電話留言機單片機控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

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摘 要 隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的迅猛發(fā)展 公安 鐵路 民航 金融等部門對語音記錄的 需求不斷增長 把語音生成技術(shù)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng) 自動應(yīng)答系統(tǒng) 多媒體查詢系統(tǒng) 智能化儀表 辦公自動化系統(tǒng)或家用電氣產(chǎn)品中 使它們具有語音輸出功能 使之能 在適當?shù)臅r候用語音實時報告系統(tǒng)的工作狀態(tài) 警告信息 提示信息或相關(guān)的解釋說 明等 無疑在提高人機通信能力 減少對錯誤處理的遺漏 提高系統(tǒng)性能 降低人們 的工作強度等方面都有極大的好處 而數(shù)字錄音系統(tǒng)作為其中的一種 經(jīng)常用于某些監(jiān)主對話系統(tǒng)中 在適當?shù)臅r 候用語音實時報告系統(tǒng)的工作狀態(tài)和提示等 數(shù)字錄音系統(tǒng)是將現(xiàn)場的語音模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號 然后存儲在一 定的存儲介質(zhì)上的一種錄音方式 它也是數(shù)字語音處理技術(shù)中常用的一種方式 采用 數(shù)字錄音技術(shù) 有較高的效率和自動化程度 錄音時間也長 并可將信息長期保存于 存儲介質(zhì)中 同時對語音信息進行編輯整理非常方便 可快速查找 實現(xiàn)數(shù)字錄音系統(tǒng)可以采用PC機實現(xiàn)和嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)兩種方式 當使用 PC機 的時候 由于它的體積龐大 耗電高 造價也高 并且在某些情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性得 不到保證所以用PC機來實現(xiàn)前述的各項功能和操作 就受到了一定的限制 而嵌入式 系統(tǒng)的體積小 供電方便 造價低 穩(wěn)定性也高 所以得到了廣泛的應(yīng)用 本論文介 紹了一種用單片機實現(xiàn)的嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng) 該系統(tǒng) 為一個數(shù)字錄音模塊 可以將其封裝在上面進行二次開發(fā) 它采用錄音的原理 錄音 時 單片機的CPU將語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號在存儲器中 播放的時候 既可以播放 錄音文件 也可以播放提前存儲器中的語音文件 關(guān)鍵詞 語音 數(shù)字 單片機 Abstract With the growth of the development of the economy the need for sound Record in the department of Gongan and Railway are increasing It is much Useful for the advance in the communication between the people and the machine and for the reducing of the mistake of the disposal in the system of industrial surveillance the system of the The digital recording system as one of a kind frequently used in some of the DAIJI prison system in the dialogue at an appropriate time to voice real time reporting system and the work of state and other tips Digital recording system is the scene of the voice analog signal into a discrete digital signal and then stored in a storage medium on a recording it is also digital voice processing technologies used in a way Use of digital recording technology efficiency and a higher degree of automation recording a long time and the information stored in long term storage medium while the voice information edited by the very convenient and fast to find Digital recording system can be used to achieve a PC and embedded systems in two ways When using a PC when because of its size power consumption high cost and in some cases system stability can not be guaranteed so using a PC to achieve the aforementioned functions and operation Subject to certain restrictions The small size of the embedded systems power supply convenience low cost high stability has been widely used This paper presents a MCU with embedded digital recording system which As a digital recording module that can be packaged in a second development above It uses the principles of sound recording sound recording the MCU CPU will voice signal into a digital signal in memory The players both can play audio files can also play early in the memory of the audio files 目 錄 1 緒論 5 1 1 題目背景 5 1 2 語音留言系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 展望 6 1 3 語音留言系統(tǒng)的應(yīng)用 7 1 4 本文結(jié)構(gòu) 7 2 硬件總體設(shè)計 2 2 1 系統(tǒng)描述 8 2 2 系統(tǒng)的元件選擇 9 2 3 系統(tǒng)功能分析 9 2 4 各部分電路的設(shè)計 14 2 4 1 振鈴電路 14 2 4 2 摘機掛機電路和 DTFM 雙音多頻解碼集成電路 14 2 4 3 電話筒檢測電路 14 2 4 4 4 4 鍵盤電路 14 2 4 5 錄放音主電路 14 3 軟件設(shè)計 22 3 1 錄音程序設(shè)計 22 3 2 放音程序設(shè)計 24 4 系統(tǒng)的拓展 27 4 1 儲存時間的拓展 27 4 2 ISD4004 清晰化和立體聲語音系統(tǒng)擴展 28 結(jié)論 38 參考文獻 39 致謝 40 附錄 39 1緒論 1 1項目背景 隨著公安 鐵路等部門對語音記錄的需求不斷增長 出現(xiàn)了許多聲音處理的產(chǎn)品 而數(shù)字錄音系統(tǒng)作為其中的一種 經(jīng)常用于某些監(jiān)控對話系統(tǒng)中 在適當?shù)臅r候用語 音實時報告系統(tǒng)的工作狀態(tài)和提示信號等 本文介紹了一種用單片機實現(xiàn)的嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng) 該系統(tǒng)為一個數(shù)字錄音模塊 可以將其封裝在上面進行二次開發(fā) 它采用數(shù)字錄音的原理 錄音時 單片機的CPU 將語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 存儲存儲器中 播放的時候 既可以播放錄音文件 也 可以播放提前存入存儲器中的語音文件 本文首先介紹了實現(xiàn)嵌入式錄音的幾種技術(shù) 然后介紹了數(shù)字錄音的原理 在這之后進行了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和詳細的軟硬件設(shè) 計 給出了系統(tǒng)調(diào)試過程和實驗結(jié)果 最后 對系統(tǒng)的應(yīng)用前景進行了分析并提出了 改進設(shè)想 從實驗結(jié)果來看 本論文所設(shè)計的嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng)穩(wěn)定性較好 當然要真正做到 商業(yè)化還需要做很多的改進工作 但它對許多要求錄放的場合是十分有用的 嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng)體積小 操作方便 供電簡單 造價低 范圍廣 本文中介紹 的嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng)的最大特點是具有同時壽音功能 為很多場合下需要證明播放 過語音文件提供了支持 本文中設(shè)計的嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng) 主要是要滿足以下幾個指標 1 足夠長的錄音時間 至少 5 分鐘以上的時間 主要滿足對長時間數(shù)字語音記錄的 需要 2 大容量非易失數(shù)據(jù)的存儲器作為存儲媒介 可以保存語音文件和一記錄 3 靈活方便的控制方式 可以隨心所欲地進行客戶所需要的各種對語音的操作 4 合理的數(shù)據(jù)壓縮方式 既保證語音的質(zhì)量 又要盡可能地充分地利用存儲空間 1 2 語音留言系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 展望 語音信號處理屬于信息科學的一個重要分支 大規(guī)模集成技術(shù)的高度發(fā)展和計算 機技術(shù)的飛速前進 推動了這一技術(shù)的發(fā)展 在數(shù)字音頻技術(shù)和多媒體技術(shù)迅速發(fā)展 的今天 傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)因體積大 使用不便 放音不清晰而受到了巨大挑 戰(zhàn) 本課題組提出的體積小巧 功耗低的數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng) 可以有效的解 決傳統(tǒng)的語音錄放系統(tǒng)在電子與信息處理的使用中受到的限制 傳統(tǒng)的磁帶語音錄放系統(tǒng)因其體積大 使用不便 在電子與信息處理的使用中受到 許多限制 體積小巧 功耗低的數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)將完全可以替代它 數(shù)字化 語音存儲與回放系統(tǒng)的基本原理是對語音的錄音與放音的數(shù)字控制 主要包括為了增 加語音存儲時間 提高存儲器的利用率 采用了非失真壓縮算法對語音信號進行壓縮后再 存儲 而在回放時再進行解壓縮 同時 對輸入語音信號進行數(shù)字濾波以抑制雜音和干擾 從而確保了語音回放的可靠質(zhì)量 80 年代以來 美 日等國的數(shù)字語音技術(shù)的研究工作進入了應(yīng)用階段 相繼研制的大 規(guī)模集成電路語音芯片已經(jīng)供應(yīng)市場 并不斷推出新的品種 數(shù)字語音技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng) 域十分廣泛 首先是數(shù)字通信系統(tǒng) 當通過數(shù)字通信系統(tǒng)傳送語音信號時 語音數(shù)字 化技術(shù)就是必不可少的了 發(fā)送端實際上即為語音編碼 接收端為語音合成 在我們 的日常生活中 數(shù)字化語音存儲與回放技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用 諸如公交車報站器 采訪筆 MP3 播放器 手機等 使得產(chǎn)品的功能強大 淘汰了磁帶錄音的傳統(tǒng)方式 方便了人們的生活 推動了社會的進步 近年來單片式語音集成電路發(fā)展迅速 ISD 公司已經(jīng)推出語音容量為 6 秒至 16 分鐘的 芯片 預計未來兩年將推出單片 32 64 分鐘的芯片 這樣 大多數(shù)的語音電路設(shè)計都 能很方便地實現(xiàn) 更復雜的功能控制也可通過單片機或微電腦的軟件配合來完成 目 前 十幾分鐘到幾個小時的數(shù)碼語音電路設(shè)計是亟待解決的問題 如沙盤模型的自動 語音講解 廣告播放 列車指揮黑匣子 119 電話錄音系統(tǒng) 會議錄音系統(tǒng)等 從我們自身專業(yè)與現(xiàn)階段的知識構(gòu)成出發(fā) 我們選擇了以單片機為核心來實現(xiàn)語 音采集與回放 本課題多功能信號發(fā)生器是利用單片機 通過自主編寫匯編程序 來 實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的傳遞 1 3 語音留言系統(tǒng)的應(yīng)用 系統(tǒng)的應(yīng)用方向 語音留言系統(tǒng)的應(yīng)用有很多 包括中央錄音系統(tǒng) 語音留言信箱 會議錄音系統(tǒng) 等等 如會議錄音系統(tǒng) 由于數(shù)字語音留言系統(tǒng)可錄2至3個小時乃至更長的語音信息 十分適合于會議的記錄 同時由于儲存芯片的造價低廉 可多次擦寫錄音 而且可靠 性高 語音清晰 更重要的是數(shù)字語音系統(tǒng)本身可與PC機相連 使得語音信息的儲存 能更為方便簡單 并且可通過網(wǎng)絡(luò)等方式傳播出去 使得數(shù)字語音系統(tǒng)不但能達到錄 音功能 更使得信息的傳播更為簡捷方便 由于以上的優(yōu)點 語音留言系統(tǒng)在許多不 同的領(lǐng)域都得到廣泛的 各種各樣的應(yīng)用 本文研究的是最常用的一種 將會研究的 是遠程電話錄音系統(tǒng) 電話留言系統(tǒng)的現(xiàn)狀 中國的固定電話業(yè)務(wù)也呈現(xiàn)出舉世矚目的快速增長 近兩年 隨著科技的進步和 人們對信息交流的需求 帶有錄音功能的錄音電話走向了市場 錄音電話可以在無人 時自動接聽電話并將對方的信息錄下來 主人只需提取錄音即可 最大可能的將可能 延誤 失去的信息反饋給主人 早期的電話錄音系統(tǒng)是使用盒式錄音帶 但由于體積 過大 使用不便 錄音不清晰 受到諸多限制 后來又推出了集成電路存儲話音的產(chǎn) 品 其原理是錄音時把話音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息存儲在隨即的存儲器中 放音時 將 數(shù)字信息讀出 經(jīng)數(shù) 模準換和放大后能夠音頻信號送往線路上 單片機控制技術(shù)突飛猛進 讓人們越來越認識到它的重要性 隨著集成電路的迅 速發(fā)展 使得單片機的應(yīng)用小型化 一改從前的那種大型機 中型機為主的機器 使 得單片機應(yīng)用于模塊很小的集成電路中 從而讓單片機的應(yīng)用得到更大的發(fā)揮 單片機技術(shù)不斷成熟和發(fā)展 使得智能電話系統(tǒng)從功能到造價 從實用性到穩(wěn)定 都有了巨大的提高 由于智能電話系統(tǒng)有著 按鍵顯示 語音留言 語音撥號 語音 提示和遠程控制等傳統(tǒng)電話所不能比擬的優(yōu)點 以及我國經(jīng)濟水平的不斷提高 智能 電話系統(tǒng)已經(jīng)在我得到了較為廣泛的運用 1 4 本文結(jié)構(gòu) 本文的主體包括五章 本章簡要說明項目的背景 應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀 第二章介紹系統(tǒng) 的總體設(shè)計思路 硬件總體設(shè)計 分電路設(shè)計 系統(tǒng)功能實現(xiàn)以及優(yōu)缺點等 第三章介 紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖以及軟硬件注釋 第四章主要是系統(tǒng)的拓展 包括語音系統(tǒng)錄 音時間的增長 采樣頻率的選擇達到清晰化標準以及使用多芯片達到立體聲要求等方 面 第五章為結(jié)束語 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2 1 系統(tǒng)的描述 電話語音留言系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 2 1 本系統(tǒng)是由中央控制器 信號檢測電路 信號 解碼電路 本地控制電路 狀態(tài)檢測電路 語音儲存芯片 放音電路 錄音電路組成 系統(tǒng)的控制分為兩部分 一部分是本地遠程控制 控制信號是由遠端控制信號輸 入的 另一部分是本地控制 控制信號由近端直接給出 遠端控制過程是當信號輸入時信號檢測電路響應(yīng) 信號解碼電路等待 中央控制 器接到信號檢測電路信號后 經(jīng)過狀態(tài)檢測電路的反饋信息 作出控制調(diào)整 信號解 碼電路工作 輸入遠端信號并解碼送入控制器 控制器響應(yīng)并使語音儲存芯片和錄音 電路工作 使得信號通過錄音電路儲存到語音儲存芯片當中 本地控制電路是信號由本地控制電路直接給出 中央處理器響應(yīng) 并使得放音電 路和語音儲存芯片工作 使得語音儲存芯片的信息通過放音電路以語音形式播放出來 信號檢測 電路 信號解碼 電路 中央控 制器 語音 儲存 芯片 放音電路 錄音電路 狀態(tài)檢測 電路 信 號 反饋 信號傳輸 響應(yīng)信 號發(fā)送 解碼信 號發(fā)送 圖 2 1 電話語音留言系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖 2 2 電路的元件選擇 本課題主要研究單片機實現(xiàn)能遠程電話控制的語音留言系統(tǒng) 系統(tǒng)以單片機 AT89C51 作為芯片 再以 ISD4003 作為儲放音芯片 加上振鈴電路 4 4 鍵盤 摘機 電路 電話筒電路和雙音多頻解碼集成電路 MT8870 為核心 通過電話線路遙控的遠 程電話錄音系統(tǒng) 由主近電路和接口電路 2 部分組成 單片機構(gòu)成主控部分 進行主 要的信息處理 接收外部操作指令形成各種控制信號 并完成對各種信息的記錄 接 口電路包括自動摘掛機控制電路 雙音頻 DTMF 譯碼 編碼電路等 作為數(shù)字錄音系統(tǒng) 因價格以及技術(shù)成熟程度所以該系統(tǒng)選擇了 AT89C51 芯片 使用擁有錄音 放音以及儲存功能的 ISD4003 系列芯片 因電話功能需要 該電路中 加如了能響應(yīng)來電的振鈴電路 以及能實現(xiàn)遠程操作的雙音頻解碼電路 2 3 系統(tǒng)功能分析 系統(tǒng)的功能包括以下幾方面 1 該系統(tǒng)主要應(yīng)用于電話留言 能適用于嵌入式電話系統(tǒng) 并適用于雙音頻解碼 電話 2 該系統(tǒng)能有 8 分鐘的電話錄音 并有 10 萬次錄音周期 能儲存多個電話打入的 錄音 3 系統(tǒng)有不怕斷電 低功耗 耐用持久以及可靠性高等特點 4 能在有電話接入時 自動檢測是否有人接聽 然后進入電話錄音程序 5 操作方面 錄音時能對遠程操作反應(yīng) 放音時使用 4 4 鍵盤控制 6 錄音時 掛電話能自動停止錄音 主電路 見 PCB 原理圖 2 4 電路分部介紹 2 4 1 振鈴電路 當電話接收到振鈴信號時 電話線路上有交流 48V 的電壓信號 電容 C1 阻斷了 直流 只讓振鈴信號 30Hz 左右 通過 zl1 將該指令信號整流 D1 將信號穩(wěn)壓 C2 將整流的信號濾波 抑制干擾 被 C2 平滑后的直流電壓被用于驅(qū)動光電耦合器的發(fā)光 二極管 當振鈴信號出現(xiàn)時光電耦合器的集電極電位變低 此信號的下降沿向 CPU 申 請中斷 當電話線來電時 振鈴電路經(jīng)過的電壓為正玄半波直流電壓 當電壓大于一 定值時 發(fā)光二極管導通 從而光電耦合器導通 INT0 接受低電平 當電壓小于一定 直時 二極管關(guān)閉 光電耦合器關(guān)閉 INT0 又變?yōu)楦唠娖?從而產(chǎn)生脈沖 電路如圖 2 2 圖 2 2 振鈴電路圖 2 4 2 摘機掛機電路和 DTFM 雙音多頻解碼集成電路 該電路主要分為兩部分 其中摘機掛機電路 是在主芯片響應(yīng)振鈴電路后 經(jīng)查 詢電話筒電路 在沒人應(yīng)答的情況下 接通 DTFM 雙音多頻解碼集成電路 經(jīng) DTFM 電路音頻解碼后 代表撥號值的 4 位 BCD 碼 Q1 Q4 送往 CPU 處理 其主要 作用是對遠程控制系統(tǒng)的輸入進行解碼響應(yīng) 電路如圖 2 3 圖 2 3 摘機掛機電路和 DTFM 雙音多頻解碼集成電路圖 摘機掛機電路工作原理 摘機 掛機電路其實就是一個電子開關(guān) 它的作用是完成摘機 掛機的動作 為 避免電話占線 電話電路和電話線之間平時應(yīng)該是處于斷開狀態(tài)的 當你打電話到家 里來 如果出現(xiàn)了若干次鈴響而且沒人接聽 這時候就需要讓錄音系統(tǒng)和電話線路接 通 即完成摘機動作 其實就是要在電話錄音系統(tǒng)和電話線間放置一個開關(guān) 等電話 打入沒人聽時開關(guān)接通 平常斷開 如圖 當 P2 7 為低電平 0 時 v2 不導通 從而 V1 也不導通 當電話接通并沒人 接聽時 只要 89C51 端口 P2 7 置 1 V2 接通 V2 的集電極也有了電流通過 由于 V2 的集電極是通過電阻 R4 和 V1 的基極連接的 當 V2 集電極有電流時 V1 的基極也就有了偏置電流和電壓 因此 V1 也就導通了 從而 SL2 V1 R6 之 間行成回路 并且將線路上的信號在 R5 兩端產(chǎn)生電壓降 想當于把電話線的信 號放于 R6 兩端 R6 就相當于電話線的負載電阻了 該原理其實可以歸結(jié)為 P2 7 接 通 該電路接通 從而 P2 7 作為電話線和錄音系統(tǒng)之間的開關(guān) 而 P2 7 端口可以通過 89C51 設(shè)置控制 通過振鈴電路的響應(yīng)和查詢電話筒電路的狀態(tài)進行設(shè)置 得到能夠 控制的電話錄音系統(tǒng) 摘機掛機電路電路如圖 2 4 摘機掛機電路后連接的是電話 DTFM 雙音多頻解碼集成電路 圖 2 4 摘機掛機電路圖 DTFM 雙音多頻解碼集成電路 雙音頻是電話鍵號傳輸?shù)囊环N方式 從自動電話的制式來分 可分為 脈沖制式 及 雙音頻制式 兩種 脈沖制式 也就是撥號的時候電話機發(fā)出的是一串一串的 無電 流脈沖 比如當撥號碼 1 的時候 發(fā)出去的是 1 個 無電流脈沖 也就是一個 斷電脈 沖 撥 2 的時候 發(fā)出去的是兩個連續(xù)的 無電流脈沖 但是脈沖制式這種傳輸方式 是極為容易被干擾的 經(jīng)過長途線路傳送以后 由于線路電感和電容的影響 脈沖的 波形會發(fā)生嚴重畸變 傳到對方以后很可能就完全變樣了 所以這類逐步淘汰的產(chǎn)品 不宜選用 雙音頻就是撥電話的時候 撥每一個號碼 發(fā)出去的都是由兩個不同頻率 的音頻信號組合起來的雙音頻信號 比如撥 0 的時候 發(fā)出去的兩個音頻信號分別是 941HZ 和 1336HZ 撥 9 的時候發(fā)出去的兩個音頻信號分別是 952HZ 和 1477HZ 等等 我們用電話進行撥號時都能從聽筒中聽到一種按鍵的聲音 這種聲音其實就是由兩個 不同的頻率組合成的復合音 雙音頻電話機具有接通速度快 聲音清晰等很多優(yōu)點 而且對于電話新功能的使用來說 雙音頻電話機是不可缺的 所以該錄音系統(tǒng)選擇的 是音頻解碼電路 電路圖如下圖 2 5 圖 2 5 雙音頻解碼電路圖 該電路使用 MT8870 他的芯片特點如下 1 DTMF8880 是 CMOS 大規(guī)模集成電路功耗低 52mW 并且將發(fā)送和接收電 路集成在一個芯片內(nèi) 所以集成度高 2 可編程控制 容易與微機接口 微機可控制接收部分工作原理與 DTMF 信號接 收器 MT8870 相同 發(fā)送部分采用開關(guān)電容式 D A 變換器 因此 DTMF 信號失真小 頻率精度高 片內(nèi)計數(shù)器對雙音頻模式的占空時間進行精確定時 3 RSO 為寄存器選擇輸入端 2 為時鐘輸入端 與 R W 配合完成讀寫數(shù)據(jù) IRQ CP 為中斷請求信號輸出端 OC 輸出電路 或者在 CP 模式時 輸出方波 標志 已收到 DTMF 信令編解碼及各種公式模式選擇 4 具有多種工作模式 所以功能很強 本系統(tǒng)的雙音頻電路使用 MT8870 解碼器 該解碼器能以 4 位并行二進制碼解碼 16 位鍵盤 解碼圖如圖 2 6 圖 2 6 MT8870 輸出解碼圖 2 4 3 電話筒檢測電路 該電路用于檢測電話是否有人接聽 當電話筒被拿起時 S1 斷開 V4 不導通 從而 V5 基極為高電平 V5 導通 V5 集電極為低電平 輸出到 P0 3 當電話無人接聽 S2 接合 輸出到 P0 3 為高電平 歸結(jié)為有人接聽 輸出為高電平 無人接聽 輸出為 低電平 電路如圖 2 7 圖 2 7 電話筒檢測電路圖 2 4 4 4 4 鍵盤電路 該電路為共陽極 4 4 鍵盤 電路如圖 2 8 圖 2 8 4 4 鍵盤電路圖 2 4 5 錄放音主電路 錄放音主電路是由 AT89C51 ISD4003 以及附屬的錄放音功放電路組成 1 i ATMEL公司的 AT89C51 其內(nèi)含 4 KB的FLASH存儲器 大家都熟悉 不多做介 紹 美國ISD公司推出的ISD4003系列單片語音錄放電路 采用多電平直接模擬量存儲 技術(shù) 將每個采樣值直接存儲在片內(nèi)的快閃存儲器中 能夠非常真實 自然地現(xiàn)語音 音樂 音調(diào)和效果聲 該電路具有操作簡單 接口方便 錄音時間長 可任意分段錄 放 不怕斷電及低功耗等諸多優(yōu)點 因此 被廣泛應(yīng)用于自動化通信系統(tǒng) 移動電話 智能儀器及其他需要語音提示的各種電子產(chǎn)品中 ISD400 的所有操作必須由微控制 器控制 操作命令通過串行通信接口 SPI或Microwire 送人 本文介紹一種用51系列單 片機作控制器 通過單片機的串行口對ISD4003系列語音芯片進行錄音 放音等控制的 方案 該方案結(jié)構(gòu)簡單 控制可靠 有較高的實用價值 ISD4003簡介 1 單片 4 至 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 25 30mA 維持電流 1 A 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 ISD4003系列工作電壓3V 單片錄放時間4至8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 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陣列 芯片設(shè)計是基于所有操作必須由微 控制器控制 操作命令可通過串行通信接口 SPI或Microwire 送入 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 采樣頻率可為 4 0 5 3 6 4 8 0kHz 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 反復錄音10萬 次 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 外部元件包括 麥克風 揚聲器 開關(guān)和少數(shù)電阻 電容 再加上電源和電池 為了減 小噪聲 芯片內(nèi)部模擬 數(shù)字電路具有各自的電源 地線總線 以方便在印制板上實 現(xiàn)數(shù)字 模擬電路電源和地線分開走線 形成單點接地的布線規(guī)則 ISD 系列有多種型號 包括以下幾種 ISD4003 使用 SPI 協(xié)議 SPI 總線接口時序及命令格式 ISD4003 工作于 SPI 串行接口 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 ISD4003 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 協(xié)議的具體內(nèi)容為 1 所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于 SS 下降沿 2 SS 在傳輸期間必須保持為低電平 在兩條指令之間則保持為高電平 3 數(shù)據(jù)在時鐘上升沿移入 在下降沿移出 4 SS 變低 輸入指令和地址后 ISD 才能開始錄放操作 5 指令格式是 5 位控制碼 加 11 位地址碼 6 ISD 的任何操作 含快進 如果遇到 EOM 或 OVF 則產(chǎn)生一個中斷 該中斷狀態(tài)在 下一個 SPI 周期開始時被清除 7 使用 讀 指令使中斷狀態(tài)位移出 ISD 的 MISO 引腳時 控制及地址數(shù)據(jù)也應(yīng)同步 從 MOSI 端移入 因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當前進行的操作兼容 當然 也允 許在一個 SPI 周期里 同時執(zhí)行讀狀態(tài)和開始新的操作 即新移入的數(shù)據(jù)與器件當前的操 作可以不兼容 8 所有操作在運行位 RUN 置 1 時開始 置 0 時結(jié)束 9 所有指令都在 SS 端上升沿開始執(zhí)行 芯片支持 8 位 16 位命令格式 傳輸時序如圖 2 9 所示 ISD4003 系列語音芯片 SPI 總線參數(shù)如表所示 圖2 9傳輸時序圖 89C51和ISD4003的連接電路如圖2 10 圖2 10 89C51和ISD4003連接電路圖 89C51和ISD4003的RAC 與T0 端相接 RAC為行信號輸人端 4 RAC 的計數(shù)值 對 應(yīng)當前的行地址 對錄放信息的精確定位 通信方式為串行通信 通信方式選為方式 0 89C51的串行輸出口RXD接于MOSI ISD4003的串行輸入接口 TXD和SCLK接 為串行時鐘 MISO串行輸出端 與P01相接 命令字圖如圖2 11 圖2 11 ISD4003命令字圖 命令字的高5位為操作碼 低11位為操作地址 狀態(tài)字的最高2位分別是溢出標志OVF 和信息段末尾標志EOM 緊跟其后的是行地址計數(shù)器的值 放音放大電路 4 語音放大電路 本系統(tǒng)采用差分驅(qū)動放大器 是對語音輸入信號進行放大處理 以達到 ISD4004 輸入信號的要求 使用功率放大器來驅(qū)動揚聲器 通過放大濾波可以 使揚聲器發(fā)出清晰而且響亮的語音信號 電路如圖 2 12 圖 2 12 放音輸出放大電路圖 錄音輸入電路 錄音輸入電路是要把由遠端的電話聲音信號錄到芯片中 由于從電話線出來的信 號也需要送入 ISD4003 進行錄音 因此需要將這條線引出來 以便于設(shè)法耦合到電話 線路上去 對于話筒 MIC 由于需要將電話線路上送來的聲音信號耦合到語音芯片 ISD4003 中去 因此在 MIC 的另一端接到 C12 上 通過導通的 V3 接地 這樣從電話 線進來的聲音信號就能夠在話筒 MIC 兩端產(chǎn)生電壓降 通過 C12 的電壓差 使 MIC 的電壓降能耦合到 ISD4003 的 IN 和 IN 電路如圖 2 13 圖 2 13 錄音輸入電路圖 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 錄音主程序 錄音主程序流程圖 振鈴電路 觸發(fā)中斷 待機 接聽 Y 檢測掛電話 否 N 延時程序 Y 錄音程序 錄音結(jié)束 返回待機 檢測中斷否 Y N 檢測到 N 次振 鈴 接通 DTFM 電 路 播放預定錄音 遠程用戶按錄音 鍵 主程序注釋 前面說過 INT0 會接受一個 30HZ 的脈沖 當接受到第一個脈沖后 INT0 響應(yīng) 但要防止躁聲 同時要檢測是否有人接電話 要判斷電話筒電路輸出 所以要給以延 時 然后再次檢測是否繼續(xù)有 INT0 脈沖 檢測電話筒電路的輸出 這樣就可以判斷是 否有電話打入 并且能在設(shè)定的振鈴次數(shù)后接通 DTFM 電路 然后解碼得出遠程操作 按鍵的 BCD 碼 從而得出操作指令 進入錄音程序 子錄音程序流程圖 錄音程序的操作如下 如果從 00 處錄音 則按以下時序 1 發(fā) POWER UP 命令 2 等待 TPUD 上電延時 3 發(fā) POWER UP 命令 4 等待 2 倍 TPUD 5 發(fā)地址值為 00 的 SETREC 命令 6 發(fā) REC 命令 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 錄音地址是可以經(jīng)過串行通信有 89C51 進行設(shè)置的 一段錄音停止時 ISD4003 會自動產(chǎn)生一個 EOM 標志 同時在 INT 產(chǎn)生一個低脈沖信號 假如要在次基礎(chǔ)上繼 續(xù)錄音 則可以使用 SET REC 繼續(xù)錄音 3 2 放音主程序 放音主程序流程圖 待機 用戶按鍵放錄 音 檢測有錄音否 N Y 放音子程序 返回 放音主程序注釋 用戶使用 4 4 鍵盤 當需要放音時 按放音鍵 89C51 查詢輸入端口 在錄音子程 序前放置標志位 標志有錄音否 在 89C51 查詢到要放音時 查詢該標志位 若有標 志位 既有錄音在 進如放音子程序 否則返回待機 放音子程序流程圖如下 放音子程序步驟為 例如 從 00 從處發(fā)音 應(yīng)遵循如下時序 1 發(fā) POWERUP 命令 2 等待 TPUD 上電延時 3 發(fā)地址值為 00 的 SETPLAY 命令 4 發(fā) PLAY 命令 器件會從此 00 地址開始放音 當出現(xiàn) EOM 時 立即中斷 停止放音 執(zhí)行 PLAY 命令 從當前地址開始放音 遇到段結(jié)束標志 EOM 或存儲器末尾標 志 OVF 時停止放音 同時 INT 引腳輸出低電平 指示當前段播放結(jié)束 錄音 放音段起始地址與每段最短時間及放音長度有關(guān) 例如 對 ISD4002 120 芯片來說 最多有 600 段 段地址編號為 000 599 每段最短錄音時間為 200 ms 如 果每段記錄一個單音 長度為 400 ms 即每個單音占用兩段 則第 n 個單音對應(yīng)的段 地址為 n 2 用戶在放音時能使用快進模式 用戶不必知道信息的確切地址 就能快進跳過一條 信息 信息快進只用于放音模式 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 當需要播放兩段或兩段以上時 如果段與 段之間間隔很小時 可在上一段播放結(jié)束后 延遲一段時間 需通過試聽確定延遲時間 的長短 一般為數(shù)十毫秒 再播放下一段 放音過程如圖 13 3 a 所示 在放音操作過程中 執(zhí)行 STOP 或 STOP WRDN 命令時 將終止當前放音操作 4 系統(tǒng)的拓展 4 1 儲存時間的拓展 本系統(tǒng)所使用的單片機最長可以錄音達 8 分鐘 這對于一般的電話語音留言系統(tǒng) 而言是足夠了的 但是對于某些語音系統(tǒng) 如語音智能控制系統(tǒng) 語音報警系統(tǒng) 會 議錄音系統(tǒng)而言并不足夠 近年來單片式語音集成電路發(fā)展迅速 ISD 公司已經(jīng)推出語音容量為 6 秒至 16 分 鐘的芯片 預計未來兩年將推出單片 32 64 分鐘的芯片 這樣 大多數(shù)的語音電路設(shè) 計都能很方便地實現(xiàn) 更復雜的功能控制也可通過單片機或微電腦的軟件配合來完成 目前 十幾分鐘到幾個小時的數(shù)碼語音電路設(shè)計是亟待解決的問題 如沙盤模型的自 動語音講解 廣告播放 列車指揮黑匣子 119 電話錄音系統(tǒng) 會議錄音系統(tǒng)等 數(shù)碼錄音時間為十分鐘到幾個小時的電路通常稱為長時間數(shù)碼錄音電路 其顯著 特點是 1 用于語音信號存儲的大容量存儲器大多需要外置控制 而不像短時間錄音 電路那樣能方便地內(nèi)置在語音處理芯片中 2 為了降低大容量存儲器的成本 大多采 用高級的壓縮算法和專用的數(shù)字信號處理器芯片 除此之外 長時間數(shù)碼語音電路的 硬件和軟件設(shè)計成本都比較昂貴 項目開發(fā)人員和技術(shù)研究人員應(yīng)事先充分了解各種 語音電路的設(shè)計特點以及目標項目的實際功能 然后有針對性地選擇設(shè)計 才能達到 最高的性價比 下面介紹幾種長時間 隨錄隨放的數(shù)碼語音電路 美國 ISD 公司的語音芯片采用獨特的模擬存儲技術(shù) 具有內(nèi)置存儲器單片化 優(yōu)良的音質(zhì)及產(chǎn)品系列化等特點 幾乎占領(lǐng)了全部短時間可錄放語音芯片市場 現(xiàn)在 該公司的產(chǎn)品也在向長時間應(yīng)用靠攏 型號為 ISD4004 16 的單芯片可達到 16 分鐘的 錄放時間 僅靠單片機容量的擴展是不夠的 用外部單片機控制設(shè)計的多片級聯(lián)電路可使 錄放時間達到單芯片的 2 16 倍以上 這種電路斷電時不丟失語音 而且語音自然度 好 錄制帶有伴奏樂的廣告 詩朗誦 解說詞等有著較好的效果 ISD 芯片因價格和 體積原因而不適于很多片的級聯(lián) 通常以制作 2 小時以內(nèi)的錄放電路為宜 極聯(lián)的電 路圖可以如圖 5 1 圖 4 1 ISD4003 極聯(lián)的電路圖 4 2 ISD4004 清晰化和立體聲語音系統(tǒng)擴展 4 2 1 聲音清晰化處理 ISD4004 芯片的使用中 經(jīng)常會碰到所錄的聲音失真這種情況 ISD4004 采用的是 模擬量直接存儲技術(shù) 能夠真實 自然地再現(xiàn)聲音 但是要想不失真地再現(xiàn)原始語音 信號 其采樣頻率也必須滿足采樣定理 當采樣頻率 Fs 大于信號最高頻率 Fm 的 2 倍 時 在采樣過程中就不會丟失信息 并且可以用采樣后的信號重構(gòu)原始信號 即 Fs 2Fm 2Fm 為最小采樣頻率 亦為 奈奎斯特頻率 ISD4004 8M 的采樣率為 8 0 kHz 滿足采樣定理的頻率標準 雖然錄放時間較短但是音質(zhì)較好 甚至可滿足播放簡 單背景音樂的需求 4 2 2 聲音立體化原理 在實際的語音系統(tǒng)中雙聲道立體聲是一項應(yīng)用最為普遍的技術(shù) 他是利用人們的 聽覺錯覺 通過改變兩個揚聲器的聲級差 能使聆聽者前方產(chǎn)生一定角度的聲音方向 信息 從而使人們在聆聽時有 身臨其境 的聽覺感受 然而目前較為簡單的語音錄放 系統(tǒng)多數(shù)采用單聲道 當需要實現(xiàn)雙聲道語音系統(tǒng)時 往往采用復雜的硬件電路才能 構(gòu)成一個雙聲道語音系統(tǒng) 使得雙聲道語音系統(tǒng)的制作成本大大提高 因此用一個較 為簡單的電路來實現(xiàn)雙聲道語音系統(tǒng)就顯得很有實用價值 立體聲錄放的實現(xiàn)采用兩片 ISD4004 8M 芯片構(gòu)成 工作原理為 將輸入的雙聲道語 音信號分為左右聲道分別接入兩片 ISD4004 8M 芯片信號輸入端 錄音時由單片機發(fā) 出讓兩片芯片同時錄音的指令 進行同步錄音 使得輸入的信號在存儲的時候就能保 證其原有的聲級差 從而達到了雙聲道錄音的目的 放音時由單片機同時發(fā)出放音指 令 兩片芯片同時放音 因存儲時信號原有聲級差已經(jīng)保存 所以放音時可再現(xiàn)原始 的立體聲 也可以在放音時對兩個芯片發(fā)送放音指令的時間間隔進行操作 可達到調(diào) 整立體聲的效果 結(jié)束語 本文在深入研究了單片機和ISD400系列的配合使用 從軟硬件方面全面設(shè)計了一 個語音留言系統(tǒng) 闡述了AT89C51和ISD4000系列的錄放音控制基礎(chǔ) 拓展和使用 論述了一種嵌入式數(shù)字錄音系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn) 它可以非常輕松的進行擴展和移植 同時它具有該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高 功耗小等功能等特點 應(yīng)用到機器人語音提示 飛 機自動告警以及心電信號記錄回放等系統(tǒng)中去 具有十分廣闊的應(yīng)用前景 該系統(tǒng)比較還有許多不足之處 但隨著科技的發(fā)展 該系統(tǒng)也可以不斷的禰補這 些不足 參考文獻 1 黃友銳 單片機原理及應(yīng)用 合肥工業(yè)大學出版射 2006 11 2 何立民 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 北京航空航天大學出版社 2006 10 P344 346 3 姜杏輝 鄒麗新 孫平 馬勵行 現(xiàn)代電子技術(shù) 陜西電子雜志社 2007 年第 21 期 4 石從 微計算機信息 微計算機信息雜志社 2004 年 10 期 5 李雪梅 現(xiàn)代電子技術(shù) 陜西電子雜志社 2006 年 29 卷 20 期 41 頁 36 37 頁 6 中青世紀科技有限公司 ISD4000 語音單片機通用開發(fā) 7 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司 MT8870 技術(shù)資料 致謝 感謝 附錄 主程序 6 SS EQU P0 0 片選 MISO EQU P0 1 數(shù)據(jù)輸出 INT EQU P0 2 中斷 S1 EQU P0 3 ORG 0000H AJMP DAIJI ORG 0003H AJMP INTX ORG 001BH AJMP GUA2 ORG 1000H MAIN MOV R7 00H MOV R8 00H DAIJI MOV SP 10H SETB IT0 下降沿有效 SETB EA 開中斷 SETB ET0 CLR ET1 CLR TF1 MOV R0 20H 中斷 N 次 SJMP D1 D1 MOV R4 5 SAO JBC P1 7 SAO1 SJMP D1 SAO1 LCALL YS50 DJNZ R4 SAO JBC P1 0 START SAO2 JBC P1 1 STOP SAO3 JBC P1 2 REST SJMP D1 掃描鍵盤 錄音主程序 LP1 DJNZ R1 T1 LP2 AJMP DAIJI 對方掛電話了 INTX ACALL YS50 CLR IE0 MOV R1 30 DJNZ R0 LP1 INT0 響應(yīng) 進入 INTX 然后進入 LP1 和 T1 的循環(huán)中 如果 R1 到 0 都沒有 INT0 再響應(yīng) 即 240MS 內(nèi)振鈴電路沒脈沖輸入 則認為對方已經(jīng)掛機 如果有脈沖再響應(yīng) R0 減 1 R1 復位 DTFM SETB P0 7 接通 DTFM 電路 MOV A PA 輸入 DTFM 的號碼 CJNE A 00H DTFM CLR TF1 CLR TR1 錄音子程序 RECORD CLR EA ACALL DSTOP ISD 掉電 P ISD 掉電 ACALL UP ISD 上電 CJNE R7 00H REC2 R7 00H 起始錄音 R7 01H 繼續(xù)錄音 FIRST MOV 20H 00H ISD 低位地址 MOV 21H 00H ISD 高位地址 MOV A 20H ACALL ISDX MOV A 21H SETB ACC 7 CLR ACC 6 SETB ACC 5 CLR ACC 4 CLR ACC 3 ACALL ISDX SETB SS 關(guān)片選 REC2 MOV 36H 10 延時 500MS ACALL YS50 延時錄音 DJNZ 36H REC2 從當前地址繼續(xù)錄音 MOV A 0B0H 發(fā) 1011 0XXX ACALL ISDX SETB SS 關(guān)片選 REC3 LCALL GUA REC4 CJNE R2 A STOP 掛電話停止錄音 JB P0 2 OVF OVF 標志 AJMP REC3 繼續(xù)錄音 從指定 00 開始放音 START CJNE R8 00H YAN FIRST2 MOV 20H 00H ISD 低位地址 MOV 21H 00H ISD 高位地址 MOV A 20H 發(fā)地址 A7 A0 ACALL ISDX MOV A 21H 發(fā)地址 A9 A8 SETB ACC 7 SETB ACC 6 SETB ACC 5 CLR ACC 4 CLR ACC 3 ACALL ISDX MOV R8 01H R8 00 起始放音 R8 01 繼續(xù)放音 SETB SS 關(guān)片選 YAN MOV 36H 10 延時 500MS ACALL YS50 延時錄音 DJNZ 36H REC2 從當前地址繼續(xù)放音 MOV A 0F0H 發(fā) 11110 XXXXXXXX ACALL ISDX 發(fā) SETPLAY SETB SS 關(guān)片選 D2 MOV R4 5 SAO4 JBC P1 7 SAO1 SJMP D2 SAO5 LCALL YS50 DJNZ R4 SAO4 JBC P1 0 START SAO6 JBC P1 1 STOP SAO7 JBC P1 2 REST JBC P0 2 SAO4 LCALL OVF 放音停止鍵盤掃描 REST MOV 20H 00H ISD 低位地址 MOV 21H 00H ISD 高位地址 MOV R8 00H LCALL STOP OVF MOV R8 00H MOV R7 00H LCALL STOP STOP MOV A 30H 發(fā) 0X11 0XXX ACALL ISDX SETB SS 關(guān)片選 ACALL YS50 50mS 延時 ACALL YS50 50mS 延時 AJMP DAIJI 停止錄音返回待機狀態(tài) DSTOP CLR SS MOV A 10H 發(fā) 0X010 XXXXXXXXXX ACALL ISDX SETB SS 關(guān)片選 ACALL YS50 50mS 延時 ACALL YS50 50mS 延時 RET 停止當前操作停止并掉電 UP MOV A 20H ACALL ISDX SETB SS 關(guān)片選 ACALL YS50 50mS 延時 ACALL YS50 50mS 延時 RET 上電 ISDX CLR SS MOV SCON 00H CLR ES CLB TI MOV SBUF A OUT1 JNB TI OUT1 CLR TI RET 串行通信發(fā)送 YS50 MOV TMOD 01H MOV TH0 3CH 50mS 延時初值置入 MOV TL0 0B0H 65536 X 1 50MS SETB TR0 65536 50000 1 JNB TF0 CLR TF0 CLR TR0 RET T1 MOV TMOD 00H MOV TH1 0FFHB MOV TL1 0FFH SETB TR1 LP3 JBC TF1 LP41 SJMP LP3 YS100 MOV R3 20 MOV TMOD 00H MOV TH1 0FFH MOV TL1 0FFH SETB TR1 L3 JBC TF1 L4 SJMP L3 L4 MOV TH1 63H MOV TL1 18H DJNZ R3 L3 CLR TF0 CLR TR0 RET GUA MOV A 00H MOV R2 A CLR ET0 SETB ET1 SETB EA LCALL YS1000 GUA1 RET GUA2 MOV R2 01H SJMP GUA1 END