语音信号采集系统设计.docx
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语音信号采集系统设计
本科毕业设计（论文）
学院：
信息科学与工程学院
课题名称：
语音信号采集系统设计
专业（方向）：
电子信息工程（应用）
班级：
学生：
指导教师：
日期：
桂林理工大学毕业设计（论文）独创性声明
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对设计（论文）的研究成果做出贡献的个人和集体，均已作了明确的标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
设计（论文）作者签名：
日期：
年月日
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设计（论文）作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
摘要
人机用语言进行交流，是人们多年的梦想，在提高工业系统，计算机系统智能化水平时，人机语言对话就是最好的信息交换的手段，而人机语言对话的关键就是语言采集。
本文介绍了一种用单片机作为核心控制单元，用驻极体话筒进行语音采集，而采集到的语音信号将会转变成电信号，将其用运放电路放大，并通过二阶低通滤波器进行滤波，用AD转换器进行模数转换，并通过单片机的串口与个人电脑连接，之后将采集到的语音在PC机上将其波形显示出来。
这个系统的单片机AT89C52微处理器,实现对系统的控制和数据处理。
AT89C52内部有一个小内存，可以短暂的存储语音信息。
同时,外围电路的语音采集，增益、功放电路，二阶低通滤波器电路和模数转换电路等,这些电路用来确保高质量的信息存储。
关键词：
采集；滤波；控制；连接；显示
Speechsignalacquisitionsystemdesign
Student:
FENGBo-huiTeacher:
SHIXiao-dong
Abstract：
Human-computerexchangeoflanguage,isthedreamofthepeopleformanyyearsinindustrialsystems,computersystemmoreintelligentman-machinelanguagedialogueisthebestmeansofinformationexchange,andthekeytothedialogueofman-machinelanguageislanguageacquisition.Thisarticledescribesamicrocontrollerasthecorecontrolunitwithelectretmicrophoneforvoiceacquisitionandcollectiontothespeechsignalwillbeconvertedintoelectricalsignals,theopampcircuitamplification,andbythesecond-orderlow-passfilter,andADconverterwithanalogtodigitalconversion,andthroughthemicrocontroller'sserialportandPCconnection,aftertheacquisitiontothevoicewaveformdisplayonthePCwillbe.
SCMAT89C52microprocessorinthissystemwhichcontrolsandprocessesdata.TheAT89C52hasasmallmemorycanbeshort-termstorageandvoicemessages.Thesametime,thevoiceoftheperipheralcircuitsacquisition,gain,poweramplifier,thesecond-orderlow-passfiltercircuitandanalog-digitalconversioncircuits,thesecircuitsareusedtoensurehigh-qualityinformationisstored.
Keywords:
collect;filter;control;connection;display
目次
1绪论
1.1课题背景
语音信号处理是信息科学的一个重要分支，伴随着大规模集成技术的高度发展以及计算机技术的飞速前进，推动了语音信号处理技术的快速发展。
语音采集系统的设计，则是利用语音电路来实现语音信号的数据存储、还原等任务，它是以数字电路为基础，采用52系列单片机作为核心的语音处理系统[1]。
数字化原理语音电路是一种集语音合成技术、大规模集成电路技术以及微控制器技术为一体的新型综合型技术，利用它可以很容易的实现语音的可控制。
为了克服集成芯片音量不能放大、智能性比较差、语音采集的时间比较固定同时还要增加硬件投资，并且在一些由单片机构成的测控系统中，由于单片机接口有限，还需要扩展硬件接口线路等诸多缺点，本系统则采用了另外一种方案：
没有采用专用的语音处理芯片，不需扩展接口电路[2]。
而是以AT89C52单片机为核心，采用滤波、放大等电路设计了一套可以灵活的实现语音的采集、并将其在PC机上显示出来的系统。
这种方法为以单片机为中心的测控系统语音操作提供了一种新的思路[3]。
1.2课题研究的意义
掌握语音采集的原理和具体过程，并实现单片机与PC进行的通讯。
在此过程中涉及大学所学的数模电，单片机，信号与系统，通信原理等知识。
在实践中把大学所学应用于实际中，从而达到毕业生的目的。
单片机控制语音采集，其实就是将模拟化的语音变成数字化的语音，而数字化具有以下几个的特点：
（1）数字信号和模拟信号比较而言，数字信号是加工信号。
加工信号对于有杂波的外部环境以及易产生失真的电路来说应该具有较好的稳定性。
可以说，数字信号非常适用于易产生杂波和波形失真的数据等远距离传送使用。
数字信号传送具有稳定性好、可靠性高的优点。
相关软件对程序进行编写与仿真[4]。
（2）数字信号需要使用集成电路和大规模集成电路，但是计算机易于处理数字信号，同时数字信号还特别适合于数字特技和图像处理。
（3）数字信号处理电路简单，它没有模拟电路里的各种调整，因而电路工作稳定，技术人员能够从日常的调整工作中解放出来。
（4）可以很容易的对数字信号进行加密，这对商业经营、版权保护、军事经济情报保密和信息高速公路的安全是十分必要的。
因此,从信息产业向社会提供服务和对信息产品的实际要求出发,采用数字化方案是很必须的[5]。
综上，研究数字化的意义重大。
1.3数字化处理的前景
语音采集的过程就是数字化的过程，数字化和信息化有着密不可分的联系，进而影响着科技进步的现代化进程。
在在新经济时代，推动时代发展的根本力量，仍必将是信息化和科技进步推动的全球经济一体化。
对科技进步的现状（包括数字技术）与经济发展前景的联系，会引起人们的各种思考。
一方面，数字技术对推动科技进步（以新颖性、创造性、实用性为标准）带来的机遇，不容忽略；另一方面，人类综合能力、实践能力和创新能力的提高，也会推动数字信息化在更宽阔的领域里有新的创造[6]。
人类通过对信息的处理来认识客观的世界，又是通过对信息的应用实践来改造世界的。
人们可以认为，信息处理的数字化技术，一定和其他任何事物的发展规律一样，只是信息处理的一个阶段：
反映了从模拟到数字的飞跃，但是在这个阶段将会停留很长时间让我们去发展它、去完善处理它的方法。
数字处理绝不是信息处理方法的终极方案，也不是没有缺陷的方案（比如不适合用它处理频率很高的信号等）。
数字化处理技术对人类的贡献已经十分明显，而信息处理的数学方法对科学技术的推动作用更是不可估量的，数字化革命已经渗透到了人类生活和工作的各个方面。
而且，人类正以信息处理主宰者的姿态，不断实践，绘制着自己更加丰富多彩的光明未来[7]。
数字化已经成为了时代的主流发展的趋势。
1.4课题任务要求
本次设计的主要目的是将单片机信息处理技术应用到数字化语音采集系统中，依靠单片机可再次开发的独特的优势设计一个简单实用的数字化语音采集系统，按照规定要求能够实现对语音信号的采集和能够将其波形显示在PC机上的功能。
前置放大滤波部分能够完成包括对语音信号的采集、放大滤波等功能，信号通过ADC0804实现对模拟信号的数字化。
单片机作为处理器对信息进行处理，之后经过串口通信，将其波形在PC机上显示出来。
需要考虑的有：
拾音器的阻抗问题，放大器的输入阻抗，滤波器的通阻带的要求，单片机的而执行速度以及人机接口功能。
本次设计分为软、硬件设计两部分，硬件部分完成数据的采集、放大、滤波、AD转换等系统功能。
软件部分则为单片机的程序设计和在PC机上显示波形进行控制。
课题任务的内容：
信号采集、信号放大与滤波、A/D转换、单片机程序设计，应用端程序设计。
1.5本文的主要内容
本课题主要研究信号采集，滤波放大电路以及AD的转换，利用52系列单片机进行数据控制和处理和串口通信。
研究工作包括52单片机的原理应用及接口电路的连接和软件的编程调试。
为了实现语音采集并将其在PC机上显示出语音波形的功能，本文主要研究工作如下：
首先，进行语音采集系统设计的分析与设计。
主要介绍语音采集系统的性能指标、工作原理、外接电路接口技术等。
设计语音采集系统，使之具有无失真实现语音波形的显示的功能。
然后，进行语音采集系统的硬件设计。
主要包括单片机最小硬件系统、模数之间的转换，滤波器的使用，串口通信的分析与设计。
根据语音频段的范围及要求，选择传感器。
最后，进行系统的软件设计。
主要通过keil软件进行程序的编写并使用Multisim10进行各个部分的模拟仿真。
2系统方案论证
语音采集系统设计的主要原理是：
用拾音器来进行语音采集，而采集到的语音信号将会由声音信号转换成电信号，由于采集到的信号太小，而与后面AD转换输入信号大小不符，故需要经过放大器放大，此时的信号由于没有滤波，会有各种频率的信号混合在一起，致使采集到的信号质量不高，需要通过二阶低通滤波器滤波，这样能够保证得到高质量的信号。
单片机只能控制数字信号，所以要通过模数转换将模拟信号转换成数字信号，然后通过单片机的串口向计算机发送。
最后在计算机端的应用程序接收这些信号并显示。
整个框架图如图2.1所示：
图2.1总体框架图
系统组成如图所示,该系统根据所实现的功能分为六大模块三大部分，第一个模块为信号采集，第二模块为信号放大和滤波，第三模块为AD转换，此三大模块为输入部分；第四模块为单片机，此模块为单片机控制部分；第五模块为串口，第六模块为计算机端应用程序[8]，这两模块为输出部分。
拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25mV，此电信号太小不能够进行采样。
后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V,故将语音信号调整为动态的0~5V，就是将其放大为200倍左右。
考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。
此处将其通过一增益为46dB的放大器，因此，将二阶低通滤波器设计为可通过典型的300Hz~3.4kHz信号,这样既可滤掉低频分量又可滤掉A/D转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。
根据奈奎斯特抽样定理，要使采样信号无失真，则抽样频率最低为6.8kHz，我将其设为8kHz，这样就足够保证语音质量。
经量化后，单片机将数据通过串口传到PC机上，将采集到的语音在PC机上显示出来。
2.1芯片的选择
放大芯片：
选用NE5532。
NE5532是高性能低噪声双运算放大器集成电路。
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。
A/D芯片：
根据题目要求采样频率fs=8KHZ，字长=8位，可选择转换时间不超过125µs的八位A/D转换芯片。
目前常用的A/D转换实现的常用方法有：
双积分式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、计数型A/D转换等。
逐次逼近型A/D转换由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，顺序的增加内部D/A的输入值，并将其输出电压与A/D测量输入电压比较，当二者相等时，内部D/A的输入值就是A/D转换的结果。
这种方法的主要优点是速度快、功耗低；主要缺点是抗干扰性差。
鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片ADC0804。
ADC0804是8位全MOS中速A/D转换器、它是逐次逼近式A/D转换器，片内有三态数据输出锁存器，可以和单片机直接接口。
单通道输入转换时间大约为100us。
ADC0804转换时序是：
当CS＝0许可进行A/D转换。
WR由低到高时，A/D开始转换，一次转换一共需要66－73个时钟周期。
CS与WR同时有效时启动A/D转换，转换结束产生INTR信号（低电平有效），可供查询或者中断信号。
在CS和RD的控制下可以读取数据结果。
串口芯片：
选用MAX232。
RS232C是一种电压型总线标准，可用于设计计算机接口与终端或外设之间的连接，以不同的极性的电压表示逻辑值。
-3至-25表示逻辑“1”，+3至+25表示逻辑“0”，其电平是TTL和CMOS电平是不同的，所以在通信时必须进行转换。
MAXIM公司的MAX232接收/发送器是MAXIM公司特别为满足EIA/TEA2232的标准而设计的，它们具有功耗低、工作电源为单电源、外接电容仅为0.1uF或1uF的电容，其价格低，可在一般需要串行通信的系统中使用。
MAX232引脚C1+与C1-、C2+与C2-、V+与VCC、V-与GND之间的4个0.1uF的电容不可缺少，一般选用陶瓷介质的电容。
MAX232可以用作单片机和单片机之间、单片机和PC机串口之间的符合RS232串行接口电路。
只要将待进行串行传输的设备的发送和接收端相应的接上，编程即可。
单片机：
宏晶的STC89C52。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
3系统硬件设计
3.1拾音器
拾音器本质上是一种声传感器，它能够把外界声场中的声信号转换成电信号。
它在语音通讯、噪声的控制、环境的检测、音质的评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学等方面有广泛的应用[9]。
它有多个种类，按照它的特点和频率等可以将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器等。
单纯的磁性拾音器工作的电学原理为当声音在铜丝绕制的线圈内震动切割被该线圈所缠绕的磁芯产生的磁感线时，线圈内感应出电信号并流出。
拾音器包括拾音头（换能装置、唱针）和音臂等附件。
其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等。
电磁式拾音头，用电磁感应原理，将机械振动变换成电信号的幅度响应拾音头。
主要由线圈和磁钢等组成。
唱针耦合在线圈上的称动圈式，耦合在磁钢上的称动磁式。
此外，也有将唱针耦合在衔铁上的称为动铁式，也称可变磁阻式。
因为动圈式拾音器的音质比较好，并且使用方便，所以在本设计中采用动圈式拾音器。
3.2前置增益放大器
拾音器输出的信号实际范围约为20~25mV，由于此电信号太小不能够进行采样。
后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为100倍左右（后级的二级低通滤波器可放大2倍，也就是总共放大200倍），此处信号通过放大器后将其放大到伏特量级。
为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大，我们采用由运放NE5532构成的高输入阻抗的放大器。
NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器，具有以下特点：
（1）小信号带宽为10MHz。
（2）输出驱动能力强为600Ω，10V的有效值。
（3）输入噪声电压为5nV/Hz。
（4）直流电压增益可达50000。
（5）交流电压增益为2200-10kHz。
（6）功率带宽为140kHz。
（7）转换速率可达9V/μs。
（8）大的电源电压范围为±3V-±20V。
（9）单位增益补偿。
为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大,每级放大器的放大倍数按下式计算:
（3-1）
（3-2）
前置放大电路如图3.2所示：
图3.2前置放大器
3.3滤波器设计
滤波器的作用：
让一定频率范围内的信号通过，同时将此频率范围之外的信号加以抑制或者使其急剧衰减；当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，使用滤波器可以非常有效的抑制干扰[10]。
由于采集到的声音大都集中在低频。
如果要求采集到的信号有较高的质量，就不希望高频成分混入，设计一个有源二阶低通滤波器显得很重要。
二阶低通滤波器与一阶低通滤波器相比，下降的速度要提高一倍，使滤波特性比较接近于理想情况。
在一般的二阶低通滤波器中，可以将两个电容的下端都接地。
但是第一级的RC电路的电容不接地而改接到输出端，这种接法相当于在二阶有源滤波电路中引入了一个反馈。
这样接的目的是为了使输出电压在高频段迅速下降，但在接近于通带截止频率的范围内又不要下降太多，从而有利于改善滤波特性。
滤波器的作用是：
（1）保证200—3400Hz的语音信号不失真的通过滤波器；
（2）滤除通带外的低频信号，以减少带外的音频分量的干扰，大大减少噪声影响；
图3.3为二阶低通滤波器的设计图：
图3.3二阶低通滤波器
这里取等效品质因数Q=1。
通带电压放大倍数为
（3-3）
通带截止频率为
（3-4）
等效品质因数Q为
（3-5）
首先选定电容C=1000pF，f0=3.1KHz，可计算得：
R4=R5
50K
。
为使集成运放两个输入端对地的电阻平衡，R10//R11=2R4。
R10=R11=4R4=200K
。
3.4ADC0804的主要特性和结构
ADC0804的主要电气特性如下：
工作电压：
＋5V，即VCC＝＋5V。
模拟输入电压范围：
0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。
分辨率：
8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0～255之间。
转换时间：
100us（fck＝640KHz时）。
转换误差：
±1LSB。
参考电压：
2.5V，即Vref＝2.5V。
图3.5ADC0804的管脚图
3.4.1ADC0804的转换原理
ADC0804是属于逐次逼近型的A/D转换器，以输出8位的ADC0804动作来说明“逐次逼近型A/D转换”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。
第一次寻找结果：
10000000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第二次寻找结果：
11000000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第三次寻找结果：
11000000（若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）
第四次寻找结果：
11010000（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第五次寻找结果：
11010000（若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）
第六次寻找结果：
11010100（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第七次寻找结果：
11010110（若假设值≤输入值，则寻找位＝假设位＝1）
第八次寻找结果：
11010110（若假设值>输入值，则寻找位＝该假设位＝0）
这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图3.5的模拟输入电压Vin2.分辨率与内部转换频率的计算。
对8位ADC0804而言，它的输出准位共有
＝256种，即它的分辨率是1/256，假设输入信号Vin为0～5V电压范围，则它最小输出电压是5V/256＝0.01953V，这代表ADC0804所能转换的最小电压值。
表1-1列出的是8～12位A/D转换器的分辨率和最小电压转换值。
表1-1A/D转换器的分辨率和最小电压值
位数目
分辨率
最小电压转换值
8
1/256
0.01953V
10
1/1024
0.00488V
12
1/4096
0.00122V
至于内部的转换频率fCK，是由图3.6的CLKOUT（19脚）、CLKIN（4脚）所连接的R13、C6来决定。
图3.6ADC0804的设计图
频率计算方式是：
更换不同的R、C值，会有不同的转换频率，而且频率愈高代表速度愈快。
但是需要注意R、C的组合，务必使频率范围是在100KHz～1460KHz之间。
控制ADC0804动作的信号应该只有CS、WR、RD。
其中INTR由高电位转为低电位后，代表ADC0804完成这次的模拟/数字转换，而DB0～DB7代表是转换后的数字资料。
动作大概可分成4个步骤区间——S0、S1、S2、S3，每个步骤区间的动作方式下：
步骤S0：
CS＝0、WR＝0、RD＝1（由单片机发出信号要求ADC0804开始进行模拟/数字信号的转换）。
步骤S1：
CS＝1、WR＝1、RD＝1（ADC0804进行转换动作，转换完毕后INTR将高电位降至低电位，而转换时间>100us）。
步骤S2：
CS＝0、WR＝1、RD＝0（由单片机发出信号以读取ADC0804的转换资料）。
步骤S3：
CS＝1、WR＝1、RD＝1（由单片机读取DB0～DB7上的数字转换资料）。
由上述步骤说明，可以归纳出所要设计的单片机动作功能有：
负责在每个步骤送出所需的CS、WR、RD控制信号。
在步骤S1时，监控INTR
号是否由低电位变高电位，如此以便了解ADC0804的转换动作结束与否。
在步骤S3，读取转换的数字资料DB0～DB7
3.5单片机
单片微型计算机简称单片微机或单片机。
它是一种把芯片中集成中央微处理器、随机存取存储器、只读存储器、定时/计数器以及I/O接口电路等部件，构成了一个完整的微型数字电子计算机。
其具有很多优点：
高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠等。
也正是由于单片机具有上述显著的特点，使得单片机的
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