【正文】 ding and playback controlled by button, can reset and voice can adjust. The system includes three modules:single chip microputer control module, voice recording module, power amplifier module. Core of control module is 51SCM mouth line function, through the identification of key to control the voice recording module work model。控制模塊核心是 51 單片機的口線功能，通過對按鍵的識別來控制語音錄放模塊的工作模式；語音錄放模塊能實現(xiàn)對聲音的處理、存儲以及復原的功能；功放模塊能對復原好的音頻信號加以放大，使聲音更加清晰明亮。[鍵入文字 ] I 基于 AT89C51 單片機的數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)設計 摘 要 該文采用 AT89C51 單片機和 ISD2560 語音芯片設計一款實時語音錄放系統(tǒng)，能實現(xiàn)錄音時間達 60s、錄放音受按鍵控制、可復位且音量可調(diào)等諸多功能。 整個系統(tǒng)共有三大模塊：單片機控制模塊、語音錄放模塊、功放模塊。整個設計圍繞以下三方面進行研究 ：總體方 案設計、硬件電路設計、軟件設計。voice recording module can realize voice processing,storage and playback。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手 ?？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。 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?？梢哉f， 單片機體現(xiàn)的是它強大的控制能力。相對于模擬設備來說，數(shù)字設備易于集成、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)目前在各種領域中都得到了廣泛的應用 [2]。 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。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]。 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。 [鍵入文字 ] 2 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 。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，當需要恢復語音時，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。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。現(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。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。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）。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。語音識別技術(shù)和語 音合成技術(shù)，將是未來的主導，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]。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。 設計任務與要求 本文的設計任務是用 AT89C51 單片機設計一款數(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，可復位且音量可調(diào)有較強的抗干擾能力。 第 2章 總體方案設計 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。它的原理圖如圖 21 所示。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雜，硬件電路不宜調(diào)試。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，可作為語音服務的子系統(tǒng)等縱多優(yōu)點。加上麥克風、揚聲器，開關和少數(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)。模擬語音語音信號進過麥克風之后直接送入 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]。 [鍵入文字 ] 5 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。 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。進過數(shù)十年的研究發(fā)展，目前單片機家族復雜龐大，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。 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。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。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。 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體公司生產(chǎn)的 LM386 音頻集成功率放大器。該器件采用 ATMEL 獨有存儲技術(shù)制造，兼容工業(yè)標準的 MCS51 指令集。 P0 口是一個 8 位漏極開路雙向輸入輸出端口，當訪問外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用。 P0 口每一個引腳可以推動 8 個 LSTTL 負載。 P2 口也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口（準雙向并行 I/O 口），如果程序訪問的是外部 ROM 時，它是作高 8 位地址。每一個引腳輸出可以推動 4 個 LSTTL 負載 [7]。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的復用功能，如表 22 所示。 VCC： AT89C51 的正極，輸入 +5V 電壓。 XTAL1：接外部晶振的一個引腳。當它采用外部振蕩器時，一些引腳應接地。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生[鍵入文字 ] 8 器輸入端。 EA/VPP：當該引腳為低電平時，單片機讀取的是外部的程序存儲器中的程序來執(zhí)行。而對于 AT89C51 或其它內(nèi)部有程序存儲器的單片機來說，當初引腳接高電平時，單片機首先會在片內(nèi)程序存儲器中取指令，當 PC 的內(nèi)容超過 FFFH 時系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)向片外程序存儲器中取指令。一塊 ISD 芯片上集成有麥克風前置放大器（ AMP）、自動增益控制電路（ AGC）、抗混淆和平滑濾波器、模擬存儲陣列、揚聲器驅(qū)動器、控制接口和內(nèi)部精確的參考時鐘，加上外部元件（液晶、麥克風、揚聲器、開關和少數(shù)電阻、電容），再加上電源即可組成最簡單語音系統(tǒng)。它是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間達 60s，可重復錄放 10 余萬次。每個采樣 數(shù)據(jù) 值 直接由芯片自動 存儲在片內(nèi) ROM 單元中， 播放時直接將存儲的數(shù)據(jù)導出，所以它 能 十分 真實地再現(xiàn) 人聲 、音樂、 語 調(diào)和聲效，可避免一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和 “金屬聲 ”。 ISD2560 引腳說明 ISD2560 的引腳排列詳見附錄 1，各引腳的主要功能說明如下： A0/M0~A6/M A7~A9：地址線， ISD 器件可以實現(xiàn) 1～ 600 段錄放語音功能，每段錄放音都有一個起始端，該起始地址的選擇由 A0~A9 確定。 AUX IN：當 CE 和 RP/ 為高，放音不進行，或處于放音溢出狀態(tài)時，本端的輸入信號通過內(nèi)部功放驅(qū)動喇叭輸出端。 SP+、 SP：揚聲器輸出。 [鍵入文字 ] 9 MIC：本端連至片內(nèi)前置放大器，外接話筒應通過串聯(lián)電容耦合到本端，耦合電容值和本端的 10KΩ 輸入電阻。當以差分形式連接話筒時，可減小噪聲，提高共模抑制比。響應時間取決于本端的 5KΩ 輸入阻抗外接的對地電容的時間常數(shù)。 470KΩ 和 的標稱值在絕大多數(shù)場合下可獲得滿意的效果。 ANA OUT：前置放大器的輸出，前置電壓增益取決于 AGC 端電平。 CE ：當?shù)碗娖接行r（而且 PD 為低），允許語音芯片進行錄放操作。 PD：當該端為高電平時，芯片停止工作，且不耗電，芯片發(fā)生溢出，即 OVF 端輸出低電平后，本端口短暫變高電平。 EOM ： EOM 是在錄音時由芯片自動插入到語音信息的結(jié)尾作為結(jié)束的標志。芯片內(nèi)部會檢測電源電壓以維護信息的完整性，當電壓低于 時，本端變低，芯片只能放音。本端內(nèi)部有下拉元件，不用時應接地。為高電平時選擇放音，為低電平時選擇錄音。放音時由地址端提供起始地址，放音直至遇到 EOM 停止標志。 由于 ISD2560 內(nèi)置了若干種操作模式，因而可用最少的外圍器件實現(xiàn)最多的功能。因此操作模式和直接尋址相互排斥。操作模式可由微控制器也可由硬件實現(xiàn)。當系統(tǒng)錄音轉(zhuǎn)為放音或進入省電狀態(tài)時，地址計數(shù)器復位為 0。這種操作模式將一直有效，直到 CE 再次由高變低，芯片重新鎖存當前的地址 /模式端電平并執(zhí)行相應的操作為止。如果下一片選周期 MSB（ A A9）地址位中有一個 (或兩個 )變?yōu)榈碗娖?，則執(zhí)行信息地址，即從該地址錄音或放音，原來設定的操作模式狀態(tài)將丟失。 2500 系列地址空間是這樣分配的：地址 0~599 作為分段用 (見表 24)，地址 600~767 未使用，地址 768~1023 為工作模式選擇。每個地址單元指向其中一行，每一個地址單元的地址分辨率為 100ms，共計 60s。圖 23 是 ISD2560 語音錄放的基本電路原理圖 [9]。此時啟動錄音；結(jié)束時松開按鍵，單片機又讓錄放模式鍵 RP/ 端回到高電平 ，即完成一段語音的錄制。 [鍵入文字 ] 12 LM386 集成功率放大器芯片 LM386 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類電子產(chǎn)品的放大。但在 1 腳和 8 腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至 200。輸入端以地位參考， 同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在 6V 電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為 24mW，使得 LM386 特別適用于電池供電的場合。 表 25 LM386 電子特性表 項目 測試環(huán)境 規(guī)格 工作電壓 Vs（ V） 4~5 輸入電壓 Vin（ V） ~+ 輸入阻抗 Ri（ kΩ） 50 靜電流 Iq（ mA） Vs=6V,Vin=0V 4~8 輸出功率 Pout（ mW） Vs=6V， Rl=8Ω， THD=10% 250~325 電壓增益 (dB) Pin 8開路 26 Pin 8以 10μF連接 46 頻寬（ kHz） Pin 8開路 300 Pin 8以 10μF連接 60 LM386 的引腳排列詳見附錄 1。使用時在引腳 7 和地之間接旁路電容，通常取 10μF。 盡管 LM386 的應用非常容易，但是在器件上電、斷電瞬間，甚至平穩(wěn)工作后的插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕等操作都會帶來的瞬態(tài)沖擊，使喇叭產(chǎn)生非常討厭的噪聲，所以使用時需要做好相應除噪措施。 (2) 選好調(diào)節(jié)音量的電位器。 [鍵入文字 ] 13 (3) 盡可能采用雙音頻輸入 /輸出。 (4) 第 7 腳（ BYPASS）的旁路電容不可少。工作穩(wěn)定后，該管腳電壓值約等于電源電壓的一半。在器件上電、掉電時的噪聲就是由該偏置電壓的瞬間跳變所致。此電容的作用有二 [10]：隔直與耦合。它與揚聲器負載構(gòu)成了一階高通濾波器。 經(jīng) 測試，發(fā)現(xiàn) 10uF/ 最為合適。采用 51 單片機作為控制核心，利用 ISD2560 實現(xiàn)語音的錄放，采用 LM386 集成功放使聲音放大，簡單易行且控制方便。單片機的 P1 口、 以及P2 口中的部分口線 分別與 ISD2560 的地址線相連 ，用來設置語音段的起始地址和控制操作模式；此外， P2 口還 控制錄放音狀態(tài)； P0 連接按鍵，供錄放音使用