【正文】 電子與信息工程學(xué)院基于單片機(jī)的語音采集及回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 總體設(shè)計(jì)方案介紹：：人耳能聽到的聲音是一種頻率范圍為20 Hz～20000 Hz ,而一般語音頻率最高為3400 Hz。語音的采集是指語音聲波信號經(jīng)麥克風(fēng)和高頻放大器轉(zhuǎn)換成有一定幅度的模擬量電信號,然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的全過程。根據(jù)“奈奎斯特采樣定理”, 采樣頻率必須大于模擬信號最高頻率的兩倍， 由于語音信號頻率為300～3 400 Hz ,所以把語音采集的采樣頻率定為8 kHz。從語音的存儲與壓縮率來考慮，模型參數(shù)表示法明顯優(yōu)于信號波形表示法[4]。但要將之運(yùn)用于單片機(jī)，顯然信號波形表示法相對簡單易實(shí)現(xiàn)?；谶@種思路的算法，除了傳統(tǒng)的一些脈沖編碼調(diào)制外，目前已使用的有VQ技術(shù)及一些變換編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是算法復(fù)雜，目前的單片機(jī)速度底，難以實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際情況，提出以下幾種可實(shí)現(xiàn)的方案。（1）短時(shí)平均跨零記數(shù)法 該方案通過確定信號跨零數(shù)，將語音信號編碼為數(shù)字信號，常用于語音識別中。但對于單片機(jī)，由于處理數(shù)據(jù)能力底，該方法不易實(shí)現(xiàn)。（2）實(shí)時(shí)副值采樣法 。抽樣量化存儲 采樣過程 具體實(shí)現(xiàn)包括直存取法、欠抽樣采樣法、自相似增量調(diào)制法等三種基本方法。其中第三種實(shí)現(xiàn)方法最具特色，該方法可使數(shù)據(jù)壓1：，既有調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)兼有PCM編碼誤差較小的優(yōu)點(diǎn)，編碼誤差不向后擴(kuò)散。 A/D、D/A及存儲芯片的選擇單片機(jī)語音生成過程,可以看成是語音采集過程的逆過程,但又不是原封不動地恢復(fù)原來的語音,而是對原來語音的可控制、可重組的實(shí)時(shí)恢復(fù)。在放音時(shí),只要依原先的采樣直經(jīng)D/ A 接口處理,便可使原音重現(xiàn)。（1）A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇 根據(jù)題目要求采樣頻率fs=8KHZ，字長=8位，可選擇轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過125181。s的八位A/D轉(zhuǎn)換芯片。目前常用的A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的方法有多種，鑒于轉(zhuǎn)換速度的要求，我們采用A/D轉(zhuǎn)換芯片AD574。該芯片是高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換[5]。（2）D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇 D/A轉(zhuǎn)換芯片的作用是將存儲的數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)換為模擬語音信號，由于一般的模擬轉(zhuǎn)換器都能達(dá)到1μs的轉(zhuǎn)換速率，足夠滿足題目的要求，故我們在此選用了通用D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832。（3）數(shù)據(jù)存儲器的選擇 當(dāng)采樣頻率?s=8KHZ，字長為8位時(shí)，一秒鐘的語音需要8K字節(jié)的存儲空間，則存儲器至少需要有80k容量。在這里我們選用閃速存儲器AT29C040作為存儲器，一片該芯片可存儲60秒鐘的語言。數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的基本思想是通過拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)化成電信號，再經(jīng)過放大器放大，然后通過帶通濾波器濾波，模擬語音信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機(jī)控制將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)放大再揚(yáng)聲器或耳機(jī)上輸出。：A/D轉(zhuǎn)換電路帶通濾波器D/A轉(zhuǎn)換電路帶通濾波器輸出放大器耳機(jī)電源電路89C51單片機(jī)鍵盤設(shè)定存儲器數(shù)據(jù)顯示增益放大器拾音器 整體框圖 系統(tǒng)組成如圖所示,由輸入通道、AT89C51單片機(jī)和輸出通道三部分組成。輸入通道部分由拾音器、前置放大電路和帶通濾波器組成；輸出通道由帶通濾波器、后級放大電路組成[9]。拾音器輸出的毫伏信號實(shí)測其范圍約為20~25mV，此電信號太小不能夠進(jìn)行采樣，后級A/D轉(zhuǎn)換輸入信號的動態(tài)范圍為0~5V，語音信號的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為200倍左右，此處將信號通過一增益為46dB的放大器，將其放大到伏特量級，輸出級放大電路亦采用這種電路，兩級放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路。考慮到語音信號的固有特點(diǎn)。此處將其通過一增益為46dB的放大器，因此，將帶通濾波器設(shè)計(jì)為典型的300Hz~,輸出級帶通濾波器亦為300Hz~,這樣既可濾掉低頻分量又可濾掉D/A轉(zhuǎn)換帶來的高頻分量，很好的濾除掉噪聲。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理知欲使采樣信號無失真，考慮到留有一定的余地，這樣就足夠保證語音質(zhì)量。經(jīng)量化后，微處理器將數(shù)據(jù)存到處理器，需要時(shí)再將其回放，存入與放出由開關(guān)通過微處理器來控制實(shí)現(xiàn)。存儲器的容量選擇視所存語音信號的時(shí)間長短而定。為了使A/D的輸入信號穩(wěn)定在其動態(tài)范圍內(nèi)，在輸入級加上了自動增益控制電路，同時(shí)也使音量穩(wěn)定。2硬件電路設(shè)計(jì)：拾音器是一種聲傳感器，聲傳感器是把外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。它在通訊、噪聲控制、環(huán)境檢測、音質(zhì)評價(jià)、文化娛樂、超聲檢測、水下探測和生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)方面有廣泛的應(yīng)用[10]。它的種類很多，按其特點(diǎn)和頻率等，將它劃分為超聲傳感器、聲壓傳感器和聲表面波傳感器等。單純的磁性拾音器工作的電學(xué)原理為當(dāng)聲音在銅絲繞制的線圈內(nèi)震動切割被該線圈所纏繞的磁芯產(chǎn)生的磁感線時(shí)，線圈內(nèi)感應(yīng)出電信號并流出。感應(yīng)電流的強(qiáng)弱取決于切割磁感線的多寡（振幅）、切割頻率（震動頻率）和磁感線自身的強(qiáng)弱。 拾音器包括拾音頭（換能裝置、唱針）和音臂等附件。其換能裝置主要有壓電式、電磁式、電容式以及半導(dǎo)體等[11]。電磁式拾音頭，用電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械振動變換成電信號的幅度響應(yīng)拾音頭。主要由線圈和磁鋼等組成。唱針耦合在線圈上的稱動圈式，耦合在磁鋼上的稱動磁式。此外，也有將唱針耦合在銜鐵上的稱為動鐵式，也稱可變磁阻式。在本設(shè)計(jì)中決定采用動圈式拾音器（１） 增益放大器　　拾音器輸出的毫伏信號實(shí)測其范圍約為20~25Mv此電信號太小不能夠進(jìn)行采樣，后級A/D轉(zhuǎn)換輸入信號的動態(tài)范圍為0~5V，語音信號的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為200倍左右，此處將信號通過一增益為46dB的放大器，將其放大到伏特量級，輸出級放大電路亦采用這種電路，兩級放大電路都采用增益可調(diào)的典型電路[12]。為了將從拾音器獲得的微弱語音信號放大,采用兩極高輸入阻抗的同向放大器,電路圖如圖所示,每級放大器的放大倍數(shù)按下式計(jì)算: 增益放大器（２）輸出放大器　　經(jīng)帶通濾波器輸出的聲音回放信號，其幅度為0～5V，足以用耳機(jī)來接收聽，可不接任何放大器。但考慮到實(shí)際中經(jīng)?；赜玫嚼韧夥?，故在本系統(tǒng)中增加外放功能，前端放大器采用通用型音頻功率放大器LM386來完成[13]。該電路增益為50～200，連續(xù)可調(diào)，最大不失真功率為325mW。輸出端接CR9串聯(lián)電路，以校正喇叭的頻率特性，防止高頻自激．腳7接220uF去偶電容，以消除低頻自激．為便于該功放在高增益情況下工作，這里將不使用輸入端腳2對地短路． 輸出放大器濾波器是一種能使有用頻率信號通過同時(shí)抑制(或大為衰減)無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它來作信號處理、數(shù)據(jù)傳輸和抑制干擾等。這里主要討論模擬濾波器。以往這種濾波電路主要采用無源元件R、L和C組成，60年代以來，集成運(yùn)放獲得了迅速發(fā)展，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[14]。此外，由于集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗又底，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但是，集成運(yùn)放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路的工作頻率難以作的很高，這是它的不足之處。對于幅頻響應(yīng)，通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受阻和衰減的信號頻率范圍定義為阻帶，理想濾波電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線形的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減（）。按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。通常用幅頻響應(yīng)來表征一個(gè)濾波器的特征，欲使信號通過濾波器的失真很小，則相位和延時(shí)響應(yīng)亦須考慮。當(dāng)相位響應(yīng)作線性變化，即時(shí)延響應(yīng)為常數(shù)時(shí)，輸出信號才可能避免失真。濾波電路 ， (s=)這里為傳遞函數(shù)的模，為其相位角。延時(shí)向量： 聲音信號經(jīng)動圈拾音器轉(zhuǎn)有源濾波器換成電壓信號，通過前級放大，在對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，有必要經(jīng)過帶通濾波器除帶外雜波，選定該濾波器的通帶范圍為300Hz~：１． 保證300～3400Hz的語音信號不失真的通過濾波器；２． 濾除帶外的低頻信號，以減少帶外功頻等分量的干擾，大大減少噪聲影響，該下限頻率可下延到270Hz左右；３． 便于濾除帶外的高次諧波，以減少因8kHz采樣率而引起的混疊失真，根據(jù)實(shí)際情況，該上限頻率可在2700Hz左右，帶通濾波器按品質(zhì)因數(shù)Q的大小為窄帶濾波器（Ｑ＞10）和帶通濾波器（Ｑ＜10兩種，本題中，上限頻率fh=3400Hz,通帶濾波器中心頻率f0與品質(zhì)因數(shù)Ｑ分別為f0===1010Hz Q=顯然，Q＜10，故該帶通濾波器為寬帶帶通濾波器．帶寬帶通濾波器由高通和低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成，鑒于Butterworth濾波器帶內(nèi)平坦的響應(yīng)特性，我們選用二階Butterworth帶通濾波器，．實(shí)驗(yàn)證明，該濾波器能有效的濾除低頻分量，大大減少噪聲干擾，與之同時(shí)也綠除了多余的高頻分量，消除了高頻失真，性能足以滿足要求[15]。 帶通濾波器這里介紹的穩(wěn)壓電源，采用三端可調(diào)穩(wěn)壓集成電路LM317，外圍電路十簡單，便于制作。該穩(wěn)壓電源，~25V,[16]。：220V交流電經(jīng)變壓器T降壓,得到24V交流電,再經(jīng)VD1~VD4組成的全橋整流,由C1濾波后得到33V左右的直流電壓[17]。該電壓經(jīng)集成電路LM317后得穩(wěn)壓輸出,調(diào)節(jié)電位器RP,即可連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。圖中C2用以消除寄生振蕩,C3的作用是抑制紋波,C4是用以改善穩(wěn)壓電源的的暫態(tài)響應(yīng),VDVD7在輸出端電容漏電或調(diào)整端短路時(shí)起保護(hù)作用。VD5為本電源的工作指示燈，電阻R1是限流電阻。輸出端接微型電壓表PV，可以直觀的指示輸出電壓值。各元件具體參數(shù)如圖所標(biāo)。 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 MCS—51系列單片機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)（SingChip Microputer）簡稱單片機(jī)。它是在一塊芯片上集成中央微處理器（Central Processing Unit, CPU）、隨機(jī)存取存儲器（Random Access Memory, RAM）、只讀存儲器（Read Only Memory, ROM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及I/O（Input/Output）接口電路等部件，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。它的特點(diǎn)是：高性能，高速度，體積小，價(jià)格低廉，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用廣泛[18]。正是由于單片機(jī)具有