基于单片机的录音系统设计.docx

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基于单片机的录音系统设计

第1章绪论

1.1课题研究目的与意义

随着近几年电子技术的不断更新与发展,越来越多的录音系统产品从传统的模拟信号方式逐渐转变成了数字信号的方式,并采用了工作方式更为先进的数字信号处理技术.录音系统主要作为一款用于收集语言信号的装置,在采集音频信号方面得到了广泛的使用.在目前市面上,录音系统通常只有几个比较单一的功能,主要包括录音、存储、回放以与监听等,因此市面上销售的录音系统通常不能满足野外生物的保护上,没有远程监控的功能性要求,并且这些录音系统还不能用于一些特殊人员对录音信号的加密保护.因此对采集的语音信息进行安全性的保护以与对信号的可控性,这两个内容已经逐渐成为了新一代录音系统的研究方向.

在音频信号的处理过程中主要包括三个阶段,分别是音频信号的采样和量化以与编码.由于采用数字信号处理技术具有抗外界干扰强,信号处理范围广,持续工作的稳定性高,同时还能对数据进行压缩等优点.在数字录音系统中,语言信号是信息处理的基础,信号额传输与存储都不能离开控制器的存在,因此系统在正常的工作状态中时,会出现很多的信号收到外界干扰信号的影响,这样就容易导致信号收到外界信号的威胁,由此就使得数字化签名的发展、数字加密身份的验证以与音频信号的加密处理等高科技技术,尤其近些年出现的数据加密处理技术使得新型的录音系统得到了广泛的使用,为高##性的语音信号提供了安全性的解决思路.

与此同时随着我国的高集成电路技术的快速发展,在一个集成电路芯片上可以将中央处理器、随机存储器、定时器、flash存储器以与输入/输出接口集成在内,这样的高度集成的电子芯片,我们称之为单片机.由于单片机的在很多的控制领域得到了广泛的运用,到了20世纪的七十年代,单片机发展到了新一代的80C51、M68HC11系类,在这些系类的单片机内,扩展了许多的控制功能,包括内部的模数转换器、脉冲宽度调制发生器、数模转换器、高速输入/输出接口以与UART串口通信模块等,在很大的程度上已经突破了微型计算机的传统概念.

在1976年,国际上的Intel公司第一个推出MCS—48系列的单片机,这款单片机具有体积小,功能丰富,成本低等特点,赢得了广泛的使用,它为后来的单片机发展奠定了重要的基础.直到现在,单片机在现代生活中运用的越来越广泛,几乎在所有的方面中都有它的存在,开发者可以利用单片机实现自动控制,数据处理等功能.

无线射频通信技术和高集成电路处理技术的不断成熟,促进了人们在许多的生产方式上以与生活节奏上带来了巨大的便利,无线射频通信技术同时也在自动控制生产方面也具有巨大的推动力量,无线射频通信技术的使用在很大的程度上增加了通信技术的运用范围.因此,在本文的研究中提出了一种基于单片机的录音系统设计方案,采用单片机进行控制,能够进行对音频信号的录制,同时还可以将录制的音频信号进行播放,配有按键输入模块以方便操作人员对系统进行调节,最终实现对音频信号的智能化控制.

1.2课题目前研究现状

从古至今,声音就是我们进行传递信息的媒介,用于沟通的桥梁,它的出现使我们的生活得到了许多的便利,因此它的重要性不言而喻.近年来随着高科技技术的不断成熟与发展,我们可以在生活中看到各种各样的音频信号录音设备,这些设备通常都具有录制音频信号的功能,随着技术的不断更新,音频设备录音系统也随之不断的进行升级.市面上我们看到的一般的数字音频录音设备,这些产品通常采用较为简单的方式来实现语音信号的采集、包括信号的存储以与后期对音频信号的播放,同时具有较为完善的功能,可以在最大的程度上保证输出的音频信号不失真,最大可能的还原先前的信号,但是对于录制较为复杂音频信号,则需要功能较为完善的语音系统,因此可以利用存储信息大的硬盘来实现对信号的存储,而对于小型的录音系统设备,由于存在存储空间有限的缺陷,其应用的范围较窄.

英国的发明家爱迪生在上个世纪的70年代末期研制出了世界上的第一个可以录制音频信号的机械式留声机,该仪器的研制代表着人类实现了对音频信号进行收集并播放的设备的研制成功,之后在爱迪生的研制基础上,人类对音频信号的处理技术得到了巨大的发展,取得了很多的成果,这些技术都为现代的数字化音频系统的研制提供了新的发展基础.现代研究人员对音频信号的收集和处理,已经开始从最开始使用的简单波形编码方式逐渐转变为采用数字化信号的编码和压缩方式,这样的数据处理方式在很大的基础上减少了更多的存储数据.例如,原始的音频信号通常是直接采用8KHz的采样率进行抽样,再利用16bits的线性编码的方式进行音频信号的采集,通常录音系统就直接将收集到的语音信号进行存储的操作,而若是在录音系统中采用压缩的方式对采集到音频信号进行处理,使音频数据进行压缩,这样就可以大大减少系统的存储量,而如果需要恢复音频信号时,系统利用编码后合成的方式,将输出的语音信号达到不失真的结果.

近年来,我国的高科技技术也得到了巨大的发展,其中对语音系统的研究也取得了很大的成绩,在市面上就已经有很多我国自主研发的录音系统,这些系统通常都是采用我国自主设计的语音芯片,这些独特的语音芯片内部集成了音频信号处理的能力,在一些单片机控制器的内部就逐渐开始集成了一些简单的音频信号处理功能,所以这些单片机在处理音频信号方面存在独特的优势.在国外的录音系统的研制上,美国生产的ISD音频信号处理芯片是全球最为典型的音频信号处理芯片,该芯片主要的功能是实现模拟量的音频信号在半导体的存储器上进行储存的技术,即实现音频模拟信号写入数字的存储单元中,该处理过程通常不需要采用模数转换器和数模转换器进行数据的转换,可以很真实播放出录制到的音频信号,避免了音频信号在量化与压缩的过程中产生失真的现象.在国内外音频信号处理技术的运用已经开始进入一个较为成熟阶段中,并广泛的运用在各种音频产品以与工业化产品的许多方面.

1.3本文主要研究内容

本文主要设计的是基于单片机的录音系统,该录音系统主要由单片机控制器模块,ISD4004语音采集与播放单元,按键输入单元,单片机与计算机串口通信单元和稳压电源供电单元组成.系统通过利用单片机技术实现对整个录音系统的控制,并利用语音芯片ISD4004实现语音的采集与播放,同时串口通信电路可以实现单片机与计算机之间的通信,实现程度代码的下载,按键输入单元可实现人员对系统的操作.本文共有5章,各章节主要内容如下.

第1章绪论部分,主要介绍本设计的目的、意义,以与研究现状与发展趋势.

第2章总体方案设计部分,介绍了系统的要求与性能指标、系统整体的结构框图.

第3章硬件电路设计,对整个系统的硬件系统进行详细的介绍.

第4章软件设计部分对系统的软件设计方法进行了介绍.

第5章结束语对全文进行了总结,并提出了将来的改进方向.

第2章总体设计方案

2.1系统总体实施方案

下图2-1就是本次设计的基于单片机的录音系统设计框图,从下图中我们可以看出,最终的基于单片机的录音系统是由单片机处理器单元、ISD4004语音芯片控制下的录音和语音播报单元,键盘输入单元,单片机与计算机串口通信单元和电源供电单元组成.

图2-1基于单片机的录音系统总体设计框图

从上图中可以看出,该方案是通过利用单片机控制器作为本次设计的主控制器单元,通过利用语音芯片ISD4004实现对语音信号的录音以与语音信号的播放,同时当单片机检测到有键盘被按下时,单片机将执行键盘被按下所对应的程序,从而实现操作人员对录音系统的控制,串口通信模块单元是将计算机终端与单片机处理器进行数据的连接,起到数据的传输以与程序下载的功能,电源供电模块为整个系统提供电能,用于保证系统的正常运行.

2.2各模块的选型分析

2.2.1控制器的选择

在录音系统的设计中,主控器的选择通常有以下几种选择方式.第一,在现阶段的部分企业采用的是DSP控制器作为录音系统的主要的控制器,DSP控制器是现场可编程门阵列,该控制器是在PAL和GAL以与CPLD等可编程控制器器件的基础上进一步发展的产物,它是作为专用集成电路的领域中的一种半定制电路而出现的,既可以达到解决了定制电路的不足,还能克服原有可编程器件门电路数有限的缺点.但是由于DSP控制器在价格方面偏高,而且需要配套外置的模拟数字转换功能模块才能实现对外界信号的采集和识别,从而进一步增加了设计成本,因此在本文的设计中采用该控制器没有绝对的优势.因此,在本文录音系统的设计中以DSP控制器作为主控制器不是最佳的选择.

其二,通过利用模拟分立元件进行电路的搭接的方式进行录音系统的设计,例如利用电容、电感、电阻晶体管等非线形无源元件组成的智能控制电路,采用这个方案会使得设计电路较为繁琐,而且利用分立元件数量将会很多,使得操作起来不是特别方便,并且从整体上会使得成本较高,与此同时,这种设计方式还存在元件分散性大等缺点,导致在集成数字化时显得很不方便,容易导致测量误差的出现.因此,该方案同样不是最好的选择.

其三,采用单片机STC89C52RC作为本次设计的控制器.在21世纪初,该单片机宏晶科技半导体公司推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机,单片机的指令代码和传统的8051单片机系类完全兼容,同时,该单片机内部所含有的硬件资源与传统的8051单片机基本是相一致的,而且该单片机是属于8051单片机系列中最为典型的代表,同时具有易于获得的特点,我们在电子市场都可以买到而且价格合理,适合学生使用,在编程上可以采用汇编语言或者是C语言进行操作,由于这些语言在大学里基本都有学习研究过,从而使得我们用起来很方便.所以综合考虑,本次设计主控制器选择STC89C52RC单片机将是最好的选择.

在主控制器确定好之后,因为在录音系统中主要包括ISD4004语音信号采集与播放单元,键盘输入单元以与单片机与计算机串口通信单元组成,由于这些都是建立在单片机最小控制系统的基础上,通过选择此款单片机可以完全可以满足语音信息的采集和语音信号的播放和单片机与计算机通信以与数据处理等方面的要求.

2.2.2语音芯片的选择

在本次的设计中,我们可以选择语音芯片ISD4004来实现语音信号的采集与播放.美国ISD公司在21世纪推出了ISD系列的音频信号处理芯片产品.该系列语音芯片采用多电平模拟存储专利技术,因此可以使得声音信号不需要模数转换和解码,每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中,没有模数转换误差,使采集到的语音信号能够真实与自然地再现语音和音乐与效果声.避免了一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声.下图2-2是ISD4004语音芯片的实物图.

图2-2ISD4004实物图

ISD4004语音芯片采用CMOS技术,其内部含有晶体振荡器和防混叠滤波器以与平滑滤波器和自动静噪与音频功率放大器与高密度多电平闪烁存储阵列等,在硬件电路的设计过程中只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统.

2.2.3电源芯片的选型

在本文电源的设计部分,采用LM2940作为本次设计的电源稳压芯片.LM2940三端稳压器是一款能固定电压输出的低压差稳压器,其中它经过稳压之后的电压输出为+5V,同时最高电流输出可达1A,并且当该稳压器在输出电流为1A时,它的输入输出电压差小于0.8V.该稳压器的最大输入电压可达+26V,工作温度在-40～+125℃以内,同时其内部包含静态电流降低电路和电流限制功能以与过热保护和电池反接与反插入保护电路.

LM2940稳压器在使用的过程中,其外围电路的设计简单,用少的元器件就可以实现电路的功能,在规定的输入电压和输出负载的条件下,稳压器的输出电压误差在2％以内,内部振荡器的振荡频率误差在±8％之间,典型的待机电流值为50μA.

2.3本章小结

本章的内容主要对基于单片机的录音系统的总体设计方案方面进行了介绍,该录音系统主要由是由单片机处理器单元、ISD4004语音芯片控制下的录音和语音播报单元,键盘输入单元,单片机与计算机串口通信单元和电源供电单元组成.其次介绍了录音系统的总体实施方案,并画出了系统的设计框图,同时通过结合本次设计的需要,对各个功能模块的所用的材料进行选择,包括主控制器芯片的选择、语音芯片的选择以与电源稳压芯片的选择.为下一步的硬件电路设计做准备.

第3章硬件电路设计

3.1STC89C52单片机系统介绍

3.1.1单片机的介绍

由宏晶科技半导体公司生产的单片机STC89C52RC,该芯片共有40个引脚,其结构示意图如下图3.1所示：

图3-1STC89C52RC芯片引脚图

从上图中可以看出,单片机具有四组输入/输出口,分别是P0,P1,P2,P3.其中单片机的P0输入/输出口,这组控制口时是漏极开路型的双向输入/输出口,共有8个控制脚,同时该组控制引脚同样也是作为单片机的地址总线和数据总线的复用口.当这组控制口作为普通的输入/输出口使用时,它的每一个控制引脚都是采用吸收电流的方式来达到驱动一路TTL电平的门电路的目的,当单片机内部的程序指令命令其中的一个端口为高电平时,这个控制引脚将作为高阻抗的输入引脚使用.然而在单片机访问外部的数据存储器和程序存储器时,P0控制引脚可以通过分时的方式进行地址的转换,并且表示的是地址数据的低8位数据和数据总线共同使用,在单片机访问数据和地址的过程中,该组控制口需要激活其内部的上拉电阻处于工作状态.在运用Flash数据存储器编程时,P0控制引脚可以用于对指令字节的接收,而在程序校验的过程中时,P0控制口将用于指令字节的输出,校验的过程中还必须让该组控制口外接10K的上拉电阻.

单片机的P1输入/输出口与P0输入/输出口最大不同的地方在于该组输入/输出口是一组内部自带上拉电阻的双向输入/输出口,同时该组输入/输出口同样具有八个控制引脚,P1输入/输出口的输出缓冲级的内部电路可以驱动四个TTL的逻辑门电路,同时还可以采用吸收或输出相应的电流的方式进行功能的切换.当单片机的程序指令向P1端口的一个控制引脚写入高电平时,单片机的内部就可以通过内置的上拉电阻把该组端口的输出拉到高电平,即端口保持5V的状态,同时也可将端口的电平拉低用作输入口使用,而端口用作输入口使用时,内部存在的上拉电阻,使其被外部信号拉低时会输出一个电流.在运用Flash数据存储器编程与程序校验时,P1输入/输出口接收的是低八位的地址信息.

单片机的P2输入/输出口是一组带有内部上拉电阻的八位双向输入/输出口,P2控制口的内置输出缓冲级电路可以驱动四个TTL的逻辑门电路,可起到吸收或输出电流.当单片机的程序指令对端口写入高电平,端引脚将通过内置上拉电阻将引脚拉到高电平5V的状态.同时该端口也可作为输入口使用,当作为输入口使用时,由于端口内部的上拉电阻使得引脚在被外部信号拉低时会产生一个电流.在单片机访问外部程序存储器或十六位的地址数据存储器时,P2输入/输出口将送出地址数据的高八位.而在访问八位地址的外部数据存储器方面,P2端口线上的内容即特殊功能寄存器区中R2寄存器的内容,在整个访问期间保持不改.当单片机对Flash数据存储器进行编程或校验时,P2端口用于接收的高位地址信息.

单片机的P3输入/输出口是一组内带上拉电阻的八位双向输入/输出口.P3端口的输出缓冲级可驱动四个TTL逻辑门电路,同时也可吸收或输出电流.当单片机的程序执行指令对P3口写入5V的高电平时,控制引脚将会被内部的上拉电阻拉高到高电平的状态,输出5V的电压信号,在控制口当作输入端口用时,控制端口将会被外部拉低信号输出电流.除此之外P3端口除了作为一般的输入/输出口使用外更为重要的用途是在于它的第二复用功能.

单片机的ALE和PROG引脚的功能体现在,当单片机在访问外部程序存储器的时候,该引脚将输出一个脉冲信号以锁存地址的低字节,即为地址锁存控制引脚.如果单片机处于访问外部存储器的过程中时,该引脚利用的是时钟振荡频率的15%的正脉冲信号,所以可对外接电路输出时钟信号并用于定时.但是需要重视的是当单片机访问一次外部数据存储器时,程序指令将直接跳过一个正脉冲.

RST引脚为单片机的复位引脚.当单片机处于正常的工作状态时,该引脚将通过发出一个机器周期高电平信号单片机进行复位.

PSEN引脚为单片机的程序储存允许控制引脚,该控制端引脚输出外部程序存储器的读选通信号,当单片机的执行程序指令处于外部程序存储器读取指令或者数据时,两次PSEN的机器周期使得读取有效,此时该引脚输出两脉冲信号.

EA／VPP引脚的主要功能是允许控制外部访问端.单片机要想实现访问外部CPU的程序存储器,该引脚端需要一直保持拉低的电平状态,我们可以直接把该引脚接电源的地端.如果访问的外部程序存在加密位,并受到外部程序的控制时,单片机将会使其内部的寄存器功能对EA引脚进行锁存操作.

XTAL1引脚和XTAL2引脚是外接振荡器内部时钟发生器的输入端引脚.

3.1.2STC89C52单片机的特性

STC89C52单片机的内部结构示意图如下图3.2所示.

图3-2单片机的内部结构

单片机的主要特点有：

一,该单片机是增强型的6时钟/机器周期和12时钟/机器周期,采用8051内核；

二,其工作电压范围在+5.5V到+3.4V之内,通常我们可以直接采用+5V的供电电压；

三单片机的工作频率范围在0-80MHZ以内；

四,单片机的程序应用空间为8K字节,片上集成可512字节的随机存储器；

五,通用的输入/输出口有32个,在单片机复位后,单片机的四组输入/输出口,P1/P2/P3/P4是准双向口,其中P0控制口是开漏输出,当其作为总线扩展时,可不加上拉电阻,而当作为普通输入/输出口时用,需要加上拉电阻；

六,在系统可编程的状态下时,无需采用专用的编程器或者仿真器进行在线程序下载,单片机可直接通过两个引脚P3.0和P3.1实现程序的下载；

七,单片机还具有EEPROM的掉电存储功能；在单片机掉电的过程中,仍能完成数据的存储；

八,具有看门狗功能；

九,具有3个16位的定时器和计数器,其中定时器0可以当成2个8位的定时器使用.

十,具有外部中断4路,下降沿或低电平触发中断；

十一,具有通用的异步串行口功能；

十二,单片机的工作温度范围在0度到85度以内.

3.1.3单片机的最小系统电路设计

1．时钟脉冲产生电路的主要功能是提供单片机内部的工作所需要的时钟信号,由于单片机内部本身存在一个谐振电路,因此我们在设计的过程中只需要在单片机的两个引脚XTAL1和XTAL2引脚的两端接一个石英振荡晶体就可以实现时钟信号的产生.本次设计采用的单片机可以直接使用12MHz的晶振为系统提供时钟,,具体的时钟信号电路如图3-3所示.

图3-3单片机时钟电路

2.单片机的复位电路具有为单片机提供复位信号的功能,且复位信号高电平有效.因此当单片机在该引脚维持三个机器周期的高电平状态时,单片机就可以完成复位操作.复位电路主要使用的是两个电阻和一个电容组成,同时增加一个按键以用来实现手动复位操作,具体的复位电路设计如图3-3所示.

图3-4单片机复位电路

以上是单片机的复位电路和时钟电路部分,这两个电路可以满足单片机的复位以与时钟方面的要求,再通过设计单片机的供电电路部分就可以完成对单片机最小系统电路的设计.综上,单片机的最小系统设计如下图3-4所示.

图3-5单片机的最小系统电路

3.2语音信号处理电路设计

在上一章中讨论到,在本次的设计中采用语音芯片ISD4004来实现对语音信号的采集与播放.由于该语音芯片在设计上是基于所有操作由微控制器控制,操作命令通过串行通信接口SPI的通讯方式进行传输,且采样频率可分别设计为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz以与8.0kHz,如果采用的采样频率越低,那么录放时间将越长,这将进一步使得音质则有所下降,片内信息存于内部的储存器中,可在断电情况下保存100年内反复录音10万次,芯片的采用的工作电压为5V,工作电流通常为25～30mA,维持电流1μA时单片录放语音时间约为8～16min,同时音质较好,适用于移动机与其它便携式电子产品中.下图3-5是片ISD4004语音芯片的引脚分布图.

图3-6ISD4004引脚分布图

从图中我们可以看到,同相模拟输入ANAIN+引脚是录音信号的输入端,因此输入放大器可采用单端或差分驱动的方式进行信号的放大.单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3kΩ输入阻抗决定了芯片频率的低端截止频率.在差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV.反相模拟输入ANAIN-引脚在信号进行差分驱动时,这是录音信号的反相输入端.信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV,该引脚的标称输入阻抗为56kΩ,在单端驱动时下,可以通过采用电容进行接地.两种方式下ANAIN+和ANAIN-端的耦合电容值应用相同.AUDOUT引脚为音频输出引脚,该引脚主要的功能是提供音频输出,它的驱动能力可达5kΩ的负载.片选引脚SS端保持为低电平的状态时,表明单片机已经选中了ISD4004芯片,并进行对其操作.串行输入MOSI为单行输入端引脚,主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到该引脚供ISD的输入.下图是本次设计所采用的语音信号处理.

图3-7语音信号处理电路

ISD4004语音芯片主要是采用的SPI串行通信接口,其中SPI协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作.因此对ISD4004语音芯片而言,在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据,在下降沿将数据送至MISO引脚.所有串行数据传输开始于SS下降沿.在SPI通信接口模式下时,SS引脚在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间保持为高电平.语音信号的数据在时钟上升沿时移入,在下降沿移出,当SS引脚变为变低电平时,在进行输入指令和地址后,ISD语音芯片才开始录放.指令格式是8位控制码加16位地址码.ISD的任何操作如果遇到EOM或OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除.

3.3电源稳压电路设计

在本次设计中采用的是LM2940稳压器,实现高电压向低电压+5V的转换,同时最小系统部分所需要的功率小,而无线部分需要的功率大,故供电电路采用大功率集成DC-DC模块LM2940稳压器集成模块.

LM2940是降压型的三端稳压器,该稳压器在电压与电流调整率方面都较小,负载驱动能力可达1A.在外围电路的设计方面,该稳压器比较简单且所用到的元件较少,同时稳压器的内部还具有频率补偿电路以与固定频率振荡器,使其能够充分的减小散热片的面积,甚至在一些电路中可以不需要加散热片.在规定的输入电压和输出负载的条件下,稳压器的输出电压的误差在±4％以内；振荡器的振荡频率误差在±10％内；待机电流的典型值为50μA,芯片内置过流保护电路和过热保护电路.图中的+12V来源于系统的锂电池组,经过LM2940的稳压作用,变换成+5V,用来给除单片机以外的其他模块供电.在应用三端稳压器时,要注意各个引脚的含义不要误接,防止损坏器件.图3.6中的+12V来源于系统的蓄电池组,经过LM2940的稳压作用,变换成+5V,用来给除单片机以外的其他模块供电.在应用三端稳压器时,要注意各个引脚的含义不要误接,防止损坏器件.在输入输出端接滤波电容减少纹波,其应用电路如下.

图3-8稳压电源电路

3.4按键输入电路设计

由于在本次设计中需要进行对录音系统的操作,因此需要设定按键输入电路,如设定系统开始录音按键,那么要完成所有操作就必须要设计四个独立按键.由于我们采用的STC89C52单片机的I/O口丰富,因此可以直接在单片机的I/O口上接四个键,因此使得四个键都互不影响,工作方式是利用单片机循环扫描且程序设计成不断检测是否有按键按下,当发生某一按键被按下的情况时,整体的键盘电路在键盘按下时单片机的P2口的P20至P23的变化将从高电平状态变成为低电平状态,单片机系统经过P2口P20至P23的变化来执行这个I/O口相对应的子程序,这个程序的子程序向P0的I