【正文】 ............. 20 參考文獻 ............................................................................................................ 21 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 1 第 1章 緒論 課題背景 隨著現(xiàn)代社會的建設(shè)，公共汽車越來越為大眾所喜愛，不僅僅可以在低消費下達到目的地，同時也能很方便的省去很多的自駕麻煩。而隨著人們使用公共汽車的普遍，車輛上一般都相當(dāng)擁擠，造成許多的乘客未到站先下車或者推遲 下車的情況，也加重了售票員的勞動強度。而利用單片機對語音芯片進行控制可以達到語音報站的效果。 在一些自動語音報站系統(tǒng)中，廣泛采用的是通過使用語音芯片進行設(shè)計電路，然后通過 MIC 錄音電路以及功放電路進行語音的錄制與播放，同時通過單片機對語音芯片進行選擇以及功能的控制，從而完成語音報站。因此，本系統(tǒng)用一種比較昂貴且現(xiàn)代社會才剛剛常用的一種 ISD4004 系列語音芯片，不需復(fù)雜的外圍電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路能直接與單片機完成語音的錄制和播放，實現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要用于各種場合； 為了提高對語音芯片的認識和了解，尤其是對 ISD4004 系列的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設(shè)計了本系統(tǒng)。單片機智能控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、智能語音等方面， ISD4004 系列工作 電壓 3V， 單片錄放時間 8 至16 分鐘 ， 音質(zhì)好 ， 適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。采樣頻率可為 ， ， ， ， 頻率越低 ， 錄放時間越長 ， 而音質(zhì)則有所下降 ， 片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中 ， 可在斷電情況下保存 100 年 (典型值 )， 反復(fù)錄音10 萬次。 其次，為了理論聯(lián)系實際，用大學(xué)所學(xué)的理論來進行實際工作，將知識轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力。通過本次設(shè)計將大學(xué)所學(xué)的知識進行系統(tǒng)地梳理，概括和總結(jié)，并綜合運用這些所學(xué)的知識。傳統(tǒng)由乘務(wù)人員人工報站，該方式因其效果太差和工 作強度太大，在很多大城市已經(jīng)被淘汰。在聲學(xué)領(lǐng)域，微機技術(shù)與各種語音芯片相結(jié)合，即可完成語音的合成技術(shù)，使得汽車報站器的實現(xiàn)成為可能，從而為市民提供了更加人性化的服務(wù)。 公交車語音報站顯示系統(tǒng)的設(shè)計主要是為了彌補人工報站的辛苦以及誤報的落后方式，進站、出站播報站名及相關(guān)服務(wù)用語，為市民提供更人性化， 更完善的服務(wù)。在正常情況下，通過 ISD4004 對語音報站信息進行播放以及利用 LED 點陣進行相關(guān)提示漢字的顯示， 語音錄放電路有共同的特點：語音錄制播放環(huán)境復(fù)雜、現(xiàn)場性強等。這樣，由于各種因素會造成語音錄放系統(tǒng)較大的偏差，會使語音系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性下降。 ISD4004 芯片采用 CMOS 技術(shù) ， 內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。通過單片機對報站語音進行采集處理，同時設(shè)定相關(guān)漢字顯示信息；當(dāng) 到站按鍵按下時，該系統(tǒng)會發(fā)出到站站名及相關(guān)語音聲音，同時讓 LED 點陣進行漢字提示信息的顯示，報站語音以 及漢字顯示結(jié)束時等待下一個到站按鍵的觸發(fā)。對一些語音內(nèi)容不固定并要求現(xiàn)場錄音和放音的系統(tǒng)，采用一般語音芯片實現(xiàn)，錄放音的質(zhì)量難以控制。 另外 ， 在語音錄放系統(tǒng)中，采用普通語音芯片 .外圍電路會比較復(fù)雜，而且在軟件實現(xiàn)時也需要用到復(fù)雜的算法，一定程度上也增加了軟件實現(xiàn)的難度。采用語音芯片 ISD4004 進行語音的錄放，直接對模擬信號進行存儲。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，此元件線形較好。美國 ISD(Information Storage Devices)公司的 ISD 系列芯片采用直接模擬存儲專利技術(shù)，把語音信號以原始的模擬形式直接存儲在片內(nèi) EEPROM 存儲器中，無需進行 A/D 轉(zhuǎn) 換和壓縮處理等，從而減少了失真、大大提高了錄放音質(zhì)量，并具有抗斷電、音質(zhì)好、使用方便、可反復(fù)錄放、無需專用的語音開發(fā)工具、能隨意列改內(nèi)容和耗電省等優(yōu)點，很適合于現(xiàn)場錄放音系統(tǒng)。外圍電路會比較復(fù)雜，而是用 ISD4004 芯片直接使用簡單的外圍電路即可。 采用語音芯片 ISD4004 系列，可以體現(xiàn)系統(tǒng)芯片化這個趨勢。而且，集成塊的使用，有效地 避免外界的干擾，提高語音錄放電路的質(zhì)量以及實用性。本方案應(yīng)用這一語音芯片。 電路原理的總體設(shè)計 基于 ISD4004 語音芯片的語音報站漢字顯示系統(tǒng) 的設(shè)計研制過程主要包括：總體設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、仿真調(diào)試等幾個階段。如 圖 11 所示： 語 音 錄 放 電 路電 源 電 路 S T C 8 9 C 5 2 R CL E D 點 陣 漢 字 顯 示按 鍵 控 制 圖 11 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 單片機芯片是與 MCS51 兼容的 STC89C52RC， STC89C52RC 單片機帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能 8 位微處理器。同時單片 8 至 16 分鐘語音錄放，內(nèi)置微控制器串行通信接口， 3V單電源工作，多段信息處理，工作電流 2530mA， 維持 電流 1μA，不耗電信息保存 100 年 (典型值 )，高質(zhì)量、自然的語音還原技術(shù)， 10 萬次錄音周期 (典型值 )，自動靜噪功能，片內(nèi)免調(diào)整時鐘 ， 可選用外部時鐘。 漢字顯示電路采用的是 16*16 LED 點陣顯示。顯然，靜態(tài)顯示需占用較多的 I/O 口線。通過控制各個顯示器公共陽極輪流接高電平的辦法，逐一輪流地啟動各個 LED。其優(yōu)點是硬件簡單， “ 動態(tài) ” 由軟件實現(xiàn)。 電源電路是給語音芯片 ISD4004 提供 3V 穩(wěn)壓電源，利用 LM317，通過電阻分壓，輸出穩(wěn)定的 3V穩(wěn)定電源，讓語音芯片可以正常的工作。 按鍵控制電路完成對語音播放以及漢字顯示開始的控制，通過對單片 機相關(guān)引腳的高地電平的控制，從而完成對語音芯片的控制，從而達到完成語音報站漢字顯示功能。 五部分組成，具體的電路介紹本部分就先不進行詳細的介紹，在論文的硬件各部分設(shè)計中將會對各個部分的電路進行詳細的介紹。讓我們對硬件進行整體的了解。 STC89C52RC 單片機芯片 STC89C52RC 是 STC 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 8Kb 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 512b 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS— 51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用中央處理器(CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大 STC89C52RC 單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，是一種高效微控制器， STC89C52RC 單片機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 [10]。 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 5 表 21 P3口的第二功能 口 線 第 二 功 能 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 (輸入 )端 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 (輸出 )端 INT0 外部中斷 0 輸入端 INT1 外部中斷 0 輸入端 P3. 4 T0 定時 /計數(shù)器 T0 的外部輸入端 P3. 5 T1 定時計數(shù)器 T1的外部輸入端 P3. 6 WR 外數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，低電平有效 P3. 7 RD 外數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，低電平有效 STC89C52RC 單片機主要性能參數(shù)： (1) 時鐘頻率 (HZ)： 0~80M； (2) 8Kash程序存儲器 ； (3) 512 內(nèi)程序存儲器 (RAM)； (4) 2 個數(shù)據(jù)指針 ； (5) 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器 T0/T1； (6) 4 個 8 位輸入輸出接口 (P0~P3)， 共 32 根 I/O 口線 ； (7) 8 個中斷源 ； (8) 4 個優(yōu)先級 ； (9) 看門狗電路 。 ISD4004 語音芯 片采用 CMOS 技術(shù)，內(nèi)含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陳列等，因此只需很少的外圍器件就可構(gòu)成一個完整的聲音錄放系統(tǒng)。采樣頻率可為 、 、 頻率越低，錄放時間越長，而音質(zhì)則有所下降。器件工作電壓 3V，工作電流 25~30mA，維持電流 1uA， 單片錄放語音時間 8~16min，音質(zhì)好，適用于移動電話機及其它便攜式電子產(chǎn)品中。 哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文 6 圖 22 ISD4004 系列語音芯片外部引腳圖 簡述 (1) 單片 8 分鐘語音錄放 ； (2) 內(nèi)置微控制器串行通信接口 ； (3) 3V單電源工作 ； (4) 多段信息處理 ； (5) 工作電流 2530mA， 維持電流 1μA； (6) 不耗電信息保存 100 年 (典型值 )； (7) 高質(zhì)量、自然的語音還原技術(shù) ； (8) 10 萬次錄音周期 (典型值 )； (9) 自動靜噪功能 ； (10) 片內(nèi)免調(diào)整時鐘 ， 可選用外部時鐘 。芯片采用 CMOS 技術(shù) ， 內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù) ， 每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中 ， 因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲 ， 避免了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 。 引腳描述 電源 ： (VCCA， VCCD)為使噪聲最小 ， 芯片的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線 ， 并且分別引到外封裝的不同管腳上 ， 模擬和數(shù)字電源端最好分別走線 ， 盡可能在靠近供電端處相連 ， 而去耦電容應(yīng)盡量靠近器件。 同相模擬輸入 (ANA IN+)這是錄音 信號的同相輸入端。單端輸入時 ， 信號由耦合電容輸入 ， 最大幅度為峰峰值 32mV， 耦合電容和本端的3kΩ 電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。 反相模擬輸入 (ANA IN)差分驅(qū)動時 ， 這是錄音信號的反相輸入端。 片選 (SS)此端為低 ， 即向該 ISD4004 芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。 串行輸出 (MISO) ISD 的串行輸出端。 串行時鐘 (SCLK) ISD 的時鐘輸入端 ， 由主控制器產(chǎn)生 ， 用于同步 MOSI 和 MISO 的數(shù)據(jù)傳輸。 中斷 (INT)本端為漏極開路輸出。中斷狀態(tài)在下一個 SPI 周期開始時清除。 OVF 標(biāo)志 指示 ISD 的錄、放操作已到達存儲器的未尾。 行地址時鐘 (RAC) 漏極開路輸出。該信號 175ms 保持高電平 ， 低電平為 25ms。該端可用于存儲管理技術(shù)。芯片內(nèi)部的采樣時鐘在出廠前已調(diào)校 ， 誤差在 +1%內(nèi)。工業(yè)級芯片在整個溫度和電壓范圍內(nèi) ， 頻率變化在 6/+4%內(nèi) ， 此時建議使用穩(wěn)壓電源。由于內(nèi)部的防混淆及平滑濾波器已設(shè)定 ， 故上述推薦的時鐘頻率不應(yīng)改變。在不外接地時鐘時 ， 此端必須接地。通常本端對地接 1mF 的電容 ，構(gòu)成內(nèi)部信號電平峰值檢測電路的一部分。大信號時 ， 自動靜噪電路不衰減 ， 靜音時衰減 6dB。本端接 VCCA 則禁止自動靜噪。 SPI 協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 ， 協(xié)議假定微控制器的 SPI 移位寄存器在 SCLK 的下降沿動作 ， 因此對 ISD4004 而言 ， 在時鐘止升沿鎖存 MOSI 引腳的數(shù)據(jù) ， 在下降沿將數(shù)據(jù)送至 MISO 引腳。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當(dāng)前進行的操作兼容。 信息快進 用戶不必知道信息的確切地址 ， 就能快進跳過一條信息。放音速度是正常的 1600 倍 ， 遇到 EOM 后停止 ， 然后內(nèi)部地址計數(shù)器加 1， 指向下條信息的開始處。因此 ， 用戶發(fā)完上電指令后 ， 必須等待 TPUD， 才能發(fā) 出一條操作指令。 器件會從此 00 地址開始放音 ， 當(dāng)出現(xiàn) EOM 時 ， 立即中斷 ， 停止放音。 器件便從 00 地址開始錄音 ， 一直到出現(xiàn) OVF(存貯器末尾 )時 ， 錄音停止 [5]。如圖 23 所示。 74HC138 特有 3 個使能輸入端：兩個低有效 (E1 和E2)和一個高有效 (E3)。利用這種復(fù)合使能特性，僅需 4 片 74HC138 芯片和 1 個反相器，即可輕松實現(xiàn)并行擴展，組合成為一個 132(5 線到 32 線 )譯碼器。 圖 23 74HC138 外部引腳圖 74HC138 與 74HC238 邏輯功能一致，只不過 74HC138 為反相輸出。 74HC138 作用原理于高性能的存貯譯碼或要求傳輸延遲時間短的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) ， 在高性能存貯器系統(tǒng)中 ， 用這種譯碼器可以提高譯碼系統(tǒng)的效率。 HC138 按照三位 二進制輸入碼和賦能輸入條件 ， 從 8 個輸出端中譯出一個低電平輸出。在解調(diào)器應(yīng)用中 ， 賦能輸入端可用作數(shù)據(jù)輸入端 [4]。 LM117/LM317 的輸出電壓范圍是 至 37V，負載電流最大為 。此外它的線性 調(diào)整率和負載調(diào)整率也比標(biāo) 準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。通常 LM117/LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM117/LM317 輸入端的連線超過 6 英寸 (約 15 厘米 )。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比。比如 把調(diào)整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調(diào)節(jié)高達數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過 LM117/LM317的極限就行。還可以把調(diào)整端接到