【正文】 如版本號(hào)、日期、錄音區(qū)和放音區(qū)開(kāi)始地址、總長(zhǎng)度、首尾指針以及錄音最大長(zhǎng)度、格式等系統(tǒng)信息通過(guò) TTL232串口傳送至 PC機(jī)以備察看和使用。 傳送文件是將特定語(yǔ)音的語(yǔ)音文件從 PC機(jī)通過(guò) TTL232串口傳入 Flash Memory中，當(dāng)播送特定的語(yǔ)音時(shí)，可以將這些固定語(yǔ)音的語(yǔ)音文件進(jìn)行拼接，然后播放出來(lái)。 放音的命令格式是 :PLAY[文件名 ]， [日期 ]， [時(shí)間 ]， [格式 ]。 錄音的命令格式是 :RECORD[文件名 ]， [日期 ]， [時(shí)間 ]， [格式 ]。如下圖 ： 在錄音時(shí)，聲音信號(hào)放大后通過(guò) AD管腳進(jìn)入單片機(jī)，經(jīng)過(guò) AD轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在Flash Memory 中，放音時(shí)單片機(jī)將存儲(chǔ)在 Flash Memory中的語(yǔ)音數(shù)字信號(hào) (可以是錄音數(shù)字文件數(shù)據(jù)，也可以是固定的語(yǔ)音文件數(shù)據(jù) )。考慮到應(yīng)對(duì)本數(shù)字錄音系統(tǒng)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)錄放音等操作，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 TTL232接口與 PC機(jī)相連， PC機(jī)發(fā)送相放大 濾波 采樣保持 A/ D 單片機(jī) 存儲(chǔ)器 D/A 窗口電路 濾波 放大 輸入 輸出 電壓調(diào)整 +3VDC 5VDC 輸入 +5VDC 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 第 13 頁(yè) 共 32 頁(yè) 應(yīng)的指令控制單片機(jī)進(jìn)行不同的操作。 Flash Memory又稱閃爍存儲(chǔ)器、快閃存儲(chǔ)器，是一種高密度低成本的大容量新型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，由于 Flash Memory斷電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，同時(shí)它的容量較大，32M的空間在 ，錄音可達(dá)到 40多分鐘的時(shí)間。同樣在放音的時(shí)候，信號(hào)經(jīng)過(guò) DA變換后，也要經(jīng)過(guò)濾波和放大處理，最后通過(guò)揚(yáng)聲器將語(yǔ)音播放出來(lái)。 本嵌 入式數(shù)字錄音系統(tǒng)采用包含有 AD與 DA電路的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，因此不需要再另外設(shè)計(jì)專門的 AD與 DA變換電路，其中單片機(jī)中的 DA變換己實(shí)現(xiàn)窗口電路的功能，所以本系統(tǒng)也無(wú)需再設(shè)計(jì)窗口電路。 第 12 頁(yè) 共 32 頁(yè) 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 在前一章介紹的數(shù)字錄音原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的情況和需要，從系統(tǒng)的任務(wù)和要求入手，開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。因?yàn)?D/A變換器的輸出信號(hào)必須經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)定值 ，利用來(lái)自模擬開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)，可在波形穩(wěn)定后讀出電壓值，輸出 PAM信號(hào)。 第 11 頁(yè) 共 32 頁(yè) 模擬信號(hào)的恢復(fù) 數(shù)字信號(hào)經(jīng)反交織、糾錯(cuò)碼處理和 D/A變換后，還要經(jīng)窗口電路和低通濾波器才能恢復(fù)為模擬信號(hào)。經(jīng)過(guò)交織，可以將記錄媒質(zhì)上所產(chǎn)生的突發(fā)性誤碼，在信號(hào)恢復(fù)為原來(lái)順序后被分散開(kāi)形成隨機(jī)性誤碼，以便于采取措施進(jìn)行糾錯(cuò)。隨機(jī)性誤碼是指彼此孤立的誤碼，突發(fā)性誤碼是指彼此連續(xù)的集中誤碼。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的方法稱為脈沖編碼調(diào)制 (PCM)，冠以脈沖是因?yàn)檗D(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)以脈沖形式出現(xiàn)。 編碼 [1][3] 二進(jìn)制使用“ 0”或“ 1”兩個(gè)數(shù)字，逢二進(jìn)一，用二進(jìn)制數(shù)表示某一數(shù)值時(shí)，這一二進(jìn)制數(shù)稱為字，這種表示過(guò)程稱為二進(jìn)制編碼。 理論上將與量化階梯高度 v相等的均勻分布的高頻抖動(dòng)在量化前先與信號(hào)相重疊，量化后再將高頻抖動(dòng)除去，量化噪聲就成為寬度為 V、電功率 v2/12的均勻分布的白噪聲。因此在聽(tīng)感上與白噪聲不同，是一種較粗糙的、刺耳的、稱為顆粒性噪聲的聲音。量化噪聲隨量化比特?cái)?shù)增大而相應(yīng)減小，但不能減為零。但當(dāng)信號(hào)很小時(shí)，則量化噪聲對(duì)系統(tǒng)的音質(zhì)影響就將十分明顯。 2量化噪聲 （ ） 當(dāng)聲噪信號(hào)為正弦波時(shí)，并且峰峰值為 ? 1，則在單位負(fù)載上的功率 S為 () 于是，可以算出以 dB表示的信噪比為 N M?? () 可見(jiàn)，量化比特?cái)?shù) M越大，信噪比越好。信號(hào)幅度大的部分，量化階梯高度也大，雖然量化噪聲大，但由于人耳的掩蔽效應(yīng)，對(duì)信號(hào)幅度大時(shí)增大的噪聲會(huì)感覺(jué)不出來(lái)。信號(hào)幅度小時(shí)，信噪比低，噪聲較明顯。對(duì)于量化階梯相等的量化方法稱為線性量化或均勻量化，不相等則稱為非線性量化或不均勻量化。量化階 梯數(shù)，或量化級(jí)數(shù)，是指量化所能取值的數(shù)目。 由取樣定理知道，如果取樣頻率能 滿足這個(gè)定理，就會(huì)完全恢復(fù)原波形，但要真正完全恢復(fù)原波形，則需要無(wú)窮多位數(shù)。在數(shù)字語(yǔ)音技術(shù)中，我們采用二進(jìn)制表示一個(gè)數(shù)，即用“ 1”“ 0”來(lái)表示一個(gè)數(shù)，逢 2進(jìn) 1，用電路的接通和斷開(kāi)即可實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)取樣脈沖寬度為取樣周期的 1/4時(shí)，孔徑效應(yīng)所產(chǎn)生的高頻損失約為 ,人耳對(duì)它不能察覺(jué)到，不會(huì)成為問(wèn)題。由于 A/D變換器的轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間才能完成，而輸入的模擬信號(hào)是不斷變化的，因此取樣值必須保持一定時(shí)間。為了將聲頻信號(hào)嚴(yán)格限制在 fh 以下，應(yīng)先讓原信號(hào)通過(guò)一個(gè)高頻截止頻率為 fh 的低通濾波器后再進(jìn)行取樣。 3) 混疊的防止 經(jīng)過(guò)取樣后，原信號(hào)的頻譜分布要有改變。 2）防混疊低通濾波器的截止特性。取樣的時(shí)間間隔稱為取樣周期，每秒內(nèi)取樣的次數(shù)稱為取樣頻率。 防混疊低 通濾波器 取樣 / 保持 A/D 變 換器 交織 糾錯(cuò)碼處理 模擬聲頻信號(hào) 數(shù)字音頻信號(hào) 記錄 圖 數(shù)字錄音系統(tǒng)圖 模擬恢復(fù)低通濾波器 窗口 電路 D/A 變換器 糾錯(cuò)碼處理 反交織 重放 數(shù)字聲頻信號(hào) 模擬聲頻信號(hào) 圖 數(shù)字放音系統(tǒng)圖 放音 錄音 第 8 頁(yè) 共 32 頁(yè) 語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，需經(jīng)過(guò)取樣、量化和編碼三個(gè)步驟。 （ 3） 許多器件不需要具有線性。 （ 1） 數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn) (取樣頻率、量化比特?cái)?shù) )確定以后，性能的界限也就確定了，性能是穩(wěn)定的。對(duì)于需要多次轉(zhuǎn)接、復(fù)制的模擬錄音，每轉(zhuǎn)接 、復(fù)制一次，信號(hào)的質(zhì)量下降程度就要累加一次，而數(shù)字錄音就沒(méi)有這一問(wèn)題。 （ 4） 驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的不穩(wěn)定會(huì)造成抖晃。 （ 2） 錄音媒體的信噪比可成為記錄信號(hào)信噪比的一部分。時(shí)間和幅度都不連續(xù)的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。如果幅度只是一些特定值的階梯波，則是時(shí)間連續(xù)而幅度不連續(xù)的信 號(hào)。掩蔽效應(yīng)對(duì)數(shù)字音頻編碼起到重要作用。在寂靜的環(huán)境里，人耳能分辨出輕微的聲音，但在嘈雜的環(huán)境中，這些輕微的聲音就被淹沒(méi)掉了。紊亂斷續(xù)或統(tǒng)計(jì)上隨機(jī)的聲音稱為 噪聲，對(duì)于不需要的聲音也稱為噪聲。人耳對(duì)聲振動(dòng)的感受，在頻率及聲壓級(jí)方面都有一定的范圍，在這個(gè)范圍以外的聲振動(dòng)人耳是聽(tīng)不到的。聲音在 1秒間所傳播的距離稱為聲速 c， 單位是米 /秒 (m/s)，在室溫下， 1個(gè)大氣壓的空氣中，聲速約為340m/，所發(fā)出的聲波也是做同樣的周期性振動(dòng)，聲源或聲波每秒鐘內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)稱為聲音的頻率 f，單位是赫茲 Hz，人耳能聽(tīng)到的聲音頻率范圍是2OHz20kHz。有聲音存在時(shí)，大氣壓強(qiáng)會(huì)有微弱的起伏變化，即在靜態(tài)大氣壓強(qiáng)上疊加了變化的分量，這個(gè)變化的分量稱為聲壓 p，通常聲壓的大小用它的有效值 P表示，單位是 Pa。因此聲波是疏密波，也稱為縱波。 第 6 頁(yè) 共 32 頁(yè) 第 2 章 數(shù)字錄音的基本原理 模擬音頻和數(shù)字音頻 [1][9] 聲音是由物 體振動(dòng)產(chǎn)生的，振動(dòng)發(fā)聲的物體稱為聲源。 （ 5）數(shù)據(jù)的壓縮。 （ 4）與 PC機(jī)的聯(lián)機(jī)功能。 （ 3） 合適的采樣速率。 （ 2）非易失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)的錄音時(shí)間應(yīng)該在 30分鐘以上，以滿足對(duì)長(zhǎng)時(shí)間錄音的需要。另外，通過(guò)它的 TTL232接口，可以向其中輸入命令來(lái)執(zhí)行錄放音、讀取參數(shù)、傳送文件等多種操作。 本論文的任務(wù) 在鐵路公寓的叫班機(jī)系統(tǒng)和鐵路機(jī)車上，都需要播放語(yǔ)音提示，為了界定責(zé)任，放音的同時(shí)還要將這些語(yǔ)音錄制下來(lái)，這樣在發(fā)生事故的時(shí)候，從錄制的該語(yǔ)音情況就可以判斷出誰(shuí)是事故的責(zé)任方。 DSP芯片的價(jià)格雖然己經(jīng)降到很低，但相對(duì)于 C8051F系列微處理器，還是要高一點(diǎn)，因此從成本考慮的話，選擇一個(gè) 價(jià)格相對(duì)較低的產(chǎn)品可以帶來(lái)利潤(rùn)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的提高。因?yàn)檫x用 DSP芯片的同時(shí)，還要增加它的開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，因此提高了成本。 DSP芯片實(shí)現(xiàn)的功能較多，所以它的功耗相對(duì)較高。本數(shù)字錄音系統(tǒng)由于必須能同時(shí)進(jìn)行錄放音，所以 AD和 DA的功能是必需的，對(duì) DSP芯片，若外接 AD或 DA元件，增加了復(fù)雜度，也提高了成本。本數(shù)字錄音系統(tǒng)沒(méi)有復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，所以沒(méi)有對(duì)運(yùn)算精度的要求。本系統(tǒng)中，對(duì)運(yùn)算速度的要求，主要是要滿足每一個(gè) AD變換后的數(shù)據(jù)都能及時(shí)地存入存儲(chǔ)器，從后面的分析可以看出，通用單片機(jī)的處理能力已經(jīng)可以滿足本系統(tǒng)的需要。 從以上的特點(diǎn)可以看出， DSP芯片具有較快的運(yùn)算速度和較短的指令周期，它的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛，對(duì)于語(yǔ)音的處理也是它的一個(gè)應(yīng)用。 （ 7） 可以并行執(zhí)行多個(gè)操作。 （ 5） 快速的中斷處理和硬件 I/O支持。 （ 3） 片內(nèi)具有快速 RAM，通常可通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問(wèn)。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求， DSP 第 4 頁(yè) 共 32 頁(yè) 芯片一般具有以下特點(diǎn) : （ 1） 在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法運(yùn)算。另外， APR系列芯片也不能同時(shí)進(jìn)行錄放音，所以本嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng)亦不采用 APR系列語(yǔ)音芯片。 （ 2） APR系列 APR系列錄放語(yǔ)音芯片有以下幾種 : 表 APR系列語(yǔ)音芯片技術(shù)指標(biāo) 芯片型號(hào) 錄音時(shí)間 采 樣頻率 特點(diǎn) ISD1400系列 1620秒 邊緣 /電平觸發(fā)音，EEPROM存儲(chǔ)器，真實(shí)、自然再現(xiàn)語(yǔ)音和音樂(lè)，100,000次錄音周期 (典型值 ) ISD2500系列 32120秒 邊緣 /電平觸發(fā)放音，EEPROM存儲(chǔ)器，真實(shí)、自然再現(xiàn)語(yǔ)音和音樂(lè)，避 免 了量 化噪 音，100,000次錄音周期 (典型值 ) ISD33000系列 60240秒 自動(dòng)靜噪功能，內(nèi)置微控制器串行通信接口，EEPROM存儲(chǔ)器，真實(shí)、自然再現(xiàn)語(yǔ)音和音樂(lè)，避免了量化噪音 ，反復(fù)錄音十萬(wàn)次 ISD4003系列 48分鐘 自動(dòng)靜噪功能，內(nèi)置微控制器串行通信接口，音質(zhì)真實(shí)自然， EEPROM存儲(chǔ)器，反復(fù)錄音十萬(wàn)次 APR系列芯片的控制錄放音有兩種方式 :電平觸發(fā)錄音、邊緣觸發(fā)放音控制和微控制器串行外設(shè)接口控制，這兩種方式也都不能用類似文件的方式進(jìn)行控制，因此操作不方便 。另外， ISD系列芯片不能同時(shí)進(jìn)行錄放音。 ISD系列語(yǔ)音芯片包括如下幾種 : 表 ISD系列語(yǔ)音芯片技術(shù)指標(biāo) 芯片型號(hào) 錄音時(shí)間 采樣頻率 特點(diǎn) ISD1400系列 1620秒 邊緣 /電平觸發(fā)音，EEPROM存儲(chǔ)器，真實(shí)、自 然再現(xiàn)語(yǔ)音和音樂(lè)， 100,000次錄 音周期 (典型值 ) ISD2500系列 32120秒 邊緣 /電平觸發(fā)音，EEPROM存儲(chǔ)器，實(shí)自然再現(xiàn)語(yǔ)音和音樂(lè)避免了量化噪音，100,000次錄音周期(典型值 ) ISD33000系列 60240秒 自動(dòng)靜噪功能，內(nèi)置微控制器串行通信接口， EEPROM存儲(chǔ)器，真實(shí)、自然再現(xiàn)語(yǔ)音和音樂(lè)，避免了量化噪音，反復(fù)錄音十萬(wàn)次 ISD4003系列 48分鐘 自動(dòng)靜噪功能，內(nèi)置微控制器串行通信接口，音質(zhì)真實(shí)自然， EEPROM存儲(chǔ)器，反復(fù)錄音十萬(wàn)次 ISD 系列芯片的控制錄放音有兩種方式 :引腳的邊沿或電平觸發(fā)控制和微控制器串 第 3 頁(yè) 共 32 頁(yè) 行通信接口控制，這兩種方式都不能用類似文件的方式