數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)

1、摘 要語音錄放系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心。ISD2560是一種永久記憶型語音錄放電路器件，它具有音質(zhì)自然、使用方便、單片存放、反復(fù)錄音、低功耗、抗斷電等特點，廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。ISD2560省去A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480 KB的EEPROM。為降低成本，在最小硬件設(shè)計基礎(chǔ)上，系統(tǒng)功能盡可能用軟件程序?qū)崿F(xiàn)，利用C51高級C語言編程開發(fā)。關(guān)鍵：詞AT89C52單片機，ISD2560，語音錄放前言單片機是一款功能強大，集成度非常高的數(shù)字處理系統(tǒng)。它集成了ADC和PWM的模塊而

2、且還有硬件濾波器！它基本上可以處理生活中實時性不太強的數(shù)字信號和模擬信號，并實現(xiàn)通信。該課題設(shè)計基于AT89C51單片機，介紹和分析了錄音器的基本原理，并作出較為簡單的錄音器模型展示其原理！主要運用了AT89C51單片機內(nèi)部集成的ADC轉(zhuǎn)換模塊以及PWM功能，將從外部接收的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲在AT45DB41B存儲芯片中，再將從AT45DB041B存儲芯片中讀取數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，送到外部的喇叭中進行播放。主要功能有錄音，存儲，刪除，放音等！Abstract The voice recording system with AT89C52 MCU as the control c

3、ore. ISD2560 is a permanent memory type voice recording circuit device, it has the quality of natural, easy to use, a monolithic storage, repeated recordings, low power consumption, power resistance and other characteristics, are widely used in many fields. ISD2560without A / D and D / A converter,

4、high integration level, interior includes a preamplifier, an internal clock, timer, sampling clock, filters, automatic gain control, logic control, analog transceiver, decoder and480 KB EEPROM. In order to reduce the cost, the minimum based on the hardware design, system function as far as possible

5、using a software program, using C51 advanced C programming languageKeywords: AT89C52, ISD2560, voice recording circuit目 錄第1章 緒論11.1 引言11.2 數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的發(fā)展1第2章 單片機控制語音錄放系統(tǒng)的設(shè)計22.1總體方案論證22.2 單片機AT89C5222.3 ISD2560語音芯片4第3章 硬件電路及軟件實現(xiàn)83.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計83.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計10第5章 總結(jié)12致謝13參考文獻14附錄15附錄1：元器件清單15附錄2：作品照片16 附錄3：作品

6、照片.17第1章 緒論1.1 引言目前基于單片微機的語音系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，如電腦音鐘、語音型數(shù)字萬用表、手機話費查詢系統(tǒng)、排隊機、監(jiān)控系統(tǒng)語音報警以及公共汽車報站器等等，本文用單片機AT89C51和錄放時間達60s的數(shù)碼語音芯片ISD2560設(shè)計了一套智能錄取、循環(huán)播放，而且不必使用專門的ISD語音開發(fā)設(shè)備。1.2 數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的發(fā)展 數(shù)字語音錄放是指利用數(shù)字技術(shù)對語音信號進行采集、處理、并且在一定存儲設(shè)備中進行存儲，并可在需要時進行輸出的過程。相對于模擬設(shè)備來說，數(shù)字設(shè)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(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)

7、用。例如監(jiān)控環(huán)境中使用的語音采集系統(tǒng)；再如家庭或?qū)W校中使用的語音復(fù)讀機等，都可看作是數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的典型應(yīng)用。然而目前一般的數(shù)字語音錄放系統(tǒng)中，對語音只是進行簡單的采集、存儲和播放；雖然可以較大程度上保證語音的保真度，但過多的語音數(shù)據(jù)會造成對大量存儲設(shè)備的需求。對于大型系統(tǒng)，可通過采用大容量的硬盤、甚至大規(guī)模的磁盤陣列來解決；但是對于小型的設(shè)備，例如便攜式的語音復(fù)讀機，由于容量有限，則不能采用同樣的方法。近年來，語音信號處理技術(shù)研究的突飛猛進，為數(shù)字語音錄放系統(tǒng)提供了新的發(fā)展空間。對語音的采集、處理從前簡單的波形編碼轉(zhuǎn)變?yōu)檫M行參數(shù)編碼、壓縮，從而大大減少了存儲數(shù)據(jù)。舉例來說，原始語音一般都是

8、采用8KHz抽樣，16bits的線性PCM編碼進行采集后的數(shù)據(jù)進行壓縮，存儲量則可以大大減少，當(dāng)需要恢復(fù)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。第2章 單片機控制語音錄放系統(tǒng)的設(shè)計2.1總體方案論證方案一：利用單片機及其外圍硬件電路（如A/D、D/A、存儲器等），就能完成語音信號的數(shù)字化處理，實現(xiàn)語音的存儲與回放，及單片機測控系統(tǒng)的語音提示報警及語音提示操作。但是語音信號容易受到外界干擾而失真，并且信號的壓縮存儲比較復(fù)雜，硬件電路不宜調(diào)試。方案二：直接采用單片機AT89C51與專用的語音處理芯片ISD2560設(shè)計實現(xiàn)語音存儲與回放，實現(xiàn)語音的分段錄取、組合回放。語音信號

9、抗干擾能力強，存儲方便，調(diào)試簡單，還可以作為語音服務(wù)的子系統(tǒng)。所以，選擇此方案。本設(shè)計基于語音回放系統(tǒng)，可實現(xiàn)錄音，循環(huán)放音功能。系統(tǒng)框圖如下圖所示：單片機控制ISD2560按鍵錄音松鍵循環(huán)放音圖3-1系統(tǒng)框圖2.2 單片機AT89C51AT89C51 是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機適

10、合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。2.2.1 主要性能參數(shù)·與MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 ·8k字節(jié)可重擦寫Flash 閃速存儲器·1000 次擦寫周期·全靜態(tài)操作：0Hz24MHz ·三級加密程序存儲器·256×8字節(jié)內(nèi)部RAM·32個可編程I/O口線·3個16位定時/計數(shù)器·8個中斷源·可編程串行UART 通道·低功耗空閑和掉電模式 圖3-2 AT89C52引腳分布功能特性概述：AT89C51 提供以下標準功能：8k字節(jié)Flash 閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32

11、個I/O 口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。2.2.2 引腳功能說明·P0 口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口， 也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。·P

12、1-P3 口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：圖3-3·RST：復(fù)位輸入。·ALE/PROG：地址鎖存允許端·PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。·EA/VPP：外部訪問允許。·XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。2.3 ISD2560語音芯片2.3.1 ISD2560的簡介ISD2560語音芯片是美國Winbond公司產(chǎn)品，是ISD系列單片語音錄放

13、集成電路的一種。這是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間為60s，可重復(fù)錄放10萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，省去了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器。每個采樣值直接存儲在片內(nèi)單個EEPROM單元中，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”。ISD2560 集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480K字節(jié)的E2PROM等，內(nèi)部原理框圖及引腳排列如圖 3-4所示。ISD2560 控制電平與TTL電平兼容，接口簡單，使用方便。該器件的采樣頻率為8.0

14、KHz，同一系列的產(chǎn)品采樣頻率越低錄放時間越長 但通頻帶和音質(zhì)會有所降低。此外，ISD2560還省去了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。其集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480K字節(jié)的EEPROM。ISD2560內(nèi)部EEPROM存儲單元均勻分為600行，有600個地址單元，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。此外，ISD2560還具備微控制器所需的控制接口。通過操縱地址和控制線可完成不同的任務(wù)，以實現(xiàn)復(fù)雜的信息處理功能，如信息的組合、連接、設(shè)定固定的信息段和信息管理等。ISD2560可不分段，也可

15、按最小段長為單位來任意組合分段。2.3.2引腳功能說明圖3-5 ISD2560引腳圖ISD2560具有28腳SOIC和28腳PDIP兩種封裝形式。 圖3-5所示是其引腳排列。各引腳的主要功能如下：·電源（VCCA,VCCD）：模擬和數(shù)字電源。為了最大限度的減小噪聲，芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝上。模擬和數(shù)字電源最好分別走線，并應(yīng)當(dāng)盡可能在靠近供電段相連，而去耦電容則應(yīng)當(dāng)盡量靠近芯片。·地線（VSSA，VSSD）：數(shù)字和模擬地。由于芯片內(nèi)部使用不同的模擬和數(shù)字地線，因此，這兩腳最好通過低阻抗通路連接到地。·節(jié)電控制（PD）：節(jié)電控制

16、引腳。該端拉高可使芯片停止工作而進入節(jié)電狀態(tài)。芯片發(fā)生溢出，即OVF引腳輸出低電平后，應(yīng)將此引腳變高以將地址指針復(fù)位到錄音/放音空間的開始位置。·片選（CE） ：芯片使能輸入引腳，低電平有效。該端變低且PD也為低電平時，允許進行錄、放操作。芯片在該引腳的下降沿將鎖存地址線和P/R引腳的狀態(tài)。·A0/M0A6/M6，A7A9（110引腳）：地址線/模式輸入。共有1024種組合狀態(tài)。是前面的600個狀態(tài)作內(nèi)部存儲器的尋址用，最后256個狀態(tài)作為操作模式。當(dāng)A8或A9有一個為0時，為地址線，作為當(dāng)前錄音/放音操作的起始地址，地址端只用做輸入，不輸出操作過程中的內(nèi)部地址信息，地址輸

17、入在CE的下降沿被鎖存。當(dāng)A8和A9均為1時，當(dāng)模式輸入，共有6種操作模式（見表7-1），由M0M6決定，允許多種模式同時存在。·錄放模式（P/R）：該端狀態(tài)一般在CE的下降沿鎖存。高電平選擇放音，低電平選擇錄音。錄音時，由地址端提供起始地址，直到錄音持續(xù)到CE或PD變高，或內(nèi)存溢出；如果是前一種情況，芯片將自動在錄音結(jié)束處寫入EOM標志。放音時，由地址端提供起始地址，放音持續(xù)到EOM標志。如果CE一直為低，或芯片工作在某些操作模式，放音則會忽略EOM而繼續(xù)進行下去，直到發(fā)生溢出為止。·信息結(jié)尾標志（EOM）：信息結(jié)尾標志輸出引腳，低電平有效。EOM標志在錄音時由芯片自動插

18、入到該信息段的結(jié)尾。當(dāng)放音遇到EOM時，此引腳輸出低電平脈沖。另外，ISD2560芯片內(nèi)部會自動檢測電源電壓以維護信息的完整性，當(dāng)電壓低于3.5V時，此引腳變低，此時芯片只能放音。·溢出標志（OVF）：芯片處于存儲空間末尾時，該端輸出低電平脈沖以表示溢出，之后該端狀態(tài)跟隨CE端的狀態(tài)，直到PD端變高。·話筒輸入（MIC）：麥克的輸入通過此引腳將信號送至片內(nèi)的前置放大器，片內(nèi)自動增益電路（AGC）將此前置放大器的增益控制在-1524dB。外接話筒應(yīng)該通過一系列電容交流耦合進此引腳，耦合電容值和芯片內(nèi)部此引腳的10k輸入阻抗共同決定了ISD2560芯片頻帶的低頻節(jié)截止點。

19、83;話筒參考（MIC REF）：該端是前置放大器的反向輸入，當(dāng)以差分形式連接話筒時，可減少噪聲，提高共模抑制比。·自動增益控制（AGC）：AGC可動態(tài)調(diào)整前置增益以補償話筒輸入電平的寬幅變化，這樣在錄制變化很大的音量（從耳語到喧囂聲）時就能保持最小失真。·模擬輸出(ANA OUT)：前置放大器輸出。其前置電壓增益取決于ACG引腳的電平。·模擬輸入(ANA IN)：模擬輸入(ANA IN)：該端為芯片錄音信號輸入。對話筒輸入來說，ANA OUT端應(yīng)通過外接電容連至該端，該電容和本端的3K輸入阻抗決定了芯片頻帶的附加低端截止頻率。其它音源可通過交流耦合直接連至該端。

20、·揚聲器輸出（SP、SP）：可驅(qū)動16以上的喇叭。ISD2500系列的所有器件在芯片上都有一個差分揚聲器驅(qū)動器。揚聲器輸出端在錄音和節(jié)電模式時保持為VSSA電平，因此多個ISD2500系列器件同時使用時，他們的揚聲器輸出端不能并接，并行連接可能會造成芯片的損壞。單端輸出時必須在SP輸出端和揚聲器間接耦合電容，雙端輸出既不用電容又能將輸出功率提高4倍。·輔助輸入（AUX IN）：當(dāng)CE和P/R為高，不進行放音或處入放音溢出狀態(tài)時該端的輸入信號將通過內(nèi)部功放驅(qū)動喇叭輸出端。當(dāng)多個ISD2560芯片級聯(lián)時后級的喇叭輸出將通過該端連接到本級的輸出放大器。為防止噪聲建議在存放內(nèi)存信息

21、時該端不要有驅(qū)動信號。外部時鐘(XCLK)：該端內(nèi)部有下拉元件，不用時應(yīng)接地。地址模式輸入（AX/MX） ：地址端的作用取決于最高兩位（MSB，即A8和A9）的狀態(tài)。當(dāng)最高兩位中有一個為0時，所有輸入均作為當(dāng)前錄音或放音的起始地址。地址端只作輸入，不輸出操作過程中的內(nèi)部地址信息。地址在CE的下降沿鎖存。當(dāng)最高兩位全為1時，A0A6可用于模式選擇。操作模式由于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。操作模式也由地址端控制；當(dāng)最高兩位都為1時，其它地址端置高可選擇某個（或某幾個）特定模式。因此操作模式和直接尋址相互排斥。具體操作模式見表7-1所列。操作模式可由微控

22、制器也可由硬件實現(xiàn)。使用操作模式要注意兩點：（1）所有操作最初都是從0地址即存儲空間的起始端開始。后續(xù)的操作根據(jù)選用的模式可從其它地址開始。但是，電路由錄轉(zhuǎn)放或由放轉(zhuǎn)錄（M6模式除外），或都執(zhí)行了掉電周期后，地址計數(shù)器將復(fù)位為0。（2）當(dāng)CE變低且最高兩地址位同為高時，執(zhí)行操作模式。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(dāng)前的地址模式端電平并執(zhí)行相應(yīng)的操作為止。 表7-1 ISD2560操作模式列表第3章 硬件電路及軟件實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1. 本系統(tǒng)主要可分為3個部分：單片機控制部分、語音播報部分、和鍵盤輸入部分，采用51單片機作為主控制芯片，利用ISD2560實

23、現(xiàn)語音錄放，簡單易行且控制方便。2. 系統(tǒng)采用的微控制器是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存技術(shù)生產(chǎn)，與標準 MCS-51指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合3. 該單片機的 P1 口是一個雙向 I/O 口，其中 P1.2P1.7口內(nèi)部提供了上拉電阻，P1.0、P1.1

24、需外部上拉。P1.0、 P1.1同時也是片內(nèi)精密比較器的正輸入端（AIN0）和負輸入端（AIN1）。P3口是 7個帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向口。4. 數(shù)碼語音芯片選用的是ISD2500系列單片語音錄放集成電路ISD2560，它具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便，無須專用的開發(fā)系統(tǒng)等優(yōu)點。圖3-1 硬件電路設(shè)計5. 實現(xiàn)的功能如下：6. 按下開始鍵，啟動錄音，松開開始鍵，結(jié)束錄音。注意，錄音時間不能超過預(yù)先設(shè)定的每段語音的時間。7. 結(jié)束錄音后，循環(huán)播放所錄聲音3次。3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.2.1 系統(tǒng)軟件總流程圖軟件系統(tǒng)的總體流程如圖3-2所示：圖 3-2 軟件流程圖3.2.2 錄放音時AT89C51單

25、片機對ISD2560的控制錄音時，按下“開始”鍵，單片機控制PD、P/R引腳為高電平，并指定錄音地址，啟動錄音過程。在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)（<60s）結(jié)束錄音，松開“開始”鍵，單片機控制P/R引腳回到高電平，即完成一段語音的錄制。之后打開外部中斷0，指定放音地址，啟動放音程序，每次放音結(jié)束時，EOM輸出會觸發(fā)單片機的外部中斷0，經(jīng)過適當(dāng)?shù)难訒r后，重新啟動第二次放音，這樣重復(fù)三次后關(guān)閉外部中斷0，流程結(jié)束，等待下一次錄音。3.3 語音器件外圍電路設(shè)計(1)揚聲器電路語音器件的SP+(引腳14)，SP-(引腳15)分別接揚聲器的一端。通電后，系統(tǒng)可以驅(qū)動16 以上的揚聲器。(2)話筒電路MIC

26、IN(引腳17)、MIC REF(引腳18)分別通過相應(yīng)的電容連接到話筒兩端。通過MIC IN將話筒的輸入信號送至片內(nèi)前置放大器，片內(nèi)自動增益控制電路AGC將此前置放大器的增益控制在-15+24 dB，具體電路如圖3所示。該器件在使用前需用單片機寫入初始狀態(tài)。第5章 總結(jié) ISD2560語音芯片在語音錄放系統(tǒng)中的實際應(yīng)用效果非常好，而且編程也比較簡單，與其它一些數(shù)字語音芯片相比，ISD2560的突出特點是放音效果極佳，能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，另外，使用該芯片也可自己設(shè)計電路實現(xiàn)錄音操作，使用十分方便。 本設(shè)計是一種基于51單片機控制的語音錄音/放音系統(tǒng)，它采用ISD單

27、片語音錄音/放音集成電路系列中的ISD2560實現(xiàn)語音的存儲和播放，ISD2560采用直接電平存儲技術(shù)，不僅省去了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，而且語音自然真實。參考文獻1.陳后金. 數(shù)字信號處理M . 北京:高等教育出版社,2003.2.李建忠.單片機原理及應(yīng)用M . 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社,2002. 3.楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程.北京:高等教育出版社.2004.4.余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程.北京:高等教育出版社.2001.5.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編.北京：北京理工大學(xué)出版社，19976.張紹高.數(shù)字音頻技術(shù)原理及應(yīng)用.（第1版）.北

28、京:國防工業(yè)出版社，2000.77.吳瞋山.電子線路設(shè)計與實踐 北京：電子工業(yè)出版社出版.20058.謝自美 設(shè)計.實驗.測試（第三版）武漢：華中科技大學(xué)出版2000年7月 9.http:/www.mcuf-10.http：/www.tai-附錄附錄1：元器件清單名稱型號規(guī)格數(shù)量名稱型號規(guī)格數(shù)量 芯片AT89C521電容22pF2ISD2560110uF1 電阻10k40.1uF61k1220uF1470k122uF15.1k14.7uF1開關(guān)START1晶振11.0592mkz1RST1喇叭1話筒1附錄2：作品照片 語音芯片焊板 51單片機附錄3：程序清單#include <reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int uchar count; /重復(fù)播放次數(shù)計數(shù)器 uchar StartFlag; /開始鍵按下標志 uchar IdleFlag; /系統(tǒng)是否處于空閑狀態(tài)標志 /*定義語音芯片 ISD2560 的控制引腳*/ sbit START = P10; sbit EOM = P14; sbit PR = P15; sbit PD = P16; sbit C