【正文】 .....................................................................28 參考文獻 ...........................................................................................................................29 附錄 ..................................................................................................................................30 致謝 ..................................................................................................................................35 作品使用說明書 ................................................................................................................36 [鍵入文字 ] 1 第 1章 緒論 課題研究背景 隨著生活節(jié)奏的日益加快，城市智能化建設(shè)的不斷發(fā)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 作為服務(wù) 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，它的發(fā)展是社會進步的必然結(jié)果。 語音系統(tǒng)需要建立在硬件基礎(chǔ)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、安全、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， 單片機體現(xiàn)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)對語音信號進行采集、處理、并且在一定存儲設(shè)備中進行存儲，并可在需要時進行輸出的過程。相對于模擬設(shè)備來說，數(shù)字設(shè)備易于集成、小型化、成 本更低，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[鍵入文字 ] 2 過 I\V 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避免的缺點 [3]。 為了解決這個問題，我們可以采用專用的語音芯片 ，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 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來，語音信號處理技術(shù) 的發(fā)展可謂日新月異 ， 新技術(shù)的出現(xiàn) 為語音 錄放系統(tǒng) 的發(fā)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 進行 編碼 和壓縮 轉(zhuǎn)變?yōu)?現(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 編碼進行采集，在一般的系統(tǒng)中就直接將采集后的數(shù)據(jù)進行存儲；而如果采用參數(shù)編碼對采集后的數(shù)據(jù)進行壓縮，存儲量則可以大大減少，當(dāng)需要恢復(fù)語音時，可利用編碼后的參數(shù)進行合成，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 ISD400ISD1700， 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，可避免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?，F(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)的發(fā)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)的發(fā)展越來越快，未來將向低功耗、微型化發(fā)展。以 51 為基礎(chǔ)[鍵入文字 ] 3 的模式不會動搖，但在容量和性能上將作出很大提高，而串行總線結(jié)構(gòu)可以使得單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單和規(guī)范。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 ~ 的高質(zhì)量的加密方式。另一方面，將采用更先進的技術(shù)對語音信號進行處理，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 未來發(fā)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)化發(fā)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)系日益緊密，繼而影響科技進步和現(xiàn)代化進程。在現(xiàn)代社會，推動時代發(fā)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發(fā)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 AT89C51 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)錄音時間達到 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，繪制出總體結(jié)構(gòu)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)進行調(diào)試。 [鍵入文字 ] 4 第 2章 總體方案設(shè)計 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、濾波及放大電路等，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)主要由 ATMEL公司的 AT89C5 ADC、 DAC 及閃速存儲器組成。它的原理圖如圖 21 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)換還原成模擬信號，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。 A T 8 9 C 5 1帶 通 濾 波 器 帶 通 濾 波 器A / D 轉(zhuǎn)換D / A 轉(zhuǎn)換采 樣 保 持閃 速 存 儲 器M I C放 大 器 放 大 器S p e a k e r 圖 21 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，可作為語音服務(wù)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[鍵入文字 ] 5 儲陣列、揚聲器驅(qū)動器、控制接口和內(nèi)部精確的參考時鐘。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 22 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)字信號還原成模擬信號，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、音質(zhì)好、低功耗、抗強干擾等優(yōu)點。 單 片 機 控 制I S D 2 5 6 0S p e a k e rM I C按 鍵 控 制功 率 放大 器 圖 22 方案二系統(tǒng)原理圖 通過有效性和實用性對比，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。 器件選擇 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)十年的研究發(fā)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)。 [鍵入文字 ] 6 本文選用目前普遍使用的 ATMEL 公司的 51 系列單片機作為控制核心，以下是兩款 51 單片機的性能對比表。 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 21 AT89C51 和 AT89C2051 主要性能對比 項目 AT89C51 AT89C2051 存儲器 4KB 可編程 Flash 存儲器 2KB 可編程 Flash 存儲器 存儲器保密 三級程序存儲器保密 兩 級程序存儲器保密 內(nèi)部 RAM 128 字節(jié) 128 字節(jié) 靜態(tài)工作頻率 0Hz~24MHz 0Hz~24MHz 定時 /計數(shù)器 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 2 個 16 位定時 /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 語音芯片選擇 語音芯片分語音 IC 和音樂 IC，它內(nèi)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、控制接口和精確的參考時鐘。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)字還原成語音信號。 本設(shè)計要求系統(tǒng)錄音時間達到 40s 以上，采樣頻率達 8KHz，因此可選用普遍使用的 ISD2560 語音芯片。 功放選擇 為使系統(tǒng)外圍元件最少，信號諧波失真率小和信號增益調(diào)節(jié)范圍大，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。 [鍵入文字 ] 7 各芯片詳細(xì)說明 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 MCS51指令集。以下是它的主要特點： （ 1）與 MCS—51 兼容 （ 2） 4k 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)保留時間： 10 年 （ 4）全靜態(tài)操作： 0Hz—24MHz （ 5）三級加密程序存儲器 （ 6） 1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM （ 7） 32 個可