【正文】 聲音采集與回放項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來(lái)越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低、使用靈活等特點(diǎn)，顯示出其明顯的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。在人們不斷增長(zhǎng)的物質(zhì)與文化的需要下，電子產(chǎn)品在大眾的生活，學(xué)習(xí)以及工作中的地位顯的舉足重輕。電子產(chǎn)品不斷的更新?lián)Q代，消費(fèi)者對(duì)電子產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高，因此對(duì)電子產(chǎn)品的技術(shù)以及開發(fā)速度也帶來(lái)不斷的挑戰(zhàn)。計(jì)算機(jī)的誕生，給人類帶來(lái)歷史性的飛躍。在現(xiàn)代的各種電子設(shè)計(jì)技術(shù)中，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)作為主流的電子開發(fā)技術(shù)之一，所謂單片機(jī)(Single Chip Microputer)，是指在一塊芯片中集成有中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器(RAM 和 ROM)、基本 I/O 接口以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等部件，并具有獨(dú)立指令系統(tǒng)的智能器件，即在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的基本功能。如果是簡(jiǎn)單控制對(duì)象，只需利用單片機(jī)作為控制核心，不需另外增加外部設(shè)備就能完成。對(duì)于較復(fù)雜的系統(tǒng)，只需對(duì)單片機(jī)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展即可，十分方便。歸納起來(lái)，單片機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：(1)單片機(jī)具有獨(dú)立的指令系統(tǒng)，可以將我們的設(shè)計(jì)思想充分體現(xiàn)出來(lái)(2)系統(tǒng)配置以滿足控制對(duì)象的要求為出發(fā)點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比。 (3)應(yīng)用系統(tǒng)通常將程序駐留在片內(nèi)(外)ROM 中，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，使用方便。 (4)由于系統(tǒng)規(guī)模較小，其本身不具有自我開發(fā)能力，一般需借助專用的開發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試，而實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)簡(jiǎn)單實(shí)用，成本低，效益好。 (5)應(yīng)用系統(tǒng)所用存儲(chǔ)器芯片可選用 EPROM、E2PROM、OTP 芯片或利用掩膜形式生產(chǎn)，便于批量開發(fā)和應(yīng)用。許多單片機(jī)(如 80C51 系列)的開發(fā)芯片和擴(kuò)展應(yīng)用芯片相互配套，降低了系統(tǒng)成本。 (6)由于系統(tǒng)小巧玲瓏，控制功能強(qiáng)、體積小，便于嵌入被控設(shè)備之內(nèi)，大大推動(dòng)了產(chǎn)品的智能化。如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、智能儀器儀表、洗衣機(jī)、電冰箱、電視機(jī)等都是典型的機(jī)電一體化設(shè)備和產(chǎn)品。單片機(jī)技術(shù)已成為現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分重要的技術(shù)之一，是電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域工程技術(shù)人員必備的知識(shí)和技能，它能夠使您設(shè)計(jì)的產(chǎn)品更具智能化和先進(jìn)性。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的出現(xiàn)，不僅為電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一場(chǎng)革命性的變化，從某種角度來(lái)說(shuō)也成為其發(fā)展的必然。大學(xué)生是時(shí)代發(fā)展的主要支柱，承擔(dān)著社會(huì)進(jìn)步，社會(huì)建設(shè)的重要角色。努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)，開發(fā)新技術(shù)，是時(shí)代賦予當(dāng)代大學(xué)生的任務(wù)。1 方案設(shè)計(jì)與論證 畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù) 此次設(shè)計(jì)老師給我的要求是研究和實(shí)現(xiàn)數(shù)字存儲(chǔ)式錄音系統(tǒng)，通過(guò)自學(xué)掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)調(diào)試、編輯、編譯和下載設(shè)計(jì)文件，用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，利用EDA技術(shù)搭建實(shí)用硬件系統(tǒng)的方法，選擇合適的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)錄音機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)具有以下基本功能：留言錄音、自動(dòng)應(yīng)答、連續(xù)放音；要求每項(xiàng)操作過(guò)程中使用指示燈。經(jīng)過(guò)多次查找資料，最后確定實(shí)現(xiàn)方案：利用凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)式錄音系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，擴(kuò)展外圍存儲(chǔ)器HM628128LLP SRAM以存儲(chǔ)語(yǔ)音數(shù)據(jù)，要求系統(tǒng)復(fù)位之后播放一段音樂(lè)，然后進(jìn)入錄音模式，錄音后回放的音質(zhì)較好，錄音時(shí)間超過(guò)30秒以上。整個(gè)錄音系統(tǒng)由按鍵進(jìn)行控制，具有錄制，停止，播放的功能，并且通過(guò)指示燈顯示當(dāng)前錄音系統(tǒng)處于何種的工作狀態(tài)。 設(shè)計(jì)方案方案一： SPCE061A有8路可復(fù)用10位ADC通道，其中一路通道(MIC_In)用于語(yǔ)音輸入，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制器和放大器放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。SPCE061A 的A/D轉(zhuǎn)換范圍是整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的輸入范圍，即最大的模擬信號(hào)輸入電壓范圍：0V～AVdd。非法的A/D模擬信號(hào)(超過(guò)VDD+ V/低于VSS– V)將影響轉(zhuǎn)換電路的工作范圍，從而降低ADC的性能。方案一使用SPCE061A單片機(jī)自帶的MicIN輸入，利用單片機(jī)芯片內(nèi)部的AGC自動(dòng)增益控制器和放大器，從而節(jié)省了外圍的音頻輸入電路及相應(yīng)的音頻濾波電路，使系統(tǒng)的硬件電路大大簡(jiǎn)化。軟件實(shí)現(xiàn)方面就是利用凌陽(yáng)SACM庫(kù)提供的DVR函數(shù)進(jìn)行錄放，DVR函數(shù)具有良好的API用戶接口，只要了解各個(gè)函數(shù)的功能和參數(shù)即可，錄音放音過(guò)程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。錄音資料存放到外掛的存儲(chǔ)器HM628128LLP SRAM中。播放時(shí)，從HM628128 SRAM中讀取語(yǔ)音數(shù)據(jù)，通過(guò)SPCE061A自帶的DAC進(jìn)行播放。：SPCE061A麥克風(fēng)喇叭存儲(chǔ)器放大器 MIcIN輸入原理框圖方案二： 使用SPCE061A單片機(jī)自帶的MicIN輸入，不使用凌陽(yáng)SACM庫(kù)提供的DVR函數(shù)，直接將ADC的結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，然后存放到外掛的存儲(chǔ)器HM628128中，播放時(shí)從外圍存儲(chǔ)器HM628128中讀取數(shù)據(jù)，直接送到SPCE061A自帶的DAC進(jìn)行播放。這個(gè)方案的硬件和方案一相似，只要求外圍存儲(chǔ)器容量要大，因?yàn)檎Z(yǔ)音數(shù)據(jù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮，而是直接存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。兩者的區(qū)別在軟件方面。本方案的原理框圖也如方案一所示。方案三： SPCE061A有8路可復(fù)用10位ADC通道，其余7路通道(Line_In)和IOA[0~6] 管腳復(fù)用，可以直接通過(guò)引線(IOA[0~6])輸入，用于將輸入的模擬信號(hào)(如電壓信號(hào)) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于Line_In通道和IOA[0~6]共用管腳，建議用戶選擇其他的IO管腳（非IOA[0~6]），以避免由于非法IO信號(hào)造成電壓不穩(wěn)(超過(guò)VDDIO+)而降低ADC的性能。方案三使用SPCE061A單片機(jī)自帶的LineIN輸入，要求外置音頻輸入通道放大器，將ADC的結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，然后存放到凌陽(yáng)存儲(chǔ)器SPR4096中，播放時(shí)從SPR4096中讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)外置的輸出音頻放大器直接送到SPCE061A自帶的DAC進(jìn)行播放。：SPCE061A放大器1喇叭存儲(chǔ)器放大器2麥克風(fēng) LineIN輸入原理框圖 方案選擇方案比較：因?yàn)镾PCE061A的MicIN通道內(nèi)置了帶AGC的放大電路，而LineIN通道需要在芯片外圍搭建這部分電路，使得方案三的硬件比方案一和方案二多，而且?guī)GC的放大電路也不是很好調(diào)的，所以，方案一和方案二比方案三更容易實(shí)現(xiàn)，效果也更好。方案一和方案二比較，方案一利用凌陽(yáng)SACM庫(kù)提供的DVR函數(shù)進(jìn)行錄放，只要了解了DVR函數(shù)的功能，參數(shù)，和調(diào)用方法，這就很容易實(shí)現(xiàn)，效果也好。而方案二在軟件方面要編寫數(shù)字濾波程序，加大了設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜性和繁重性。綜上所述，方案一最優(yōu)，方案二次之，方案三最差。從節(jié)省系統(tǒng)的成本，選擇合適的實(shí)現(xiàn)難度以及構(gòu)建系統(tǒng)的時(shí)間緊迫性方面綜合考慮，本錄音系統(tǒng)最終選擇方案一 。2 錄音系統(tǒng)的音頻信號(hào)處理 音頻信號(hào)處理基礎(chǔ) 音頻的概述（特點(diǎn)，分類）我們所說(shuō)的音頻是指頻率在20 Hz～20 kHz的聲音信號(hào)，分為：波形聲音、語(yǔ)音和音樂(lè)三種，其中波形聲音就是自然界中所有的聲音，是聲音數(shù)字化的基礎(chǔ)。語(yǔ)音也可以表示為波形聲音，但波形聲音表示不出語(yǔ)言、語(yǔ)音學(xué)的內(nèi)涵。語(yǔ)音是對(duì)講話聲音的一次抽象。是語(yǔ)言的載體，是人類社會(huì)特有的一種信息系統(tǒng)，是社會(huì)交際工具的符號(hào)。音樂(lè)與語(yǔ)音相比更規(guī)范一些，是符號(hào)化了的聲音。但音樂(lè)不能對(duì)所有的聲音進(jìn)行符號(hào)化。樂(lè)譜是符號(hào)化聲音的符號(hào)組，表示比單個(gè)符號(hào)更復(fù)雜的聲音信息內(nèi)容。 數(shù)字音頻的采樣和量化 將模擬的（連續(xù)的）聲音波形數(shù)字元化（離散化），以便利數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的過(guò)程，主要包括采樣和量化兩個(gè)方面。 數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于：采樣頻率和量化位數(shù)這兩個(gè)重要參數(shù)。此外，聲道的數(shù)目、相應(yīng)的音頻設(shè)備也是影響音頻質(zhì)量的原因。 音頻格式的介紹 音頻文件通常分為兩類：聲音文件和MIDI文件 *聲音文件：指的是通過(guò)聲音錄入設(shè)備錄制的原始聲音，直接記錄了真實(shí)聲音的二進(jìn)制采樣數(shù)據(jù)，通常文件較大； *MIDI文件：它是一種音樂(lè)演奏指令序列，相當(dāng)于樂(lè)譜，可以利用聲音輸出設(shè)備或與計(jì)算機(jī)相連的電子樂(lè)器進(jìn)行演奏，由于不包含聲音數(shù)據(jù)，其文件尺寸較小。 （1）聲音文件的格式 ①WAVE文件——*.WAV WAVE文件使用三個(gè)參數(shù)來(lái)表示聲音，它們是：采樣位數(shù)、采樣頻率和聲道數(shù)。在計(jì)算機(jī)中采樣位數(shù)一般有8位和16位兩種，而采樣頻率一般有11025Hz（11KHz），22050Hz（22KHz）、44100Hz（44KHz）三種。我們以單聲道為例，則一般WAVE文件的比特率可達(dá)到88K~704Kbps。具體介紹如下： *WAVE格式是Microsoft公司開發(fā)的一種聲音文件格式，它符合RIFF（Resource Interchange File Format）文件規(guī)范； *用于保存Windows平臺(tái)的音頻信息資源，被Windows平臺(tái)及其應(yīng)用程序所廣泛支持。 *WAVE格式支持MSADPCM、CCITT A Law、CCITT μ Law和其它壓縮算法，支持多種音頻位數(shù)、采樣頻率和聲道，是PC機(jī)上最為流行的聲音文件格式。 *但其文件尺寸較大，多用于存儲(chǔ)簡(jiǎn)短的聲音片段。 ②AIFF文件——AIF/AIFF *AIFF是音頻交換文件格式（Audio Interchange File Format）的英文縮寫，是蘋果計(jì)算機(jī)公司開發(fā)的一種聲音文件格式； *被Macintosh平臺(tái)及其應(yīng)用程序所支持，Netscape Navigator瀏覽器中的LiveAudio也支持AIFF格式，SGI及其它專業(yè)音頻軟件包同樣支持這種格式。 *AIFF支持ACEACEMAC3和MAC6壓縮。 ③Audio文件——*.Audio *Audio文件是Sun Microsystems公司推出的一種經(jīng)過(guò)壓縮的數(shù)字聲音格式，是Internet中常用的聲音文件格式； *Netscape Navigator瀏覽器中的LiveAudio也支持Audio格式的聲音文件。 ④MPEG文件——*.MP1/*.MP2/*.MP3 *MPEG是運(yùn)動(dòng)圖像專家組（Moving Picture Experts Group）的英文縮寫，代表MPEG標(biāo)準(zhǔn)中的音頻部分，即MPEG音頻層（MPEG Audio Layer）； *MPEG音頻文件的壓縮是一種有損壓縮，根據(jù)壓縮質(zhì)量和編碼復(fù)雜程度的不同可分為三層（MPEG Audio Layer1/2/3）,分別對(duì)應(yīng)MPMP2和MP3這三種聲音文件； *MPEG音頻編碼具有很高的壓縮率，MP1和MP2的壓縮率分別為4：1和6：1~8：1，而MP3的壓縮率則高達(dá)10：1~12：1，也就是說(shuō)一分鐘CD音質(zhì)的音樂(lè)，未經(jīng)壓縮需要10MB存儲(chǔ)空間，而經(jīng)過(guò)MP3壓縮編碼后只有1MB左右，同時(shí)其音質(zhì)基本保持不失真，因此，目前使用最多的是MP3文件格式。 ⑤RealAudio文件——*.RA/*.RM/*.RAM *RealAudio文件是RealNerworks公司開發(fā)的一種新型流式音頻（Streaming Audio）文件格式； *它包含在RealMedia中，主要用于在低速的廣域網(wǎng)上實(shí)時(shí)傳輸音頻信息； *網(wǎng)絡(luò)連接速率不同，客戶端所獲得的聲音質(zhì)量也不盡相同：，可以達(dá)到廣播級(jí)的聲音質(zhì)量；如果擁有ISDN或更快的線路連接，則可獲得CD音質(zhì)的聲音。 （2）MIDI文件——*.MID/*.RMI ①M(fèi)IDI是樂(lè)器數(shù)字接口（Musical Instrument Digital Interface）的英文縮寫，是數(shù)字音樂(lè)/電子合成樂(lè)器的統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)； ②它定義了計(jì)算機(jī)音樂(lè)程序、合成器及其它電子設(shè)備交換音樂(lè)信號(hào)的方式，還規(guī)定了不同廠家的電子樂(lè)器與計(jì)算機(jī)連接的電纜和硬件及設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，可用于為不同樂(lè)器創(chuàng)建數(shù)字聲音，可以模擬大提琴、小提琴、鋼琴等常見樂(lè)器； ③在MIDI文件中，只包含產(chǎn)生某種聲音的指令，這些指令包括使用什么MIDI設(shè)備的音色、聲音的強(qiáng)弱、聲音持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間等，計(jì)算機(jī)將這些指令發(fā)送給聲卡，聲卡按照指令將聲音合成出來(lái)，MIDI在重放時(shí)可以有不同的效果，這取決于音樂(lè)合成器的質(zhì)量； ④相對(duì)于保存真實(shí)采樣資料的聲音文件，MIDI文件顯得更加緊湊，其文件尺寸通常比聲音文件小得多。 語(yǔ)音壓縮編碼基礎(chǔ) 語(yǔ)音壓縮編碼中的數(shù)據(jù)量是指：數(shù)據(jù)量=(采樣頻率量化位數(shù))/8(字節(jié)數(shù)) 聲道數(shù)目。 壓縮編碼的目的：通過(guò)對(duì)資料的壓縮，達(dá)到高效率存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換資料的結(jié)果，即在保證一定聲音質(zhì)量的條件下，以最小的資料率來(lái)表達(dá)和傳送聲音信息。 壓縮編碼的必要性：實(shí)際應(yīng)用中，未經(jīng)壓縮編碼的音頻資料量很大，進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)是不現(xiàn)實(shí)的。所以要通過(guò)對(duì)信號(hào)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)和冗余信息處理，進(jìn)行資料的壓縮，這樣就可以使我們用較少的資源建立更多的信息。 舉個(gè)例子，沒(méi)有壓縮過(guò)的CD品質(zhì)的資料，一分鐘的內(nèi)容需要11MB的內(nèi)存容量來(lái)存儲(chǔ)。如果將原始資料進(jìn)行壓縮處理，在確保聲音品質(zhì)不失真的前提下，將數(shù)據(jù)壓縮一半。而在實(shí)際操作中，可以依需要來(lái)選擇合適的算法。 常見的幾種音頻壓縮編碼： （1）波形編碼：將時(shí)間域信號(hào)直接變換為數(shù)字代碼，力圖使重建語(yǔ)音波形保持原語(yǔ)音信號(hào)的波形形狀。波形編碼的基本原理是在時(shí)間軸上對(duì)模擬語(yǔ)音按一定的速率抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并用代碼表示。譯碼是其反過(guò)程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)過(guò)譯碼和濾波恢復(fù)成模擬信號(hào)。 如：脈沖編碼調(diào)制(Pulse Code Modulation，PCM)、差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）、增量調(diào)制(DM)以及它們的各種改進(jìn)型，如自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）、自適應(yīng)傳輸編碼（Adaptive Transfer Coding，ATC）和子帶編碼（SBC）等都屬于波形編碼技術(shù)。 波形編碼特點(diǎn)：高話音質(zhì)量、高碼率，適于高保真音樂(lè)及語(yǔ)音。 （2）參數(shù)編碼：參數(shù)編碼又稱為聲源編碼，是將信源信號(hào)在頻率域或其它正交變換域提取特征參數(shù)，并將其變換成數(shù)字代碼進(jìn)行傳輸。譯碼為其反過(guò)程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)變換恢復(fù)特征參量，再根據(jù)特征參量重建語(yǔ)音信號(hào)。具體說(shuō)，參數(shù)編碼是通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)特征參數(shù)的提取和編碼，力圖使重建語(yǔ)音信號(hào)具有盡可能高的準(zhǔn)確性，但重建信