数控录放机.docx

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数控录放机

电子系统设计创新与实践

设计报告

题目：

基于单片机的可控数字录放机设计

院（系）：

信息科学与工程学院

专业班级：

电信09-2班

学生姓名：

学号：

同组成员：

指导老师：

职称：

高级实验师

设计方案（30分）

样机测试（40分）

设计报告（30分）

总分

2012年7月

摘要

随着公安、铁路等部门对语音记录的需求不断增长，出现了许多声音处理的产品。

而数字录音系统作为其中的一种，经常用于某些监控对话系统中，在适当的时候用语音实时报告系统的工作状态和提示信号等。

本文介绍了一种用单片机实现的嵌入式数字录音系统，该系统为一个数字录音模块，可以将其封装在上面进行二次开发。

它采用数字录音的原理，录音时，单片机的CPU将语音信号转换为数字信号，存储存储器中。

播放的时候，既可以播放录音文件，也可以播放提前存入存储器中的语音文件。

本文首先介绍了实现嵌入式录音的几种技术，然后介绍了数字录音的原理，在这之后进行了系统的总体结构设计和详细的软硬件设计，给出了系统调试过程和实验结果。

最后，对系统的应用前景进行了分析并提出了改进设想。

从实验结果来看，本论文所设计的嵌入式数字录音系统稳定性较好。

当然要真正做到商业化还需要做很多的改进工作，但它对许多要求录放的场合是十分有用的。

关键词:

嵌入式系统；数字录音；FlashMemory

ABSTRACT

WiththegrowthoftheneedforsoundrecordinthedepartmentofpoliceandRailway,manyproductsforsounddisposalhaveappeared.Asonesortoftheproducts,digitalrecordingsystemismainlyusedinthesystemsofindustrialwatchandautomaticresponsion,reportingtimelytheStateofworkingandwarninginformation,promptinformationandexplanation.

Thepaperhasdevisedtheembeddedsystemofdigitalrecordingonthebasisoftheprincipleofdigitalrecording.Whenrecording,themicrocontrollerwillconverttheanalogsignalsintothedigitalsignalsandthenstorethedigitalsignalsintheFlashMemory.Whileplayingthesound,therecordingfileorthe.wavfilecanbebothplayed.Thepaperfirstlyintroducesseveralwaysofdesigningthesystem，thentheprincipleofdigitalrecording,andthenthemainarchitectureofthesystemandthedevisingofthehardwareandsoftware.Atlastthefutureofthesystemandsomethinkingofpromotingisprovided.

Theembeddedsystemofdigitalrecordingisprovedtobestableafterthetestofit.Obviouslythesystemhastobepromotedbeforeitscommercialization，yetitisusefulhighlyforthesituationneedingrecording

Keywords:

theembeddedsystem；digitalrecording；FlashMemory

目录

摘要I

ABSTRACTII

第一章概述1

1.1题目名1

1.2功能和技术指标1

1.3国内外相关情况概述2

第二章技术方案3

2.1数字录放音的原理3

2.2总体技术方案4

第三章硬件设计8

3.1语音检测与放大电路8

3.1.1语音检测原理8

3.1.2前置放大电路8

3.1.3二阶低通滤波器8

3.1.4二阶高通滤波器10

3.1.5带通滤波器11

3.2NANDFLASH存储器电路12

3.3语音播放电路13

3.4总体电路图13

3.5硬件调试15

第四章软件设计19

4.1软件功能说明19

4.2软件总流程19

4.2.1录音子程序19

4.2.2放音子程序20

4.3各功能软件22

4.4软件测试22

第五章性能测试23

5.1实验测试23

5.1.1运放调试23

5.1.2功放调试23

5.1.3系统调节23

5.1.3实验测试结果23

第六章总结24

参考文献25

附录26

一、概述

一.1题目名

基于单片机的可控数字录放音机设计

一.2功能和技术指标要求

（1）工作电源：

电池，电压6V；

（2）信号源：

音频信号，频率20HZ～20KHZ，麦克风输入

（3）存储容量：

不小于128MB，使用Flash存储器；

（4）按编号存储语音信号

（5）可按编号选择所存储的语音信号播放；

（6）可控制播放的音量。

（7）在播放过程中中可暂停，对暂停的可以继续播放。

一.3国内外相关情况概述

录音即是将声音信号记录在媒质上的过程。

将媒质上记录的信号重放出声音来的过程称为放音。

录音和放音两过程合称录放音。

常见的有技术录音法，包括唱片录放音，磁带录放音和光学录放音。

数字录音法，包括数字录音和多轨录音和网络录音。

唱片录放音

包括机械录放音和激光录放音。

机械录放音是用机械刻录的方法，将声音信号记录在载音体上，为美国的Т。

A.爱迪生于1877年所发明。

1900年出现圆盘形唱片。

唱片的转速分78、33、45转/分3种。

1958年，立体声唱片正式商品化。

重放唱片须用电唱盘上的拾音器进行机-电换能来拾取唱片上已刻录的音频信号。

激光录放音是20世纪70年代末期唱片向数字化发展的成果。

录放声音的媒质称激光唱片。

光学录音

光学录音是以感光材料为媒介记录声音的方法。

从20世纪30年代初到50年代初，有声电影主要应用光学录音方法。

虽然在有声电影初期曾使用过唱片配音的方法，但用这种方法录制的影片为数不多，时间很短。

光学录音进入电影领域后，在世界范围内掀起了从无声电影转入有声电影的高潮，推动了电影事业的大发展。

40年代末50年代初磁性录音也进入了电影领域，但大量拷贝仍以光学录音为主；80年代磁性录音和光学录音两种方法并用。

磁带录放音

将声音信号转换成相应变化的磁场，以剩磁的形式记录在磁带上的过程，称磁性录音。

其原理是基于硬磁性材料被磁化后留有剩磁以及一长条硬磁性材料可以分段磁化的现象。

录有声音信号的磁性媒质以与录音相同的速度通过有缝隙的环形放音磁头，记录在媒质上的磁通就会在磁头线圈中感应出与信号相应的电动势，经放大后重放出原来的声音。

磁带录音机主要分盘式和盒式两种。

数字录音

又称数码录音技术，是通过计算机中的数字音频接口，将（话筒或其他）音频信号，导入到计算机，录制成波形文件进行存储，再通过多轨录音软件按照需要进行编辑（包括复制、剪切、粘贴），组合成我们所需要的完整文件，最后再输出录制成CD或其他音频格式。

这种技术，就像我们编辑Word文档那样简单，进行拼接、删减、整合，实现了无损编辑。

它在录制歌曲中的意义在于：

可以从数次录制的同一首歌曲中选出较好的，重新组合成一个新的音频文件，用于制作出成品音频。

多轨录音

多轨录音就是通过多轨录音软件，同时在多个音轨中录制不同的音频信号（最多可实现999轨同时录音），再通过后期编辑制作、缩混等程序，最终输出一个完整的音频。

有时候，还可以在不同的时间在不同的音轨上分别录制，录制成的波形文件可以进行多项编辑。

网络在线录音

随着网络的发展，录音已经完全摆脱笨重的软件和繁杂的操作了，只需要一个网站就可以在线录制自己喜欢的歌曲。

可以在线录歌打分，唱歌可以显示自己的音高，音长，能够一目了然的看到自己的音高位置。

系统也会对你的唱歌进行评分，纠正你的唱歌错误方法。

此外还可以在线录歌，从而达到一个练歌的效果，增加自己的歌艺！

把握数字音频技术发展的方向，我们必须对数字音频与模拟音频技术之间有一个科学的认识，并清楚这样一个概念：

数字化是一种手段，但我们始终离不开这个模拟的世界，所以我们要清楚模拟与数字音频技术的优势和弱点。

对音频的质量上来说，数字音频通过模数/数模转换后，越接近模拟音质就越好。

但是，数字化技术在音频的编辑、合成、效果处理，存储、传输和网络化，以及在价格等方面，有极大的优势。

半导体技术高速发展的今天，在专业音频领域，为了得到温暖的模拟音质，仍旧需要采用电子管器件，如电子管话筒、电子管前置放大器和压缩器，以及功率放大器。

所以，数字化时代的音频技术，并不是弃模变数，而是两者有机的结合，取长补短，用数字化技术去追求模拟的音质，用数字化手段来弥补传统音频设备的弱点。

二、技术方案

二.1数字录放音的原理

方案一：

基于单片机（MCU）的数字录放音机设计

扬声器

Flash存储器

显示

单片机AT89C52

放大

D/A

放大

AD

语音检测

电源

按键

图2.1一种数字录放音机设计原理框图

（1）由麦克风等语音传感器检测语音信号，经模拟滤波器放大后送AD转换器为数字信号；

（2）单片机读取经AD转换后的数字语音信号，存储到Flash存储器中。

每次录制给一个编号，按编号存放，每三次一个记录回收原来分配的编号；

（3）由按键选择编号播放存储在Flash中的语音信号：

单片机读取指定区域内的语音数据，送DA转换器变换为模拟信号，经音频功率放大后送扬声器还原为语音。

此方案优点是：

（1）简单易行，现有资源丰富。

（2）价格低廉。

调试容易。

缺点是：

（1）声音波形处理不够优秀，容易产生噪声。

方案二:

基于DSP芯片的语音录放器的方案设计

键盘控制

DSP

TMS320C5416

线路输入

MCBSPO数据接口

TLV320AIC23

Flash存储器

液晶显示

麦克风输入

MCBSP1控制接口

图2.2一种数字录放音的设计原理框图

该系统的工作原理是：

（1）录音时，语音信号通过话筒从线路或麦克输入口输入音频信号送到AIC23中，AIC23控制芯片内寄存器，使输入的音频信号进行A/D转换，

（2）将转换得到的数字语音信号送到TMS320C5416DSP的Flash存储器暂存起来，每收够一帧就调用语音压缩程序进行编码，编码后得到的数据被TMS320C5416DSP送到Flash存储器存储起来；

（3）放音时，先从Flash存储器中读出压缩数据送到DSP中，TMS320C5416DSP调用解压缩程序还原出语音信号，还原后的语音信号通过耳机发送出来。

该系统的优点是

（1）音频数据占用资源少

（2）音质通信级

（3）开发难度低

（4）语音芯片与DSP接口电路简单

（5）体积小

缺点是

（1）价格偏贵，资料少开发不容易。

（2）材料不易找到。

二.2总体设计方案

我们采用的设计方案如下

A/D转换

带通滤波器

前置放大电路

录音时

信号输入5mV

图2.3语音输入原理框图

前置放大电路

前置放大电路也为测量用小信号放大电路。

在测量用的放大电路中，一般用传感器送来的直流或低频信号，经放大后多用单端方式传输，在典型情况下，有用信号的最大幅度可能仅有若干豪伏，而共模噪声可能高到几伏，故放大器输入飘移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也是同等重要的问题。

因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗，高共模抑制比，低漂移的小信号放大电路。

在电路里，我们采用NE5532作为前级运放。

NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。

与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。

因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。

用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。

有源带通滤波电路

有源滤波电路使用有源器件与RC网络组成的滤波电路。

有缘滤波电路的种类很多，如按通道的性能划分，又分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）滤波器。

在本次的设计过程中采用宽带带通滤波器。

在满足LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率的条件下，把相同元件压控电压源滤波器的LPF和HPF串接起来可以实现Butteworth通带响应，

A/D转换

将模拟信号转变成数字信号，需经过取样、量化和编码三个步骤。

这次设计我们采用ADC0809作数据采集用，用来采集12秒的语音信号并保存到相应的存储单元。

对ADC0809的8个模拟通道，这里是用数据总线的低8位D2、D1、D0来控制ADC的通道选择信号ADDC、ADDB、ADDA，以实现选择其中之一模拟通道输入。

在本次设计中，初始值为000（D2=0、D1=0、D0=0），即选择IN0通道进行数据采集，然后使ADC0809的ALE、START有效，START和ALE信号通过CPU向选中的通道口执行一条输出指令，启动A/D转换。

转换结束后，发出EOC信号，当EOC为高电平时，可供CPU查询，读取每次采集的A/D转换结果。

当CPU知道转换已完成，执行一条输入指令使OE信号有效，此时输出缓冲器被打开，数据送到数据总线。

系统时钟经分频后接到ADC0809芯片的时钟引脚CLK上。

图2.4ADC0809引脚图

放音时

外放

功率放大

D/A转换

单片机

图2.5语音输出原理框图

D/A转换

在本次设计中，使用的DAC0832采用直通方式与单片机连接，从硬件图中可以看出，该片DAC0832只有一个端口地址，即88H。

DAC0832的ILE信号与+5V连在一起，、WR1和WR2均接地，总是有效的，DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器均处于选通状态，只要CPU想88H端口执行一条输出指令，就会使XFER有效，CPU输出繁荣数字量就会顺利通过DAC0832的两个寄存器，然后进行D/A转换，在运算放大器的输出端得到转换结果。

图2.6DAC0832引脚图

功率放大

功率放大电路与前面所述的小信号放大电路相比较，其工作原理没有根本变化，只是功率放大电路不是单纯考虑电压放大或电流放大，而是考虑在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。

此时，功率放大电路中的器件都是工作大信号的状态下，因此分析方法与小信号放大电路就有所区别。

功率放大电路的主要特点是：

1.要求输出功率尽可能大

获得输出功率是功率放大电路的主要目的。

为了获得最大的功率，要求电路的输出电压和输出电流要有尽可能大的幅度。

2．转换效率要高

功率放大电路实质上并非是将电功率直接提高，而是通过输入信号（小功率）去控制电源提供的直流功率将其转换成交流功率（大功率），即输出的交流功率是由电源提供的直流功率转换而来的。

通常功率放大电路输出功率大，直流电源消耗的直流功率也就越多。

因此，考虑在电源电压确定的情况下，输出功率尽可能大时，应该提高直流功率转换成交流功率的效率，以减少直流电源的损耗。

3.器件工作在接近极限状态

功率放大电路为了获得最大的功率，要求电路的输出电压和输出电流要有尽可能大的幅度，为了达到此目的通常还需要输入信号为大信号。

此时，完成功率放大的晶体管往往工作在接近极限状态。

因此，器件的安全性显得十分重要，否则器件会因为过热、电压或电流过大而损坏。

由功率放大电路的特点可知，其主要技术指标有两个：

①输出功率PO

功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。

在输出波形基本不失真的条件下，输出功率用输出电压的有效值UO和输出电流的有效值IO乘积表示，即：

式中Uom为输出电压的峰值，Iom为输出电流的峰值。

②效率η功率放大电路的输出功率Po与电源所提供的直流功率PV之比称为功放的效率，直流功率等于电源输出电流的平均值与电源电压的乘积。

即

三、硬件设计

三.1语音检测与放大电路

三.1.1语音检测原理

驻极体麦克风的工作原理是以人声通过空气使震膜震动，从而然后上震膜和下金属铁片的距离产生变化，使其电容改变，形成电流阻抗。

话筒输出信号为5mV，放大后要求达到100Mv以上，所以前置放大倍数要在20倍以上。

设计条件如下：

输入信号Uid≤10mv

输入阻抗Ri≥100kΩ

共模抑制比KCMR≥60dB

三.1.2前置放大电路

基于上述原理，我们采用的前置放大如下图所示，采用两级放大。

电路为电压并联负反馈，电容起着滤波的作用。

第一个闭环电压放大倍数

===-4

同理可得第二个闭环电压放大倍数为

==-3

所以电路放大倍数为F=（-4）*（-3）=12倍，输出电压为60MV左右。

参考电路图

图3.1前置放大电路

三.1.3二阶低通滤波器

因为高品质音频的的频率范围在20HZ～20KHZ间，要想取得好的录音品质，就需要在前置放大和AD转换间引入滤波器。

使输入的波形能在要求的范围之内。

将简单二阶低通滤波器电路中C1的接地端改接到集成运放的输出端，便可得到压控电压源二阶低通滤波电路，如图4.3所示。

电路中既引入了负反馈，又引入了正反馈。

由于正反馈使电压放大倍数在一定程度上受输出电压控制，且输出电压近似为恒压源，所以称为压控电压源二阶低通滤波电路。

当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱，使电路不能产生自激振荡；当信号频率趋于无穷大时，C2的电抗趋于零，所以UP（s）趋于零。

因此只要正反馈引入得当，就既可能在f=f0时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。

图3.2压控电压源二节低通滤波器

电路的传递函数

在上式中，只有当AUp小于3时，即分母中s的一次项系数大于零，电路才能稳定工作，而不产生自激振荡。

s=jω，则上式为

令

，

则有

上式为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式，其中f0为特征频率，而Q则称为等效品质因数，是f=f0时电压放大倍数的数值与通带放大倍数之比。

令f=f0，求出电压放大倍数的数值

当Q取不同的值时，

将随之改变

图3.3二阶低通滤波电路的幅频响应

不同Q值下的幅频响应由图4.4所示，当Q=0.707时幅频响应较平坦，而当Q>0.707时，将出现峰值，当Q=0.707且f/f0=1，

；当f/f0=10时，

。

这表明，二阶滤波电路比一阶低通滤波电路的滤波效果好得多。

当进一步增加滤波电路阶数，由图可看出，其幅频响应更接近理想特性。

三.1.4二阶高通滤波器

二阶压控电压源高通滤波电路，在理想情况下，高通滤波电路的通带电压增益可认为是ω→∞时，输出电压与输入电压之比。

对二阶压控电压源高通滤波电路来说，当ω→∞时，电容C可视为短路，通带电压增益等于同相比例放大电路的电压增益，

图3.4二阶高通滤波器

电压增压为

幅频响应曲线如图4.7可知，二阶高通滤波电路和低通滤波电路的幅频特性具有对偶关系。

如以f=f0为对称轴，二阶高通滤波电路的

，当f

当f>f0时，则是随着f升高而减小。

二阶高通滤波电路在f<

图3.5二阶高通滤波电路的幅频响应

三.1.5带通滤波器

将低通滤波器和高通滤波器串联，并使低通滤波器的通带截止频率fp2大于高通滤波器的通带截止频率fp1，则频率在fp1和fp2之间的信号能够通过，其余频率的信号不能通过，因此构成带通滤波器。

本次设计，根据=可设计出实现不同滤波器所需的电容和电阻，如下图所示，整个滤波器的增益为4。

图3.6带通滤波器

由以上可知整个前置放大滤波器的总增益为4X12=48。

电路输出电压为5mV*48=240mV。

三.2NandFlash存储器电路

128M×8bit的K9F1G08X0A是一个1Gbit并带备用的32Mbit容量的存储器。

它的

NAND单元为固态大容量市场提供最节省-高效解决方案。

一个编程操作可在200us内在

2112字节的页上执行，而擦除操作可在2ms内在128K字节的块内执行。

在数据页上的数据可在30ns（1.8V器件50ns）内读出一个字节。

I/O引脚可作为地址和数据输入输出以及命令输入。

在线写控制器自动操作所有编程和擦除功能，包括脉冲重复，和内部校验及数据余量。

写密集型系统通过提供带实时映射算法的ECC，可利用K9F1G08X0A的扩展的可靠性的100k编程/擦除周期。

K9F1G08X0A是大容量非易失性存储应用如固态文件存储和其它要求非易失性的便携应用的最佳解决方案。

图3.7K9F1G08X0A芯片

I/O0~I/O7数据输入/输出:

这些I/O引脚用来输入命令，地址和数据，以及通过读操作输出数据。

当芯片未被选择时，这些I/O引脚浮置成高阻态，输出无效

CLE命令锁存使能:

CLE控制命令输入到命令寄存器中。

当CLE为高时，在/WE信号的上升沿，命令通过I/O口锁存到命令寄存器中。

ALE地址锁存使能：

ALE控制地址输入到内部地址寄存器中。

当ALE为高时，在/WE信号的上升沿，命令通过I/O口锁存到命令寄存器中。

/CE芯片使能信号：

片选信号控制芯片是否被选中。

当芯片处于忙状态，/CE为高被忽略，并且芯片不会回到standby状态。

/RE读使能：

/RE为串行数据输出控制，当它处在活动状态时，则数据驱动至I/O总

线上。

数据在/RE的下降沿过后tREA时间后有效，并且内部列地址计数器自动加1。

/WE写使能：

/WE控制向I/O口写入。

命令，地址和数据在/WE的上升沿锁存。

/WP写保护：

/WP引脚在电源切换期间提供无意的写/擦除保护。

当/WP为低时，内

置高电压发生器复位。

R/B准备/忙输出：

R/B输出指示器件操作的状态。

当为低时，它指示一个编程，擦除会随机读操作正在进行，并在完成后返回一个高状态。

它是一个开路集电

极输出，当器件未被选择或输出无效时，它并不会浮置成高阻态。

Vcc电源VCC：

是器件的电源供应。

Vss地

N.C未连接：

引线内部未连接

三.3语音播放电路

语音播放可用功率放大