toc30174 1 HYPERLINK l _Toc2873 1.1 課題研究背景 PAGEREF _Toc2873 1 HYPERLINK l _Toc18356 1.2 國外研

6、究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc18356 2 HYPERLINK l _Toc909 1.3 語音存儲技術(shù)的開展前景 PAGEREF _Toc909 2 HYPERLINK l _Toc1879 1.4 設(shè)計任務(wù)與要求 PAGEREF _Toc1879 3 HYPERLINK l _Toc29801第2章 總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc29801 4 HYPERLINK l _Toc10385 2.1 總體方案論證 PAGEREF _Toc10385 4 HYPERLINK l _Toc11254 2.2 器件選擇 PAGEREF _Toc11254 5 HYPERLINK l _T

7、oc19552 2.2.1 單片機的選擇 PAGEREF _Toc19552 5 HYPERLINK l _Toc3269 2.2.2 語音芯片選擇 PAGEREF _Toc3269 6 HYPERLINK l _Toc16987 2.2.3 功放選擇 PAGEREF _Toc16987 6 HYPERLINK l _Toc27191 2.3 各芯片詳細說明 PAGEREF _Toc27191 6 HYPERLINK l _Toc20989 2.3.1 AT89C51芯片 PAGEREF _Toc20989 6 HYPERLINK l _Toc4363 2.3.2 ISD2560語音芯片 PA

8、GEREF _Toc4363 8 HYPERLINK l _Toc29551 2.3.3 LM386集成功率放大器芯片 PAGEREF _Toc29551 12 HYPERLINK l _Toc9611 第3章 硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc9611 15 HYPERLINK l _Toc7055 3.1硬件電路總體設(shè)計 PAGEREF _Toc7055 15 HYPERLINK l _Toc3053 3.2 AT89C51的外圍電路設(shè)計 PAGEREF _Toc3053 15 HYPERLINK l _Toc7492 3.2.1電源 PAGEREF _Toc7492 15 HYPER

9、LINK l _Toc29918 3.2.2晶振電路設(shè)計 PAGEREF _Toc29918 15 HYPERLINK l _Toc29280 3.2.3 復(fù)位電路設(shè)計 PAGEREF _Toc29280 16 HYPERLINK l _Toc14169 3.3 語音電路設(shè)計 PAGEREF _Toc14169 17 HYPERLINK l _Toc4254 3.4 功放電路設(shè)計 PAGEREF _Toc4254 18 HYPERLINK l _Toc10802 3.5 鍵盤輸入電路和狀態(tài)顯示電路設(shè)計 PAGEREF _Toc10802 19 HYPERLINK l _Toc21373 第4章

10、 軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc21373 20 HYPERLINK l _Toc765 4.1 主要變量說明 PAGEREF _Toc765 20 HYPERLINK l _Toc2565 4.2 主程序流程圖 PAGEREF _Toc2565 21 HYPERLINK l _Toc11585 4.3 子程序流程圖及代碼 PAGEREF _Toc11585 22 HYPERLINK l _Toc28612 4.3.1 錄音子程序 PAGEREF _Toc28612 22 HYPERLINK l _Toc25611 4.3.2 放音子程序 PAGEREF _Toc25611 23 HYPE

11、RLINK l _Toc21110 第5章 系統(tǒng)調(diào)試與實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc21110 25 HYPERLINK l _Toc26979 5.1系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc26979 25 HYPERLINK l _Toc29245 5.2實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc29245 27 HYPERLINK l _Toc21049 第6章 總結(jié) PAGEREF _Toc21049 28 HYPERLINK l _Toc22616 參考文獻 PAGEREF _Toc22616 29 HYPERLINK l _Toc21171 附錄 PAGEREF _Toc21171 30 H

12、YPERLINK l _Toc174 致 PAGEREF _Toc174 35 HYPERLINK l _Toc5645 作品使用說明書 PAGEREF _Toc5645 36.1緒論課題研究背景隨著生活節(jié)奏的日益加快，城市智能化建立的不斷開展，在智能儀器儀表和工業(yè)控制系統(tǒng)中增加語音錄放功能成為了極為普遍的現(xiàn)象。添加語音功能不僅使得機器更加“聰明和人性化，還能讓使用者操作更加得心應(yīng)手。當(dāng)前把語音作為效勞手段的行業(yè)越來越多，如電腦語音鐘、語音型數(shù)字萬用表、移動手機智能語音系統(tǒng)、叫號機、語音監(jiān)控報警系統(tǒng)、公交車報站器和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等1?？梢哉f，語音系統(tǒng)是社會生活和生產(chǎn)不可缺少的東西，它的開展是社會

13、進步的必然結(jié)果。語音系統(tǒng)需要建立在硬件根底之上，而其系統(tǒng)的控制核心一般是使用單片機。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點。它幾乎滲透到我們生活的各個領(lǐng)域：軍事領(lǐng)域的各類導(dǎo)航系統(tǒng)，計算機網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，各類工控企業(yè)的自動化實時控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，各類智能IC卡，汽車的報警、導(dǎo)航、平安、娛樂系統(tǒng)，錄音、攝像機，全自動洗衣機系統(tǒng)以及各類發(fā)生遙控玩具和電子寵物等等?？梢哉f，單片機表達的是它強大的控制能力。數(shù)字語音錄放技術(shù)是指利用數(shù)字化技術(shù)對語音信號進展采集、處理、并且在一定存儲設(shè)備中進展存儲，并可在需要時進展輸出的過程。相對于模擬設(shè)備來說，數(shù)字設(shè)備易于集成、小

14、型化、本錢更低，同時更為穩(wěn)定，且操作更為直接、方便，使得數(shù)字語音錄放系統(tǒng)目前在各種領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用2。例如監(jiān)控環(huán)境中使用的語音采集系統(tǒng)；再如家庭或?qū)W校中使用的語音復(fù)讀機等，都可看作是數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的典型應(yīng)用。在對語音信號的處理方面，常規(guī)方法是采用濾波器處理接收到的模擬語音信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，再由單片機控制存儲到存儲器中。在需要輸出語音信號時，亦可由單片機控制從存儲器中輸出，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過IV變換成電壓信號，濾波后通過功放將語音信號輸出。但是這種方法的缺點是，輸出不穩(wěn)定，語音信號有雜音或者變音，這是模擬電路所不能防止的缺點3。為了解決這個問題，我們可以采用專用

15、的語音芯片，利用其模擬信號技術(shù)直接存儲技術(shù)來解決上述問題。語音芯片可以很方便的和單片機系統(tǒng)相結(jié)合，其體積和重量也能符合單片機系統(tǒng)的要求。因此，基于單片機和語音芯片的語音系統(tǒng)應(yīng)運而生。國外研究現(xiàn)狀近年來，語音信號處理技術(shù)的開展可謂日新月異，新技術(shù)的出現(xiàn)為語音錄放系統(tǒng)的開展指引了新的方向。對語音信號的前期采集、中期的處理從之前的對波形進展編碼和壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的參數(shù)編碼和壓縮，從而大大減少了需要存儲的數(shù)據(jù)，節(jié)省了硬件存儲空間。舉例來說，原始語音一般都是采用8KHz抽樣，16bits的線性PCM編碼進展采集，在一般的系統(tǒng)中就直接將采集后的數(shù)據(jù)進展存儲；而如果采用參數(shù)編碼對采集后的數(shù)據(jù)進展壓縮，存儲量則

16、可以大大減少，當(dāng)需要恢復(fù)語音時，可利用編碼后的參數(shù)進展合成，可以得到質(zhì)量令人滿意的結(jié)果。目前比較典型的語音器件有早些的ISD2560、ISD1420到現(xiàn)在的ISD4004、ISD1700，ISD系列是由美國ISD公司研發(fā)的專業(yè)語音處理芯片。芯片采用模擬信號直接存儲技術(shù)，將聲音信號直接寫入存儲單元而不經(jīng)A/D或D/A轉(zhuǎn)換，所以使用ISD芯片能非常好的再現(xiàn)語音，可防止因一般固體語音電路的量化和壓縮所引起的量化噪聲和失真情況。另外芯片功能強大：即錄即放、語音可掉電保存、10萬次的擦寫壽命、手動操作和CPU控制兼容、可多片級聯(lián)、無需開發(fā)系統(tǒng)等等，確實給欲實現(xiàn)語音功能的單片機應(yīng)用設(shè)計人員提供了解決方案。

17、現(xiàn)在市場上已有公司將以AT89C2051單片機與ISD語音芯片組成的語音組合板，用串口通信，芯片里固化有一些常用語音詞匯，用戶不需了解語音功能的工作原理，只需通過串口按一定協(xié)議發(fā)送代碼即可送出語音。語音存儲技術(shù)的開展前景未來語音存儲技術(shù)的革新主要是硬件技術(shù)處理能力以及語音編碼技術(shù)的進步。單片機技術(shù)的開展越來越快，未來將向低功耗、微型化開展。以51為根底的模式不會動搖，但在容量和性能上將作出很大提高，而串行總線構(gòu)造可以使得單片機系統(tǒng)構(gòu)造更加簡單和規(guī)。語音存儲與回放技術(shù)的核心是語音編碼，它是現(xiàn)代語音技術(shù)的三大核心之一語音識別、文本語音轉(zhuǎn)換、語音編碼。在未來，實現(xiàn)速度在2.44.8Kbps的高質(zhì)量的

18、加密方式。另一方面，將采用更先進的技術(shù)對語音信號進展處理，減少存儲空間。而在整體的語音技術(shù)發(fā)面，智能語音將是未來開展的主要方向。語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)，將是未來的主導(dǎo)，他們將推動語音技術(shù)向語境真實化和多模態(tài)化開展，但是面臨的核心技術(shù)也將越來越難4。而在另一方面，未來數(shù)字化和信息化的聯(lián)系日益嚴(yán)密，繼而影響科技進步和現(xiàn)代化進程。在現(xiàn)代社會，推動時代開展的根本力量，仍然是信息化和科技進步推動的全球經(jīng)濟一體化。像語音存儲技術(shù)一樣的數(shù)字化技術(shù)的進步，一方面能推動人類社會的開展；另一方面，人類綜合能力、實踐能力和創(chuàng)新能力的提高，也會推動數(shù)字信息化在更高領(lǐng)域里德創(chuàng)造。 設(shè)計任務(wù)與要求本文的設(shè)計任務(wù)是用A

19、T89C51單片機設(shè)計一款數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)，要求整個系統(tǒng)錄音時間到達60s，放音效果真實清晰，采樣頻率達8KHZ，工作電壓5V，系統(tǒng)錄放音可受按鍵控制，可復(fù)位且音量可調(diào)有較強的抗干擾能力。設(shè)計要求：首先要確定總體的設(shè)計方案，繪制出總體構(gòu)造框圖，分析系統(tǒng)的工作原理以及各個元器件的功能作用；再完成各單元具體電路的設(shè)計，包括單片機最小系統(tǒng)硬件電路、外圍、語音錄放、功放、鍵盤輸入等電路；最后用編程軟件完成程序編寫和燒入并對系統(tǒng)進展調(diào)試?？傮w方案設(shè)計2.1 總體方案論證 方案一：利用單片機及其外圍硬件電路，包括A/D、D/A、濾涉及放大電路等，就能完成語音信號的數(shù)字化采集、存儲和回放的功能。系統(tǒng)主

20、要由ATMEL公司的AT89C51、ADC、DAC及閃速存儲器組成。它的原理圖如圖2-1所示。錄音時，模擬語音信號先通過MIC轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，再經(jīng)專用的音頻前置放大器放大和帶通濾波器濾波后，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機控制數(shù)字信號存儲在存儲器中；在需要放音時，單片機控制數(shù)字信號從存儲器中讀出，再經(jīng)D/A的轉(zhuǎn)換復(fù)原成模擬信號，再通過濾波、放大后由揚聲器輸出5。這種方法過程簡單，但是語音信號容易受到外界的干擾而失真，并且信號的壓縮存儲比較復(fù)雜，硬件電路不宜調(diào)試。圖2-1 方案一系統(tǒng)原理圖方案二：可采用單片機與專用的語音處理芯片來設(shè)計語音存儲與回放系統(tǒng)，實現(xiàn)對語音的錄放功能。采用語音

21、芯片技術(shù)來處理語音信號，系統(tǒng)具有抗干擾能力強，存儲方便，調(diào)試簡單，可作為語音效勞的子系統(tǒng)等縱多優(yōu)點。在一塊芯片上集成有麥克風(fēng)前置放大器、自動增益控制電路、抗混淆和平滑濾波器、模擬存儲陣列、揚聲器驅(qū)動器、控制接口和部準(zhǔn)確的參考時鐘。加上麥克風(fēng)、揚聲器，開關(guān)和少數(shù)的幾個電容、電阻和電源，就可構(gòu)成一個完整的語音錄放系統(tǒng)。我們以ISD公司的生產(chǎn)的ISD2560系列語音芯片為例，系統(tǒng)原理框圖如圖2-2所示。模擬語音語音信號進過麥克風(fēng)之后直接送入ISD2560芯片加以處理和存儲，放音時，ISD2560芯片再把存儲好的數(shù)字信號復(fù)原成模擬信號，再通過放大器把信號放大，最后用揚聲器放出來6。該系統(tǒng)具有重復(fù)錄放、

22、音質(zhì)好、低功耗、抗強干擾等優(yōu)點。圖2-2 方案二系統(tǒng)原理圖通過有效性和實用性比照，發(fā)現(xiàn)方案二具有更強的優(yōu)勢，因此選擇方案二。下面，就針對此方案做具體的介紹。2.2 器件選擇2.2.1 單片機的選擇單片機是一種集成電路芯片，即在一塊集成電路芯片上集成微處理器、存儲器、I/O接口電路，從而構(gòu)成單芯片的微型計算機。它具有中斷、獨立定時器/計時器等功能，有著出色的控制能力。進過數(shù)十年的研究開展，目前單片機家族復(fù)雜龐大，包括STC單片機、PIC單片機、MCS系列單片機、ATMEL單片機、TI單片機和AVR單片機等等。單片機有著強大的線控能力，和我們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)息息相關(guān)。本文選用目前普遍使用的ATMEL

23、公司的51系列單片機作為控制核心，以下是兩款51單片機的性能比照表。AT89C51是帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能8位單片機，有兩個定時計數(shù)器和六個中斷源。而AT89C2051作為AT89C51的精簡版本只帶2K字節(jié)閃存且口線較少，不利后期口線拓展，因此我們選AT89C51單片機。表2-1 AT89C51和AT89C2051主要性能比照工程AT89C51AT89C2051存儲器4KB可編程Flash存儲器2KB可編程Flash存儲器存儲器三級程序存儲器兩級程序存儲器部RAM128字節(jié)128字節(jié)靜態(tài)工作頻率0Hz24MHz0Hz24MHz定時/計數(shù)器2個16位定時/計數(shù)器2個16位定

24、時/計數(shù)器串行通訊口1個串行通訊口1個串行通訊口中斷源6個中斷源6個中斷源I/O引線32條I/O引線15條I/O引線2.2.2 語音芯片選擇語音芯片分語音IC和音樂IC，它部集成有麥克風(fēng)前置放大器、自動增益控制電路、抗混淆和平滑濾波器、模擬存儲陣列、揚聲器驅(qū)動器、控制接口和準(zhǔn)確的參考時鐘。它能自動完成語音數(shù)據(jù)的采集、分析、壓縮、存儲等步驟，一次錄放音包括ADC和DAC兩個過程：語音信號通過采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字，存儲在IC的ROM中，再通過電路將ROM中的數(shù)字復(fù)原成語音信號。本設(shè)計要求系統(tǒng)錄音時間到達40s以上，采樣頻率達8KHz，因此可選用普遍使用的ISD2560語音芯片。2.2.3 功放選擇為使系

25、統(tǒng)外圍元件最少，信號諧波失真率小和信號增益調(diào)節(jié)圍大，我們可使用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM386音頻集成功率放大器。2.3 各芯片詳細說明2.3.1 AT89C51芯片AT89C51單片機是一款自帶4KB字節(jié)FLASH存儲器的高性能微處理器，分辨率為8位。該器件采用ATMEL獨有存儲技術(shù)制造，兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集。以下是它的主要特點： 1與MCS51兼容24k字節(jié)可編程Flash 閃速存儲器3壽命：1000寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保存時間：10年4全靜態(tài)操作：0Hz24MHz5三級加密程序存儲器61288字節(jié)部RAM732個可編程I/O口線82個16位定時/計數(shù)器 95個中斷源10可編程串

26、行UART 通道11低功耗空閑和掉電模式12片振蕩器和時鐘電路AT89C51芯片引腳排列詳見附錄1，下面就本設(shè)計的相關(guān)的引腳作功能介紹。P0口是一個8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當(dāng)外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線低8位和數(shù)據(jù)總線復(fù)用。外部不擴展而單片應(yīng)用時，則作一般雙向I/O口用。P0口每一個引腳可以推動8個LSTTL負(fù)載。P1口是具有部提升電路的雙向I/O端口準(zhǔn)雙向并行I/O口，其輸出可以推動4個LSTTL負(fù)載且僅可以作為用戶的輸入輸出端口。P2口也是具有部提升電路的雙向I/O端口準(zhǔn)雙向并行I/O口，如果程序的是外部ROM時，它是作高8位地址。當(dāng)僅使用部ROM時，則作一般雙向I/O口。每一個引腳輸出

27、可以推動4個LSTTL負(fù)載7。P3口是一組帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的復(fù)用功能，如表2-2所示。RST：復(fù)位輸入。VCC：AT89C51的正極，輸入+5V電壓。GND：電源接地端。*TAL1：接外部晶振的一個引腳。在單片機部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片振蕩器。當(dāng)它采用外部振蕩器時，一些引腳應(yīng)接地。表2-2 P3口復(fù)用功能表端口引腳復(fù)用功能P3.0R*D串行通信輸入P3.1T*D串行通信輸出P3.2INT0外部中斷0輸入，低電平有效P3.3INT1外部中斷1輸入，低電平有效P3.4T0計數(shù)器0,外部事件計數(shù)輸入端P3.5T

28、1計數(shù)器1,外部事件計數(shù)輸入端P3.6WR外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效P3.7RD外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效*TAL2：接外部晶振的一個引腳。在片接至振蕩器的反相放大器輸出端和部時鐘發(fā)生器輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。EA/VPP：當(dāng)該引腳為低電平時，單片機讀取的是外部的程序存儲器中的程序來執(zhí)行。因此對于8031來說，EA腳必須接低電平，因為它無片程序存儲器。而對于AT89C51或其它部有程序存儲器的單片機來說，當(dāng)初引腳接高電平時，單片機首先會在片程序存儲器中取指令，當(dāng)PC的容超過FFFH時系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)向片外程序存儲器中取指令。2.3.2 ISD256

29、0語音芯片用ISD系列語音芯片進展錄音可具有音質(zhì)自然、單片存儲、反復(fù)錄放、低功耗等優(yōu)點。一塊 ISD 芯片上集成有麥克風(fēng)前置放大器AMP、自動增益控制電路AGC、抗混淆和平滑濾波器、模擬存儲陣列、揚聲器驅(qū)動器、控制接口和部準(zhǔn)確的參考時鐘，加上外部元件液晶、麥克風(fēng)、揚聲器、開關(guān)和少數(shù)電阻、電容，再加上電源即可組成最簡單語音系統(tǒng)。ISD2560語音芯片是美國ISD公司較為成熟的語音錄放產(chǎn)品。它是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間達60s，可重復(fù)錄放10余萬次。芯片采用多電平模擬量直接存儲專利技術(shù)，無需外圍的A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路。每個采樣數(shù)據(jù)值直接由芯片自動存儲在片ROM單元中，播放時直接將存儲

30、的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，所以它能十分真實地再現(xiàn)人聲、音樂、語調(diào)和聲效，可防止一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲。ISD2560集成度較高，部有前置放大器、自動增益控制、部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480K的EEPROM等8。2.3.2.1 ISD2560引腳說明ISD2560的引腳排列詳見附錄1，各引腳的主要功能說明如下：A0/M0A6/M6、A7A9：地址線，ISD器件可以實現(xiàn)1600段錄放語音功能，每段錄放音都有一個起始端，該起始地址的選擇由A0A9確定。當(dāng)A8、A9同時為高電平時可以選擇工作模式。AU* IN：當(dāng)和為高，放音不進展，或處于放音溢出

31、狀態(tài)時，本端的輸入信號通過部功放驅(qū)動喇叭輸出端。VSSD、 VSSA：數(shù)字地和模擬地，這兩腳最好在引腳焊盤上相連。SP+、SP-：揚聲器輸出。VCCA、VCCD：模擬電源、數(shù)字電源，盡可能在靠近供電端處相連。MIC：本端連至片前置放大器，外接話筒應(yīng)通過串聯(lián)電容耦合到本端，耦合電容值和本端的10K輸入電阻。MIC REF：本端是前置放大器的反向輸入。當(dāng)以差分形式連接話筒時，可減小噪聲，提高共模抑制比。AGC：AGC動態(tài)調(diào)整前置增益以補償話筒輸入電平的寬幅變化，使得錄制變化很大的音量時失真都能保持最小。響應(yīng)時間取決于本端的5K輸入阻抗外接的對地電容的時間常數(shù)。釋放時間取決于本端外接的并聯(lián)對地電容和

32、電阻的時間常數(shù)。470K和4.7uF的標(biāo)稱值在絕大多數(shù)場合下可獲得滿意的效果。ANA IN：芯片錄音信號輸出端，它通過外接電容與話筒的ANA OUT端相連接。ANA OUT：前置放大器的輸出，前置電壓增益取決于AGC端電平。：芯片處于存儲空間末尾時本端輸出低電平脈沖表示溢出，之后狀態(tài)隨端變化，直至PD端變?yōu)楦唠娖健＃寒?dāng)?shù)碗娖接行r而且PD為低，允許語音芯片進展錄放操作。芯片在本端的下降沿鎖存地址線和端的狀態(tài)。PD：當(dāng)該端為高電平時，芯片停頓工作，且不耗電，芯片發(fā)生溢出，即端輸出低電平后，本端口短暫變高電平。只有復(fù)位芯片，才能使之再次工作。：EOM是在錄音時由芯片自動插入到語音信息的結(jié)尾作為完畢

33、的標(biāo)志。當(dāng)放音時，一遇到EOM，本端口即刻輸出低電平脈沖。芯片部會檢測電源電壓以維護信息的完整性，當(dāng)電壓低于3.5V時，本端變低，芯片只能放音。*CLK：外部時鐘輸入端。本端部有下拉元件，不用時應(yīng)接地。：本端口狀態(tài)在的下降沿鎖存。為高電平時選擇放音，為低電平時選擇錄音。錄音時，由地址端提供起始地址，錄音持續(xù)到或PD變高，或存空間溢出；如果是前一種情況，芯片自動在錄音完畢處寫入EOM標(biāo)志，說明錄音完畢。放音時由地址端提供起始地址，放音直至遇到EOM停頓標(biāo)志。如果一直為低，或芯片工作在*些操作模式，放音會忽略EOM，繼續(xù)進展下去。由于ISD2560置了假設(shè)干種操作模式，因而可用最少的外圍器件實現(xiàn)最

34、多的功能。操作模式也由地址端控制，當(dāng)最高兩位A8、A9都為1時，其它地址端置高可選擇*個或*幾個特定模式。因此操作模式和直接尋址相互排斥。具體操作模式如表2-3所示。操作模式可由微控制器也可由硬件實現(xiàn)。表2-3 模式控制說明表模式控制功能典型應(yīng)用A0/M0信息檢索快速檢索信息A1/M1刪除EOM標(biāo)志在全部語音錄放完畢時，給出EOM標(biāo)志A2/M2未用當(dāng)工作模式 操作時，此端應(yīng)接低電平A3/M3循環(huán)放音從0地址開場連續(xù)重復(fù)放音A4/M4連續(xù)尋址可錄放連續(xù)的多段信息A5/M5CE電平觸發(fā)允許信號中止A6/M6按鈕控制簡化器件接口使用操作模式時需要注意兩點：(1) 任何操作模式都是從0地址開場，隨著不

35、同操作模式，繼而對應(yīng)相應(yīng)的地址。當(dāng)系統(tǒng)錄音轉(zhuǎn)為放音或進入省電狀態(tài)時，地址計數(shù)器復(fù)位為0。當(dāng)CE變低且最高兩地址位同為高時，執(zhí)行操作模式。這種操作模式將一直有效，直到CE再次由高變低，芯片重新鎖存當(dāng)前的地址/模式端電平并執(zhí)行相應(yīng)的操作為止。(2) 操作模式位不加鎖定，可以在MSBA8、A9地址位為高電平時，CE電平變低的任何時間執(zhí)行操作模式操作。如果下一片選周期MSBA8、A9地址位中有一個(或兩個)變?yōu)榈碗娖?，則執(zhí)行信息地址，即從該地址錄音或放音，原來設(shè)定的操作模式狀態(tài)將喪失。2.3.2.2 ISD2560的分段錄放音功能2500系列最多可分為600段，只要在分段錄/放音操作前(不少于300納

36、秒)，給地址A0A9賦值，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開場，錄音完畢由停頓鍵操作決定，芯片部自動在該段的完畢位置插入完畢標(biāo)志EOM；而放音時芯片遇到EOM標(biāo)志即自動停頓放音。2500系列地址空間是這樣分配的：地址0599作為分段用(見表2-4)，地址600767未使用，地址7681023為工作模式選擇。表2-4 2500系列地址空間表十進制二進制信息時間(秒)A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0256025752590000000000000005000001100105.06.257.50100000110010010.012.5015.00250001111101025.031.2

37、537.50300010010110030.037.5045.00400011001000040.050.0060.00500011111010050.062.5075.00599100101011159.974.8789.852.3.2.3 ISD2560的應(yīng)用電路ISD2560芯片部EEPROM存儲單元被均勻分為600行，共600個地址單元。每個地址單元指向其中一行，每一個地址單元的地址分辨率為100ms，共計60s。ISD2560控制電平與TTL電平兼容，接口簡單，使用方便。圖2-3是ISD2560語音錄放的根本電路原理圖9。圖2-3 ISD2560根本電路原理圖錄音時按下錄音鍵S2、S

38、3接地，使節(jié)電控制鍵PD端、錄放模式鍵端為低電平。此時啟動錄音；完畢時松開按鍵，單片機又讓錄放模式鍵端回到高電平，即完成一段語音的錄制。同樣的，按下錄放模式鍵接高電平，使節(jié)電控制鍵PD端為低電平啟動放音功能；完畢時，松開按鍵，即完成一段語音的播放。2.3.3 LM386集成功率放大器芯片LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費類電子產(chǎn)品的放大。它起始部電壓增益為20，因此可以節(jié)省大量外部電路元件。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。LM386芯片的電子特性如表2-5所示。輸入端以地位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓

39、的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場合。輸入電壓圍可由4V12V，無動作時僅消耗4mA電流，且失真低。表2-5 LM386電子特性表工程測試環(huán)境規(guī)格工作電壓VsV45輸入電壓VinV-0.4+0.4輸入阻抗Rik50靜電流IqmAVs=6V,Vin=0V48輸出功率PoutmWVs=6V，Rl=8，THD=10%250325電壓增益(dB)Pin1、8開路26Pin1、8以10F連接46頻寬kHzPin1、8開路300Pin1、8以10F連接60LM386的引腳排列詳見附錄1。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端，引腳5為輸出端，引腳6和4分別

40、為電源和地，引腳1和8為電壓增益設(shè)定端。使用時在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10F。LM386的電源電壓為412V；靜態(tài)消耗電流為4mA；電壓增益為20-200dB；在1、8腳開路時，帶寬為300KHZ；輸入阻抗為50K；音頻功率為0.5W。 盡管LM386的應(yīng)用非常容易，但是在器件上電、斷電瞬間，甚至平穩(wěn)工作后的插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕等操作都會帶來的瞬態(tài)沖擊，使喇叭產(chǎn)生非常討厭的噪聲，所以使用時需要做好相應(yīng)除噪措施。各引腳外圍電路的接法介紹如下：(1) 通過在1腳、8腳間接入電容和電阻1腳接電容“+極來改變增益，斷開時增益為20dB。(2) 選好調(diào)節(jié)音量的電位器。阻值不要太大，10K

41、最適宜，太大也會影響音質(zhì)。(3) 盡可能采用雙音頻輸入/輸出。好處是：“、“輸出端可以很好地抵消共模信號，故能有效抑制共模噪聲。(4) 第7腳BYPASS的旁路電容不可少。實際應(yīng)用時，BYPASS端必須外接一個電解電容到地，起濾除噪聲的作用。工作穩(wěn)定后，該管腳電壓值約等于電源電壓的一半。增大這個電容的容值，減緩直流基準(zhǔn)電壓的上升、下降速度，有效抑制噪聲。在器件上電、掉電時的噪聲就是由該偏置電壓的瞬間跳變所致。(5) 減少輸出耦合電容。此電容的作用有二10：隔直與耦合。隔斷直流電壓，直流電壓過大有可能會損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號。它與揚聲器負(fù)載構(gòu)成了一階高通濾波器。減小該電容值，可使噪聲能

42、量沖擊的幅度變小、寬度變窄；太低還會使截止頻率提高。經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)10uF/4.7uF最為適宜。硬件電路設(shè)計3.1硬件電路總體設(shè)計本系統(tǒng)主要可分為三個局部：單片機控制局部、語音錄放局部、功放局部。采用51單片機作為控制核心，利用ISD2560實現(xiàn)語音的錄放，采用LM386集成功放使聲音放大，簡單易行且控制方便。ISD2560與單片機AT89C51的接口電路以及外圍電路11見附錄1。單片機的P1口、以及P2口中的局部口線分別與ISD2560的地址線相連，用來設(shè)置語音段的起始地址和控制操作模式；此外，P2口還控制錄放音狀態(tài)；P0連接按鍵，供錄放音使用以及接發(fā)光二極管，用以提示當(dāng)前錄放音狀態(tài)。3.2

43、AT89C51的外圍電路設(shè)計3.2.1電源 為設(shè)計使用方便，可采用外部適配器供電。5.0V，300mA，通過USB線與整個電路相連。3.2.2晶振電路設(shè)計單片機是一種時序電路，必須要提供時鐘脈沖信號它才能正常工作。時鐘信號是整個單片機系統(tǒng)時間基準(zhǔn)，能為各種指令的執(zhí)行提供時鐘節(jié)拍。通常單片機有兩種方式得到系統(tǒng)時鐘信號：部振蕩、外部振蕩。圖3-1 晶振電路設(shè)計圖本系統(tǒng)采用的是12MHz的晶振，電容采用22pF的瓷電容，其具體設(shè)計如圖3-1所示。3.2.3 復(fù)位電路設(shè)計當(dāng)任何一個復(fù)位信號產(chǎn)生時，C51的所有I/O端口都會立即復(fù)位成它們的初始值，并不需要時鐘源處于運行狀態(tài)。在復(fù)位信號撤消后，硬件系統(tǒng)將

44、調(diào)用一個計數(shù)延時過程，經(jīng)過一定的延時后，才能進展系統(tǒng)部的真正復(fù)位啟動。采用這種形式的復(fù)位啟動過程，可以保證電源到達穩(wěn)定后才使單片機進入正常的操作。復(fù)位啟動的延時時間可以由用戶通過對程序的編譯來定義。51單片機有3種復(fù)位方式12：(1) 上電復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)接通電源時，RST引腳獲得高電平且保持2個機器周期以上，單片機產(chǎn)生復(fù)位。(2) 按鍵復(fù)位。與上電復(fù)位類似，當(dāng)一個高電平加到RST引腳且超過2機器周期時，單片機產(chǎn)生復(fù)位。(3) 看門狗(WDT)復(fù)位。其工作原理是：看門狗芯片和單片機的一個I/O引腳相連，該I/O引腳通過程序控制它定時地往看門狗的這個引腳上送入高電平(或低電平)，這一程序語句是分散地

45、放在單片機其他控制語句中間的，一旦單片機由于干擾造成程序“跑飛后而陷入死循環(huán)狀態(tài)時，寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行。這個時候，看門狗電路就會由于得不到單片機送來的信號，便在它和單片機復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個復(fù)位信號，使單片機發(fā)生復(fù)位，即程序從程序存儲器的起始位置開場執(zhí)行，這樣便實現(xiàn)了單片機的自動復(fù)位。因此，看門狗復(fù)位方式可以有效的監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，提高了系統(tǒng)自身的抗干擾能力，使系統(tǒng)能夠在具有一定干擾的環(huán)境中正常工作。圖3-2 復(fù)位電路圖本系統(tǒng)使用的是外部按鍵復(fù)位方式，高電平通過復(fù)位端電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)的，電路如上圖3-2所示。為了提高系統(tǒng)可靠性，再加上一個10uF的電解電容來消除

46、高頻干擾和雜波。3.3 語音電路設(shè)計本系統(tǒng)采用ISD2560語音芯片，其語音電路圖如圖3-3所示13。圖3-3 語音錄放電路圖各引腳外圍電路的接法可參考前文所述的引腳說明。揚聲器輸出信號與功放相連，將聲音信號放大。3.4 功放電路設(shè)計為使從語音芯片出來的信號穩(wěn)定不衰減，特參加功放電路，如圖3-4所示14,15，圖3-4 功放電路圖信號從ISD2560的14腳出來進入LM386的運放腳，經(jīng)放大后與揚聲器相接。第1腳和第8腳之間接入一個電容和電阻，可是LM386增益達200dB。3.5 鍵盤輸入電路和狀態(tài)顯示電路設(shè)計單片機作為控制核心，它只要任務(wù)是控制語音芯片的錄放音功能。圖3-5 單片機控制鍵盤

47、輸入和狀態(tài)顯示電路圖我們可以通過按鍵識別來分別控制錄音和放音過程16，因此該系統(tǒng)具有2個按鍵：錄音按鍵、放音按鍵。狀態(tài)顯示通過發(fā)光二極管來完成，3盞燈分別對應(yīng)的芯片開場工作、錄音開場和放音開場3種狀態(tài)。這局部的電路圖如圖3-5所示。軟件設(shè)計如果說一個系統(tǒng)的硬件好比人的身體，則軟件就是人的靈魂。軟件的設(shè)計根底是硬件，假設(shè)硬件無常工作，再優(yōu)秀的軟件也無法實現(xiàn)任何功能。同樣的，如果沒有軟件，再強大的硬件也只是一個空殼。我們在確定了一項設(shè)計所要實現(xiàn)的功能后，根據(jù)要實現(xiàn)的功能設(shè)計出相應(yīng)的硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)搭建起來之后，假設(shè)調(diào)試無誤，才進展相應(yīng)的軟件模塊的設(shè)計。本系統(tǒng)采用51系列單片機作為硬件核心，單片機

48、的軟件局部采用匯編語言開發(fā)，軟件采用符合匯編語言的Keil編譯器編譯。本設(shè)計的軟件功能主要完成以下過程：初始化，當(dāng)單片機掃描錄音鍵按下時，置端為低電平，芯片開場錄音，然后一直掃描RECORD所表示的錄音按鍵是否松開，假設(shè)按鍵松開，則置端為高電平，錄音完畢；當(dāng)放音鍵按下后，置PR端為1，進入放音狀態(tài)，將端置為低電平，啟動播放，播放過程中等待語音段完畢信號EOM，當(dāng)EOM=0時，提示語音信號完畢，返回主程序并進展下一步操作。4.1 主要變量說明程序中的主要變量及相關(guān)功能如下：LED1LED3：描述發(fā)光二極管的關(guān)斷。當(dāng)這3個變量分別為1時，二極管熄滅，當(dāng)變量為1時，二極管點亮。RECORD：描述錄音

49、鍵按下的狀態(tài)。該變量為1表示錄音鍵按下，為0表示錄音鍵松開。PLAY：描述放音鍵按下的狀態(tài)。該變量為1表示放音鍵按下，為0表示放音鍵松開。PD：控制芯片的工作狀態(tài)。PD=0時，芯片開場工作；PD=1時，芯片停頓工作，進入節(jié)電狀態(tài)。PR：控制語音芯片所處的工作模式。該變量置為0時，芯片處于錄音模式；置為1時，芯片處于放音模式。CE：對芯片進展片選。當(dāng)CE=0且PD=0時，允許芯片進展錄放的的操作；CE=1時，無法進展錄放操作。EOM：信息完畢的標(biāo)志。一段語音信號錄制完畢后，EOM標(biāo)志由芯片自動插入到信息結(jié)尾，放音過程中，假設(shè)EOM=0，說明信號完畢，停頓播放。4.2 主程序流程圖本系統(tǒng)中單片機控

50、制語音芯片錄放的程序主要是單片機對ISD2560芯片的控制字的寫入，程序流程圖如圖4-1所示17。ISD2560 雖然提供了地址輸入線，但它的部信息段的地址卻無法讀出，需要采用直接尋址模式進展尋址。其實現(xiàn)方式有兩種：一是由于ISD2560 的地址分辨率為100 ms，所以可用單片機部定時器定時為100 ms，然后再利用計數(shù)器對單片機定時次數(shù)進展計數(shù)，則計數(shù)器的計數(shù)值為語音段所占用的地址單元，該方式能充分利用ISD2560 部的EEPROM，在字段較多時可利用該方法；二是語音字段如果較少，則可根據(jù)每一字段的容多少，直接分配地址單元。一般按每秒說3個字計算，60s可說180個字，再根據(jù)ISD256

51、0的地址分辨率為100ms，即可計算出語音段所需的地址單元數(shù)。本系統(tǒng)完成的是語音單段錄放的功能，可不必采用直接尋址模式，而是設(shè)置A8、A9和A6的電平為高，利用按鈕控制操作模式完成對單段語音信號的錄放即可。在這種模式下，語音存儲的起始地址默認(rèn)從0開場。程序首先是系統(tǒng)的初始化，設(shè)置P1的狀態(tài)使得語音芯片處于按鍵控制的操作模式下。后將PD端置為0，芯片啟動。再置PR端為0，設(shè)置芯片在錄音狀態(tài)。此后循環(huán)掃描RECORD和PLAY鍵按下的狀態(tài)。RECORD鍵按下后，進入錄音模式，調(diào)用錄音子程序開場錄音。PLAY鍵按下后，進入放音狀態(tài)，調(diào)用放音子程序開場放音。放音完畢后，PD端置1，芯片停頓工作，其程序

52、代碼見附錄2。圖4-1 主程序流程圖4.3 子程序流程圖及代碼4.3.1 錄音子程序錄音子程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2 錄音子程序流程圖錄音鍵按下后，置端為低電平，芯片開場錄音。然后一直掃描RECORD所表示的錄音按鍵是否松開，假設(shè)按鍵松開，則置端為高電平，錄音完畢。程序段如下：CLR CE；開場錄音CLR LED2SETB LED1；燈2亮，燈1滅JNB RECORD，$SETB CE；錄音鍵松開后，錄音完畢 SETB LED2CLR LED1；燈2滅，燈1亮 4.3.2 放音子程序放音程序的流程圖如圖3-3所示。圖4-3 放音子程序流程圖放音鍵按下后，置PR端為1，進入放音狀態(tài)。將端

53、置為低電平，啟動播放。播放過程中等待語音段完畢信號EOM，當(dāng)EOM=0時，提示語音信號完畢。返回主程序并進展下一步操作。放音程序段如下：SETB PR；置放音狀態(tài)CLR CE；啟動播放CLR LED3；STEB LED1；燈3亮，燈1滅NOP NOPTURN: EOM,TURN；等待語音段完畢信號SETB LED3；CLR LED1；燈3滅，燈1亮 系統(tǒng)調(diào)試與實驗結(jié)果5.1系統(tǒng)調(diào)試1.按硬件電路設(shè)計圖焊接好實物：圖5-1 實物效果圖圖5-2 反面焊接圖2.用Keil軟件將程序燒入51單片機中： 圖5-3 程序編寫圖3.接通電源，按下開關(guān)，系統(tǒng)電源指示燈亮，電路顯示正常并開場工作：圖5-4 電路

54、工作圖4.按下錄音鍵不放錄音指示燈亮，系統(tǒng)鍵入錄音狀態(tài)，將音源對著MIC進展錄音：圖5-5 系統(tǒng)錄音圖5.錄音完畢后，按下放音鍵放音指示燈亮，系統(tǒng)開場放音：圖5-6 系統(tǒng)放音圖5.2實驗結(jié)果經(jīng)測試，整個系統(tǒng)錄音時間可達60s，錄放音操作簡單方便，聲音輸出較清晰，音質(zhì)較好，無明顯雜音。整個系統(tǒng)電路簡單明了，無需過多元器件即可正常工作，因此具有良好的實用性，可用于生活生產(chǎn)各個領(lǐng)域。總結(jié)本文設(shè)計的語音系統(tǒng)硬件電路簡單，調(diào)試方便。即可作為生活中常見的語音設(shè)備的系統(tǒng)，又可作為語音效勞系統(tǒng)的子系統(tǒng)。針對ISD語音芯片的特點，設(shè)計出的一種由單片機控制，能夠?qū)崿F(xiàn)錄放功能的語音電路，可作為錄音機、復(fù)讀機、錄音筆

55、、音頻記錄儀使用，既節(jié)省存儲空間，又降低本錢，具有很高的實用價值和推廣意義。ISD語音芯片精度高，集成度高，能夠使得微機的語音輸出構(gòu)造大大的簡化，能使生產(chǎn)的造價大大的降低；由于ISD芯片的抗干擾性強，所以在惡劣的環(huán)境的系統(tǒng)中也能正常使用，例如：機動車輛，語音室里都能正常的輸出語音，信息保存時間長，工作可靠；輸出可以高保真的再現(xiàn)原聲，可將ISD芯片用于語音及聲音信號的檢測或模擬系統(tǒng)，能實現(xiàn)語音的非定長錄制。 對于該系統(tǒng)的改進，主要有2個方面：一是硬件局部的改進，利用AT89C51芯片余下的管腳可以外接一顯示模塊，對當(dāng)前錄放音的狀態(tài)進展顯示；二是對于軟件局部，可以利用ISD2560直接尋址模式對語

56、音信號分段錄放。ISD2560最大錄音時間為60s，對聲音信號分段錄音，設(shè)置各錄音段的起始地址，存儲在芯片的存儲器中，放音時，直接尋找到起始地址就能實現(xiàn)對各段語音信號的播放了。雖然該款芯片已漸漸退出歷史舞臺，更加先進和強大功能的ISD4000系列和ISD1700系列以取代它的低位。但是它猶如51單片機一樣，后來的產(chǎn)品都是由它開展而來。學(xué)習(xí)完ISD2560芯片，對于掌握其他同類功能的芯片將是一個良好的根底。參考文獻王立鳳,戴明.基于ISD2560語音芯片的錄放電路設(shè)計J.電子元器件應(yīng)用,2021,(09):42-43.曲洪權(quán),柯南,北南.基于FPGA控制的數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)J.電子技術(shù),2021,(12):30-31.堯.語音技術(shù)的開展與應(yīng)用J.通信世界,2001,(