數(shù)字無線話筒---結(jié)項(xiàng)報(bào)告

1、數(shù)字無線話筒 項(xiàng) 目 研 究 報(bào) 告高可攀 程自亮 張彥超 陳雪 于海艷2014年 03月16日 摘 要目前市場(chǎng)上的無線話筒大多是模擬的，在實(shí)際應(yīng)用中，很容易收到外界環(huán)境的干擾，就是平時(shí)我們常說的飄頻現(xiàn)象以及串音現(xiàn)象。在教學(xué)中，由于各個(gè)教室相隔很近，會(huì)出現(xiàn)串音現(xiàn)象，影響正常教學(xué)。市場(chǎng)尚沒有無線數(shù)字通信模式且能夠適用于教師在階梯教室教學(xué)專用的話筒。本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)技術(shù)、音頻編碼解碼技術(shù)、無線數(shù)字通信技術(shù)，制作了一套適用于大型階梯教室使用的數(shù)字無線話筒，能夠很好的避免模擬話筒的弊端，而且成本相對(duì)低廉能很好的填補(bǔ)市場(chǎng)空白。本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)，方便在不同環(huán)境下話筒配對(duì)使用。關(guān)鍵詞：語音，編解碼，數(shù)字

2、通信，無線目 錄1 緒 論11.1 課題背景以及現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀12 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案22.1 系統(tǒng)方案框架圖22.2 方案論證32.2.1 語音采集傳感器32.2.2 音頻編解碼芯片選擇32.2.3 無線傳送部分32.2.4 主控芯片選擇43、電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)43.1 主控芯片的外圍電路43.2 語音編解碼外圍電路設(shè)計(jì)63.3 無線模塊接口電路64 系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)64.1 軟件部分64.2系統(tǒng)程序流程圖8致 謝9參考文獻(xiàn)10II 1 緒 論1.1 課題背景以及現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀多媒體階梯教室以其方便、靈活、信息容量大、現(xiàn)代化等優(yōu)點(diǎn)，在越來越多的學(xué)校得到推廣，但是隨之也帶來了一系列問題，老師授課時(shí)的

3、需要有肢體語言的表達(dá)，不能使用有線話筒把老師局限于講臺(tái)周圍，因此需要讓老師使用無線話筒到學(xué)生當(dāng)中去與學(xué)生交流，讓師生互動(dòng)不受影響。目前市場(chǎng)上的無線話筒大多是模擬通信的，在實(shí)際應(yīng)用中，受到外界環(huán)境的干擾以及設(shè)備老化，很容易平時(shí)我們常說的飄頻現(xiàn)象以及串音現(xiàn)象。在實(shí)際的教學(xué)環(huán)境中，由于各個(gè)教室相隔很近，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)串音現(xiàn)象，影響正常教學(xué)。那么有沒有更加好的設(shè)備來改善整個(gè)教學(xué)環(huán)境呢？我們項(xiàng)目組以此為切入點(diǎn)，本著解決實(shí)際問題的態(tài)度，開展對(duì)數(shù)字無線話筒的研究制作。我們的設(shè)計(jì)思路是利用單片機(jī)技術(shù)、音頻編碼解碼技術(shù)、無線數(shù)字通信技術(shù)，制作了一套適用于多媒體階梯教室使用的數(shù)字無線話筒，能夠很好的避免模擬話筒的弊端

4、，而且成本相對(duì)低廉能很好的填補(bǔ)市場(chǎng)空白。現(xiàn)行的多媒體教室教學(xué)擴(kuò)音環(huán)境的分析：現(xiàn)行的學(xué)校多媒體教室擴(kuò)聲設(shè)備采用“有線話筒+功放+音響” 這樣的擴(kuò)聲方式，是必然導(dǎo)致老師僅僅局限于講臺(tái)上授課的原因之一。也有很多采用“模擬無線話筒+功放+音響”的方式，模擬無線話筒頻點(diǎn)所限，裝備多后會(huì)出現(xiàn)“串頻”，無法大規(guī)模裝備多媒體教室；在很多場(chǎng)合使用受限?，F(xiàn)行市場(chǎng)主流無線話筒的分析：主流無線話筒是：VHF FM模擬無線話筒，UHF PLL模擬無線話筒，以及新近出現(xiàn)的紅外無線話筒，以解決擴(kuò)聲效果和教師移動(dòng)教學(xué)的問題。VHF FM模擬無線話筒只有10多個(gè)頻點(diǎn)，UHF PLL模擬無線話筒，也是只有幾十個(gè)頻點(diǎn)，一旦超過設(shè)備

5、設(shè)置頻點(diǎn)數(shù)量或是設(shè)備老化就會(huì)發(fā)生“漂頻”，就會(huì)出現(xiàn)無線話筒使用中經(jīng)常出現(xiàn)的的“串音”問題和“同頻干擾”問題。紅外無線話筒：紅外技術(shù)的先天性不足決定了紅外波段的穿透性很糟糕，形象一點(diǎn)說，紅外設(shè)備中間放一張紙就可以全部隔斷紅外的傳輸。紅外無線話筒產(chǎn)品采用所有的發(fā)射端和接收端都是通用的，解決了“通用性”的問題，紅外話筒實(shí)現(xiàn)的防“串音”主要是靠教室墻壁和窗簾等外物體的然隔斷，從技術(shù)角度客觀的說“串音”問題沒有解決，如果外物體隔斷不好就會(huì)發(fā)生“串音”，紅外無線的穿透性很差也會(huì)導(dǎo)致老師由于使用當(dāng)中的不小心阻隔會(huì)導(dǎo)致聲音隔斷。另外，紅外無線話筒安裝麻煩，要在教室合適位置安裝多個(gè)紅外接收頭，還不能保證傳輸不留

6、死角和接收聲音效果很好。正是上述的客觀環(huán)境和技術(shù)難點(diǎn)，使無線話筒這個(gè)生活當(dāng)中廣泛使用的產(chǎn)品沒有辦法大量裝備教室。但教學(xué)效果的客觀要求。要求老師要到學(xué)生中間去互動(dòng)交流教學(xué)，老師要充分利用自己的肢體語言來和學(xué)生交流。這個(gè)矛盾怎么解決？教學(xué)裝備的技術(shù)客觀要求幾十間教室的同時(shí)使用無線話筒而不產(chǎn)“串音”，不會(huì)“同頻干擾”，這個(gè)技術(shù)問題如何解決？新技術(shù)的出現(xiàn)讓上述的問題出現(xiàn)了解決的辦法：數(shù)字無線話筒的使用，不僅解決了老師離開講臺(tái)后的拾音擴(kuò)聲的問題，而且數(shù)字無線話筒是采用全數(shù)字采樣和數(shù)字ID地址識(shí)別方式來徹底解決了“串音”和“同頻干擾”問題，為教學(xué)區(qū)大量、同時(shí)、集中使用無線話筒授課解決了技術(shù)難題，使無線話筒

7、大量裝備教學(xué)一線成為可能。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)方案框架圖整個(gè)系統(tǒng)有語音采集、語音信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)、數(shù)字信號(hào)編碼、無線發(fā)送、數(shù)字信號(hào)解碼、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)、模擬信號(hào)進(jìn)行功率放大、音響設(shè)備等部分成，圖1是系統(tǒng)的框架圖：圖1 系統(tǒng)框架圖2.2 方案論證2.2.1 語音采集傳感器方案一、采用市面上普通的咪頭，體積小，價(jià)格便宜、電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單、并且容易購買，但是語音采集效果一般。方案二、采用話筒專用的那種語音信號(hào)傳感器，采集的語音信號(hào)效果更好，不過價(jià)格高一點(diǎn)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是做一個(gè)無線話筒的模擬設(shè)備，所以對(duì)這個(gè)傳感器的要求的那么嚴(yán)格，采用一般的咪頭語音傳感器就行了，如果這里用專用的語音

8、采集傳感器，無疑是有點(diǎn)浪費(fèi)資源。2.2.2 音頻編解碼芯片選擇方案一、采用高速AD芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后通過MCU將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，再有無線模塊將壓縮后的編碼發(fā)送出去，另一端的無線模塊接收到編碼數(shù)據(jù)之后，用MCU在進(jìn)行解碼，并通過高速DA芯片，講數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。首先高速AD、DA芯片價(jià)格是很昂貴的；其次，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化的時(shí)候，即聲音還原過程中，對(duì)數(shù)字信號(hào)的輸出有一定碼率要求，否則語音信號(hào)就會(huì)失真。方案二、采用集成的音頻編解碼VS1003 或 VS1053芯片，這個(gè)芯片可以將采集到的語音信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼，因?yàn)樗膬?nèi)部集成了一個(gè)DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片，所以處理數(shù)據(jù)的速度很快，從

9、而保證無線話筒語音的實(shí)時(shí)性。然后對(duì)于這個(gè)芯片的應(yīng)用，資料也相對(duì)比較多，開發(fā)起來無疑相對(duì)容易一些。綜上所述，我們采用了方案二。2.2.3 無線傳送部分方案一、藍(lán)牙傳輸：利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。藍(lán)牙需要配對(duì)，過程緩慢，操作繁瑣。方案二Wifi：通信速率很高，但是協(xié)議復(fù)雜化。設(shè)備間通信連接配對(duì)更是復(fù)雜。方案三、NRF24L01

10、：nRF24L01是由NORDIC生產(chǎn)的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。通信速率中等，通信協(xié)議可以自己定義，使用簡(jiǎn)單靈活。2.2.4 主控芯片選擇方案一、采用51系列的STC89C52單片機(jī)或STC12C5A60S2單片機(jī)，這兩款單片機(jī)外設(shè)電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在要求不高的電路場(chǎng)合，性價(jià)比是很高的。方案二、采用現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中現(xiàn)在比較流行的STM32芯片，這些系列的功能都是很強(qiáng)大，一般用在一些中端的項(xiàng)目開發(fā)中，適合跑一些小型的系統(tǒng)，做個(gè)界面是非常合適的。然而這些芯片都是貼片的，最少的引腳也都是64個(gè)，并且外圍電路比較繁雜，所以制作電路板是比較麻煩的。綜上所述，采

11、用方案一。3、電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 主控芯片的外圍電路圖3為單片機(jī)復(fù)位電路，R2位10K電阻，C3為10Uf電容。圖4 單片機(jī)震蕩電路，C1 、C2為22pf ，晶振位1.0592MHz圖2 單片機(jī)IO擴(kuò)展電路 圖3 單片機(jī)復(fù)位電路 圖4 單片機(jī)晶振電路電源引腳：Vcc（40腳）：典型值5V， Vss（20腳）：接低電平。外部晶振：X1、X2分別與晶體兩端相連接。當(dāng)采用外部時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，X2接振蕩信號(hào)，X1接地?？刂埔_：RST/Vpd、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp組成了MSC-51的控制總線。RST/Vpd（9腳）：復(fù)位信號(hào)輸入端（高電平有效）。第二功能：加+5V備用電源，可以實(shí)

12、現(xiàn)掉電保護(hù)RAM信息不丟失。ALE/PROG(30腳）：地址鎖存信號(hào)輸出端。第二功能：編程脈沖輸入。PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。EA/Vpp(31腳）：外部程序存儲(chǔ)器使能端。第二功能：編程電壓輸入端（+21V）。 輸入輸出口引腳：P0口：是一個(gè)8位漏極開路輸出型雙向I/O端口。作為輸出端口時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8 個(gè)TTL輸入，對(duì)端口寫1時(shí)，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是時(shí)分多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間將激活內(nèi)部的上拉電阻4。P1口：P1口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P1口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方

13、式）4個(gè)TTL輸入。P2口：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。P3口：P3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。3.2 語音編解碼外圍電路設(shè)計(jì)圖5 VS1053編解碼電路3.3 無線模塊接口電路圖6 RF2401接口電路4 系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是一件細(xì)致而復(fù)雜的工作，應(yīng)按照合理的順序有條不絮的進(jìn)行。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)部分依然采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為若干個(gè)模塊，設(shè)計(jì)時(shí)將各個(gè)模塊非開來設(shè)計(jì)，最后將整個(gè)模塊連接起來，這樣易于

14、調(diào)試，有助于發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)改正。4.1 軟件部分在編寫各部分的程序之前，還需做兩件事：分配系統(tǒng)資源和設(shè)計(jì)流程圖。提高軟件設(shè)計(jì)總體效率的有效方法是先設(shè)計(jì)流程圖，再開始編程。程序流程圖的設(shè)計(jì)過程就是程序邏輯設(shè)計(jì)的過程。流程圖直觀明了，有利于查錯(cuò)和修改。明確任務(wù)題目定義題目細(xì)分明確算法確定算法設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)流程編寫程序編寫程序程序有錯(cuò)程序調(diào)試程序裝配綜合調(diào)試 結(jié)束 圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖4.2系統(tǒng)程序流程圖開始檢測(cè)是否采集到語音信號(hào)初始化語音編碼無線發(fā)送開始是否接收到無線數(shù)據(jù)初始化語音解碼播放數(shù)據(jù)發(fā)送端流程圖接收端流程圖圖8 系統(tǒng)程序流程圖致 謝感謝我學(xué)校能給我們這次動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，使得我們的理論和實(shí)踐

15、得到了結(jié)合，使我們能真正學(xué)以致用。感謝我們的指導(dǎo)老師在本次設(shè)計(jì)和論文方面的悉心指導(dǎo)、關(guān)心和支持，正是由于這些細(xì)微的關(guān)懷，一直激勵(lì)著我們?nèi)ヅψ龊帽敬卧O(shè)計(jì)，所以在此真摯的向我們的指導(dǎo)師說聲謝謝。感謝我們的團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員，正是由于我們團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員不懈的努力、團(tuán)結(jié)和合作，我們才能使這個(gè)項(xiàng)目順利的完成。參考文獻(xiàn)1元增民.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.長沙：國防科學(xué)大學(xué)出版社，2006：15-18,30.2馬忠梅.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：42-46.3李全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：23-30.4 AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999：12-19.5周雪主.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北