【正文】 ........... ２１ A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574 介紹 ................................ ２２ 單片機 AT89C51 和 AD574 的接口原理 ................... ２３ 存儲器的選取 ........................................ ２５ 5 軟件設計 ....................................................... ２６ 6 總結(jié)與展望 ..................................................... ２８ 7 致 謝 .......................................................... ２９ 8 參考文獻 ....................................................... ３０ 附錄 ............................................................. ３２ 緒言 本文闡述了數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的研究背景、現(xiàn)狀及發(fā)展方向，明確指出了傳統(tǒng)的語音存儲與回放系統(tǒng)的缺陷和面臨的問題，以及數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的優(yōu)點和發(fā)展前景。本系統(tǒng)采用另 外一種方案，以 AT89C51 單片機為核心，設計了一套可靈活實現(xiàn)錄、放音，音量自動控制的新的語音存儲與回放系統(tǒng)。 自從愛迪生 1877年 發(fā)明留聲機以來，音響技術(shù)已有百余年的發(fā)展歷史，這期間，記錄存儲各種 聲音的載體，傳輸與播放語音技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異。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～ ４ 3 400 Hz ,所以把語音采集的采樣頻率定為 8 kHz。結(jié)合實際情況，提出以下幾種可實現(xiàn)的方案。 圖 采樣過程 具體實現(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。 （ 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)換時間不超過 125181。 （ 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)換器都能達到 1μ s 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。 控制方式 控制器采用單片機實現(xiàn)，單片機人機界面好，并且具有一定的可編程能力 對于語音信號（最高頻率約為 ， 8kHz 采樣頻率）， 6MHz 晶振頻率的 8031以足以勝任（每個采樣周期 125 s? ，相當于 125/2=62 個機器周期，平均執(zhí)行 31條指令）。采用 TDA2030A作為功率放大可驅(qū)動喇叭發(fā)聲，并具有一定的功率余量 [7]。存儲器采用 256Kb RAM 可用 628256 實現(xiàn)。另外，為加長錄音與回放時間，我們利用四片622526 組成 RAM 陣列，借助 8031 的 P1 口參與地址選擇，采用分頁存儲模式，可將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲空間擴展至 128kB，以 128kB 空間存儲 PCM 碼、 M? 和 DPCM碼，語音回放時間可達 16s、 32s和 128s，達到題目要求。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]。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理知欲使采樣信號無失真，抽樣頻率最低為 ，考慮到留有一定的余地，這樣就足夠保證語音質(zhì)量。 4 電路設計 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。感應電流的強弱取決于切割磁感線的多寡（振幅）、切割頻率（震動頻率）和磁感線自身的強弱。主要由線圈和磁鋼等組成。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)按下式計算 : 311 /1 RRA PV ?? 522 /1 RRA PV ?? ８ 3261 8574N E 55 3 43261 8574N E 55 3 4P O T 1 P O T 2R2R1R3R4 R5C?1 .0 uFE1C1C2E2 .2 uFM+ 15+ 151 51 5OUT 圖 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，足以用耳機來接收聽，可不接任何放大器。輸出端接 C R9 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． 圖 輸出放大器 ９ 濾波器是一種能使有用頻率信號通過同時抑制 (或大為衰減 )無用頻率信號的電子裝置。此外，由于集成運放的開環(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。 通常用幅頻響應來表征一個濾波器的特征，欲使信號通過濾波器的失真很小，則相位和延時響應亦 須考慮。 圖 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。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 ,VD VD7 在輸出端電容漏電或調(diào)整端短路時起保護作用。 １１ 圖 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 MCS— 51 系列單片機 單片微 型計算機（ SingChip Microputer）簡稱單片機。單片機的應用打破了人們傳統(tǒng)設計思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路和邏輯部件來實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在均可以使用單片機，使用軟件來實現(xiàn)。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 89C51 是一種高效微控制器，為很 多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。當P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口： P3 口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 89C51單片機內(nèi)部有一個 8位的 CPU，它是由運算器和控制器組成?？刂破魇怯脕斫y(tǒng)一指揮和控制計算機進行工作的部件。程序存儲器的編址規(guī)律為；先片內(nèi)、后片外，片內(nèi)、片外連續(xù)，兩者一般不作重疊。 在程序存儲器中，有 7個單元具有特殊用途。 0013H：外部中斷 1 入口。 使用時，通常在這些入口地址處存放一條 絕對跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷程序起始地址，或者從 0000H 起始地址跳轉(zhuǎn)到用戶設計的初始程序上。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的容量很小，常需擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。選用哪 一組由程序狀態(tài)字 PSW 中的 RS RS0 這兩位的設置決定，若程序并不需要四個 4組工作寄存器，那么剩下的工作寄存器可作一般的存儲器來使用。程序中通常把各種程序狀態(tài)標志、位控變量設在位尋址區(qū)。大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)就取自累加器。在其他指令中，寄存器 B 可作為一般的寄存器使用，用于暫存數(shù)據(jù)。 ② 定時 /計數(shù)器 0 和 1 的控制和狀態(tài)寄存器 特殊功能寄存器 TMOD和 TCON分別是定時 /計數(shù)器 0 和 1 的控制和狀態(tài)寄存器，用于控制和確定各定時 /計數(shù)器的功能和工作模式。 當 GATE=1 時，只有 INTO 或 1INT 引腳為高電平且 TR0 或 TR1 置 1 時，相應的定時 /計數(shù)器才被選通工作；當 GATE=0，則只要 TR0 和 TR1 置 1，定時 /計數(shù)器就被選通，而不管 0INT 或 1INT 的電平是高還是低 TC/ 位：計數(shù) /定時功能選擇位。 2 位可形成 4 中編碼，對應 4 種工作模式，見下表： １８ 表 M M0 工作模式 M1 M0 功 能 描 述 00 方式 0： 13 位定時器 /計數(shù)器 01 方式 1： 16 位定時器 /計數(shù)器 10 方式 2：具有自動重裝初值的 8 位定時器 /計數(shù)器 11 方式 3：定時 /計數(shù)器 0 分為兩個 8 位定時 /計數(shù)器，定時 /計數(shù)器 1 在此方式無實用意義 ④ 控制寄存器 TCON TCON 用來控制 T0 和 T1 的啟、停，并給出相應的控制狀態(tài)，高 4 位用于控制定時器 0、 1 的運行；低 4 位用于控制外部中斷。 TR1 位：定時器 1 運行控制位。 IE 位：外部中斷請求標志位。 IT0（ IT1） =0 為電平觸發(fā)方式，低電平有效。由于計數(shù)器是加法計數(shù)，并在溢出時申請中斷，因此不能直接輸入所需 的計數(shù)值，而是要從計數(shù)最大值倒退回去一個計數(shù)值才是應置入的初值。當 TL的低 5 位記數(shù)溢出時 ，向 TH 進位，而全部 13 位計數(shù)器溢出時使計數(shù)器回零，并使溢出標志 TF 置 1，向 CPU 發(fā)出中斷請求。 ① 內(nèi)部時鐘方式 89C51 單片機有一個高增益反向放大器，用于構(gòu)成振蕩器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。 內(nèi)部時鐘發(fā)生器實質(zhì)上是一個二分頻的觸發(fā)器，其輸出信號是單片機工作所需的時鐘信號。 8. 復位電路 ① 復位狀態(tài) 計算機在啟動時，系統(tǒng)進入復位狀態(tài)。外部復位電路就是為內(nèi)部復位電路提供兩個機器周期以上的高電平而設計的， AT89C2051 通常采用 上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。 D/A、 A/D 轉(zhuǎn)換器 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 的介紹 D/ A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 的主要性能指標 分辨率 通常將輸入數(shù)字量的最低有效位 LSB 變化 1 時所引起的輸入電壓的變化△ V稱為 分辨率，即△ V=Vm/2,式中， Vm 為輸出電壓的滿度值； n 為 D/A 轉(zhuǎn)換器的二進制數(shù)的位數(shù) [20]。 轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差可以用絕對誤差△或相對誤差 r 來表示。要求電源電壓發(fā)生變化時，對輸出電壓的影響越小越好。由于 AD574 芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路 , 因而可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連 , 而無須附加邏輯接口電路。各主要引腳功能如下 : 圖 AD574的引腳圖 CS:片送。當 12 / 8 為 1( +5V) 時 , 12 條數(shù)據(jù)線將同時行輸出 。當 A0 為 1 時 ,進行 8 位轉(zhuǎn)換 ,轉(zhuǎn)換時間為 16μ s。轉(zhuǎn)換開始時 ,STS 為高電平 ,并在轉(zhuǎn)換過程中保持高電平。 單片機 AT89C51 和 AD574 的接口原理 AD574 和單片機系統(tǒng)的基本組成主要有單片機、 A / D 轉(zhuǎn)換器和計算機接口。主機接到請求后進入中斷服務程序 ,并向單片機發(fā)出命令 ,以決定是否繼續(xù)采樣 ,同時將 SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。由于 AD574 片內(nèi)自帶高精度參考電壓和時鐘 , 因此不需要外部電路和時鐘就可全速工作 , 是一種比較常用的中速 A / D 轉(zhuǎn)換芯片。因此 , 8031必須完成同時啟動、分別讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果的任務。 AT89C51 利用 P2. 7 經(jīng)過反相后控制 AD574 的讀出和啟動轉(zhuǎn)換控制線 R / C , 并再經(jīng)過與非門和反相器來控制片選線 CS(低電平有效 ) 。所有 AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束與否的判斷均由 P1 口的低 4 位來進 ２４ 行 ,當?shù)?4 位均為低電平時 , 表示所有轉(zhuǎn)換都已結(jié)束。 (4) 向主機發(fā)出中斷申請。該電路采用單極性輸入方式 , 可對 0～ 10V或 0～ 20V模擬信號進行轉(zhuǎn)換。 AD574 的 CE 信號由單片機的 WR 和 A7( P0. 7) 經(jīng)一級或非門產(chǎn)生。 AD574 的 A0由地址總線的最低位 A0( P0. 0) 控制 ,可用于實現(xiàn)全 12 位轉(zhuǎn)換 ,并將 12 位數(shù)據(jù)分兩次送入數(shù)據(jù)總線。輸入輸出全兼容 CMOS 和 TTL 電路 [25]。 ２６ 圖 函數(shù)分析圖 圖 濾波電路 該濾波網(wǎng)絡采用簡單的無源濾波網(wǎng)絡即可實現(xiàn) ，圖中 1C 、 1R 構(gòu)成初始放大倍數(shù)近乎恒定的網(wǎng)絡 .觀察到 ? ? ? ?ss ffff /// ?? 在頻率較高處有大幅度的衰減 ,故該網(wǎng)絡還應滿足在頻率較高處的衰減特性，考慮到對于聲音信號，過多的高頻分量只能增加噪聲，所以后接 2R 、 2C 構(gòu)成低通濾波器，截止頻率設在 ? 100Hz。定時將 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器中。 5 軟件設計 單片機 AT89C51 通過片選方式讀 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)存儲器以及將數(shù)據(jù)送入 D/A 轉(zhuǎn)換器。由圖可見，它近似于阻帶內(nèi)增益變化極為緩慢近于恒定的高通濾波器。所以需要利用 P1 口進行地址擴寬，本系統(tǒng)