基于单片机的数码录音与播放系统毕业设计资料.docx
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基于单片机的数码录音与播放系统毕业设计资料
基于单片机的数码录音与播放系统
学生：
指导教师：
内容摘要：
随着语音处理技术在工业、交通、通信等不断应用和消费类电子不断繁荣，人们对具有数码录音与播放功能的产品的需求也在不断的增加。
为了更好的满足人们日常生活、工作，选用凌阳单片机为核心，通过麦克风接收语音信号，使用存储器来存储语音信息从而实现录音和播放功能。
基于该功能的系统应用于录音较长的场合。
如自录语音提示、温度检测储存播放系统等方案。
本次设计的硬件电路主要包括MIC录音电路、DAC放音电路、按键电路、复位与时钟电路、外部W29C040储存器扩展电路组成。
把语音信号经过搭建电容、电阻，送入前置放大器和内部集成的自动增益（AGC）处理，作为录音部分；而DAC放音部分，经过语音集成放大器SPY0030A放大，再接上扬声器，实现了语音的录放功能。
芯片体积小、集成度高、易扩展、中断处理能力强等特点。
关键词：
凌阳单片机W29C040储存器数码录音与播放
ThedigitalvoicerecordingandplayingsystembasedonSCM
Abstract:
Withspeechprocessingtechnologyintheindustrialapplicationsuchastrafficcommunicationandconsumerelectronicsrisingprosperity,peopleonthedemandoftheproductswithdigitalrecordingandplaybackfunctionshavebeenincreasedinordertobettermeetPeople'sDailylifework,choosesunplussinglechipasthecore,throughamicrophonereceivesthevoicesignal,usingthememorytostorethevoiceinformationsoastorealizetherecordingandplaybackfunctionsbasedonthefunctionofthesystemisappliedinthetapelongeroccasionssuchastherecordedvoiceprompttemperaturedetectionstorebroadcastsystem.
ThedesignofthehardwarecircuitmainlyincludestheMICrecordingDACplaybackcircuitresetbuttoncircuitandclockcircuitexternalW29C040storageextendedcircuitofthespeechsignalafterstructures,capacitanceresistance,intothepreamplifierandinternalintegrationautomaticgain（AGC）processing,astherecordingpart;AndsoundpartisputDAC,SPY0030Avoiceintegratedamplifieramplificationprocess,thenconnectthespeaker,torealizethefunctionofvoicerecorderschipsmallvolumehighintegrationeasyextensioninterrupthandlingability.
Keywords:
SunplussinglechipW29C040packetdigitalrecordingandplayback
基于单片机的数码录音的播放系统
前言
随着科技发展，社会的进步，语言的处理在各领域变得越来越重要。
生活中也变得广泛，例如智能手机,电脑诸如此类变得很多。
过去，我们用磁带来对我们需要的信息进行记录，储存。
具有这样功能的电子产品很多，但它们的体积都比较大，给我们带来诸多不便。
而单片机录音系统帮我们改变了这一点，它体积小，以数字电路为基础与微处理器连接，用数字语音电路实现录音播放的功能。
目前的数字录音系统，只能简单的进行数据采集，播放和储存，目前对设备储存的需求越来越大，所以在未来语音编码会变得越来越重要，方便减少储存空间的需求。
本次设计是设计一套包含数码录音与播放的单片机系统。
以凌阳16位单片机SPCE061A为核心与W29C040外部储存器相连达到实现的目的。
系统包含DAC放音电路，MIC录音电路，复位与时钟电路，按键电路和W29C040储存器扩展电路。
通过以上设计，可以达到录放音效果。
1单片机的数码录音与播放的概述
伴随着然门对语言处理的不断研究，越来越多的数码录音产品受到人们的青睐。
从使用磁带到现在的微处理器外加语音芯片的技术成长，使语音更加趋向完美。
国内外研究的不断成熟，预示着语音功能的重要性。
因此，基于单片机的数码录音与播放系统变得非常有意义。
我们可以通过凌阳单片机SPCE061A和外部储存器W29C040来实现。
1.1录放音的背景和意义
随着科学技术与经济的发展，语音的录音与播放越来越普遍。
诸如，学校，公安，铁路等单位对语音的需求量也变得更多。
目前，应用在家用电器、生活娱乐、安保系统、办公自动化、多媒体系统等等的语音录放音技术如果能在适当的时候实施其功能对系统发出警告、工作状态、提示等信息，不但提高了通信能力、人们的生活质量还给我们带来了方便。
在研究录放音的过程中，过去人们用磁带。
用磁带进行语音录放储存的方法已经有很长时间了，介于这种方式的产品随处可见，但体积大，使用范围小。
而数字录音却是将模拟信号转换成数字信号，并储存在相关介质中的一种数字语音处理技术。
这种技术具有占用空间小、保存时间长、录音时间久、效率高等优点。
单片机凭借其低电压、低功耗、稳定性高等特点广受研究者与消费者的喜爱，并被广泛应用在诸多领域，充分实现了其语音录放的价值，具有很高的发展前景。
1.2录放音的发展前景
日常生活中指示灯、按键开关、广告显示屏，我们随处可见。
相较语音无疑没有办法更有效更人性化的跟我们实现互动。
语音对话方式是我们发展的最终目标，但距离真正意义上的对话方式还相距很远，还有待继续努力突破。
我相信随着信息的发展，网络通信的不断完善等一系列相关技术的发展与实现，这一梦想的实现总有一天会成真。
尽管语音系统集成电路发展历史较短，但其凭借电体系庞大、应用范围广、发展前景广等优点发展迅速，成为新一代宠儿。
目前，语音系统集成电路从过去单一的功能向微型化、多功能、智能化发展。
伴随着微电子技术的突飞猛进，语音合成技术也受益匪浅，并产生很多新领域的新技术，朝着大容量、优音质、高智能、高灵活性方向发展。
而凌阳单片机SPCE061A的语音系统符合以上发展前景。
1.3录放音的设计思想
基于单片机的数码录音与播放系统的设计，是基于单片机为核心，选择在语音系统方面优秀的凌阳单片机，无需语音芯片。
用凌阳单片机为核心，并连接外部储存器W29C040来扩展其存储空间，实现数码录音和播放功能。
设计MIC录音电路时，先分析其原理，通过MIC电路采集语音资源把语音信号转换成电信号，然后采集数据，将模拟数据信息变成数字信号，这是AD过程，然后将信号输送到SPCE0611A单片机的前置放大器，通过前置放大器的数据信息到达其内部增益控制电路，并自动跟踪前置放大器音频信号的电平，根据跟踪结果进行自动调节，达到平衡。
由于凌阳单片机内部储存有限，所以需要一款外部存储器来存储此数据信息，达到更长的录音时间，因而选用外部存储器W29C040。
设计DAC放音部分时，因为语音资源储存到储存器当中时，需要把语音资源从储存器W29C040取出解压，进行数据解码，在定时中断的情况下进行数模转换，录放音过程中需要用定时器进行均匀采集数据，模拟语音信息滤波、放大，并用扬声器进行放音。
关于程序设计，使用汇编语言对录音部分进行编程，使用C语言对放音部分进行编写，整体过程需要使用凌阳单片机的库函数、相应的API应用程序接口来编程。
2单片机的录放音方案选择
随着集成电路不发展和半导体技术的不断提高，单片机的功能也在逐渐加强，其在社会的需求量也在不断的增加。
单片机的种类繁多，所以需要选择正确的单片机用来实现录放音的功能。
2.1单片机的发展
在人们的日常生活和现代社会的生产活动中，单片机有着其广泛应用。
单片机价格低、功能强、价格低、使用灵活等特点，具有非常明显的优势和广泛的应用前景。
显然现代电子技术领域包含单片机这一非常重要的技术。
单片机（OneChipMicrocomputer或SingleChipMicrocomputer）将CPU和具有一定容量的随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器（TIMER/COUNTER）、并行输入输出接口和串行通信接口等多个功能部件利用半导体集成技术集成一个芯片上，形成具有完整计算机功能的大规模集成电路，并具备独立的指令系统智能器件。
就是将一台微型计算机的基本功能在芯片上实现。
利用单片机作为控制中心，简单控制对象，无需增加外部设备；而复杂的控制对象，也只需扩上一些器件在单片机的基础上就能完成。
随着计算机和单板机的发展，单片机在智能测控系统中发展起来。
单片机处理能力得到了提高是伴随着数据传输能力的提高，运算能力的提高和处理系统指令速度的提高；程序加密和储存容量加大使存储器更加优化；接口编程能力增加改进了接口、增加并行口的驱动能力；采用外围集成电路和串行总线结构使结构得到简化；再加上体积不断减小和降低功耗。
综上所述，单片机的性能得到不断地提高和完善。
并且单片机的市场需求量也在日益增长。
时至今日，在后PC时代，基于嵌入式系统单片机得到广泛使用。
伴随着微电子技术的不断发展，单片机的功能也越来越强大，电子系统设计也进入片上系统（soc，systemonchip）时代。
凌阳公司研发的
nSP™单片机就是基于SOC的新型数/模混合的系统芯片。
该系统芯片具有集成度高，功能全面，数/模混合，易扩展等特点，也顺应了单片机的发展趋势。
2.2方案选择
在工业技术不断革新和集成电路大规模的影响下，单片机片内不断扩展外围电路功能和片上系统（SOC）发展，也包含数字逻辑电路部分，既有数据采集和控制系统常用模拟部件，也包含数字逻辑电路部分，实现了应用系统在片内的集成。
凌阳公司研发的
nSP™单片机就是基于SOC的新型数/模混合的系统芯片。
以
nSP™CPU为内核，根据功能模块需求为选择合适的结构。
对不同应用需求和不同领域，形成不同体系，进而实现更低成本和更强的功能的优化，体现凌阳16位单片机基于SOC的结构特点。
凌阳16位单片机能够提供了特殊指令，并在应用添加上DSP功能，充分在语音处理能力方面有发挥着它的优势。
✦80C51方案：
51单片机是目前我国应用最广的单片机，并且我们学习也是51单片机。
虽然它在功能上也在不断提高，但51单片机的DSP处理能力方面比较弱，处理复杂数据的能力的有待提高，集成化程度不高，处理复杂数据的能力的有待提高。
✦凌阳方案：
凌阳单片机集成度高，内部集成了2路DA转换和8路的AD转换，该芯片具有DSP处理能力,而且AD转换中专门用于声音的数/模转换，并且凌阳单片机在语音的处理能力方面有优势。
W29C040的储存器是台湾华邦公司生产的W29C040的储存器是一款FLASH储存芯片，利于它储存的语音数据资源，可以播放几分钟的声音。
凌阳16位单片机易学易用的，包含一套指令系统和集成开发环境效率较高。
此环境提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，很容易完成语音录放，并且支持C语言，可实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用。
凌阳是51单片机和DSP之间的优劣互补。
通过比较，选用凌阳单片机SPCE061A和外部存储器W29C040来实现基于单片机数码录音与播放系统的设计。
3单片机的录放音硬件设计现
根据选择的方案，设计一套具有录放音功能的系统，选用凌阳单片机因为具有体积小、集成度高、易扩展等优点。
为了实现录放音的功能，需要对其进行硬件的设计。
3.1凌阳SPCE061A单片机概述
3.1.1凌阳SPCE061A单片机介绍
随着集成电路功能日渐成熟，单片机也由单纯的控制扩展到控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP）等领域。
凌阳单片机SPCE061A应运而生。
SPCE061A是继
nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的16位微处理器。
凌阳科技设计的
nSP™单片机具有集成度高、可靠性好、易于扩展、体积小、中断处理能力强等特点，并且集成在一个芯片里，内部采用总线结构设计，提高了可靠性和抗干扰能力，还减少了各功能部件之间的连线。
凌阳单片机内嵌32K字的FLASH存储器，具有较高的处理能力，使μ’nSP™单片机可以简单、快速地处理复杂的数字信号。
3.1.2凌阳SPCE061A单片机性能
SPCE061A单片机的主要性能：
✦电源电压范围较宽：
2.6V-5.5V
✦系统时钟范围较广：
0.32MHZ-49.15MHZ
✦内部设置32K字FLASH和2K字SRAM
✦中断处理能力强
✦具有可编程音频处理功能
✦两个16位可编程T/C
✦两路10位数/模转换（DAC）输出通道
✦七通道10位电压模/数转换器（ADC）
✦内部设置自动增益控制（AGC）电路和MIC麦克风放大器
✦内部设置在线仿真ICE接口
3.1.3凌阳SPCE061A单片机的内部结构
图3.1.3-1和图3.1.3-1是SPCE061A单片机内部模块结构。
主要包含有模/数转换器（ADC）、数/模转换（DAC）、WATCHDOG、定时器/计数器、定时器/计数器T/C（脉宽调制输出PWM）、并行输入输出I/O、设备串行口SIO、低电压检测LVD、异步串行通信口等。
图3.1.3-1SPCE061A内部模块结构图
图3.1.3-1SPCE061A的内部结构图
3.2凌阳
nSP™内核结构
凌阳SPCE061A单片机采用凌阳
nSPTM内核，
nSPTM内核主要由算术逻辑运算单元、总线、中断系统及堆栈、寄存器组等组成。
nSPTM算术逻辑运算ALU具有出色的运算能力，在内积运算、带移位操作的算术逻辑运算、16位基本的算术逻辑运算、以及应用于数字信号处理的16位乘法运算等运算出色；而寄存器组有专业寄存器和通用寄存器之分，由8个16位寄存器组成，。
专用包括SP、BP、SR、PC，通用包括R1~R4。
3.3系统时钟和复位电路
3.3.1时钟电路
振荡是指单片机内部具有振荡电路和选频放大器，若振荡信号从外接晶体输入端输入，单片机就会振荡。
时钟电路从输入端输入和输出端引到芯片外部构成。
晶振选用频率32768Hz，两端分别连接20p的接地电容，并连接单片机OSCI、OSCO两个引脚上。
如图3.3.1-1所示：
图3.3.1-1时钟电路图
3.3.2锁相环电路
锁相环：
倍频系统提供的实时时钟基频（32768Hz），调整到20.480MHz、24.576MHz、32.768MHz、40.96MHz、49.152MHz，作为系统时钟FOSC。
24.576MHz是系统默认的自激振荡频率位。
锁相环电路是由电路和电容组成。
如图3.3.2-1所示：
图3.3.2-1锁相环电路图
3.3.3复位电路
复位即使单片机的内存值和寄存器变成初始值的操作。
RES_B加一个低电平就可以使凌阳SPCE061A单片机的复位电路复位。
如图3.3.3-1所示：
图3.3.3-1复位电路图
3.4按键电路
按键电路的语音录放通过产生中断来控制，其电路包括播放、录音、暂停、三种功能。
如图3.4-1所示：
图3.4-1按键电路图
3.5MIC录音电路
凌阳SPCE061A单片机的A/D转换器包含8个通道，MIC-IN录音输入通道用于对语音进行采样。
MIC将语音信号转换成电信号，直流部分被隔直电容隔掉，再输入SPCE061A的内部前置放大器。
AGC是SPCE061A单片机内部自动增益控制电路能监视前置放大器输出的音频信号电平随时跟踪。
AGC会根据输入电平信号的变换而自动进行增大或减小放大器的增益，确保输入A/D的信号保持在最佳电平。
VMIC是麦克风电源（+3.7V），它经过电阻、电容滤波加在R4、MIC、R8三者串联的通路中。
MIC可以理解为随声压变化的电阻，MIC的1、2引脚之间的电压差随声音的大小和频率变化。
然后这个具有直流分量的两个信经过两个电容就加到061A的MICP和MICN两个引脚，经过061A的自动增益放大后送入AD转换器，生成数字量的音频电压值。
MIC录音输入电路如图3.5-1所示
图3.5-1MIC录音电路图
3.6DAC放音电路
取出外部储存器W29C040中储存的语音数据，通过解码以8kHz的速率进行D/A转化输出，电容滤波后，恢复原始语音数据波形，并经过SPY0030进行语音放大处理。
DAC恒流源的变化范围为0-3mA是可有程序控制的恒流源输出。
把DAC的J2与引脚1相连，并连接一个R10的电阻接地，从而为程序产生可变的恒压源，最大电压3V。
外接电阻小于1K,恒流源可以短路。
为不影响恒流源的输出精度，电阻应小于1K时，恒流源只能工作在0-1.5mA范围。
连接2、3引脚，R9产生恒压。
DAC输出音频信号，高频阶梯信号被C25过滤，保留音频信号，再经过C23隔直，隔离音频信号当中的直流分量，交流信号经过音频放大器SPY0030阻抗变换输出，即可驱动喇叭发声。
如图3.6-1所示：
图3.6-1DAC放音电路图
3.7外部储存器W29CO40电路
科技的发展带动所有电子产品，同样语音功能的电子产品也得到了广泛的应用。
但语音数据单靠芯片自身的容量显然不够，需要外部储存器，W29C040就是其中一款。
W29C040可以储存凌阳格式的语音资源，长达几分钟，适用于各种需要录音较长的需求。
系统提供W29C040的读写模块，该模块可以应用于W29C040同系列的相关的芯片中。
⏹W29C040的介绍
W29C040DIP封装芯片有32脚，电压为5V，内部512KI*8位的快速闪存，它的结构为256kb为一页，单页擦写时间为5ms,整片擦除时间为50ms。
如表3.7-1所示：
表3.7-1W29C040管脚表
管脚名称
功能描述
A0-A18
地址的输入口
DQ0-DQ7
数据的输入输出口
#CE
片选脚
#OE
读脚
#WE
写脚
VDD
5V
VSS
地
⏹W29C040读写时序图
◆读时序图
W29C040读的时序如图3.7-1所示：
图3.7-1读时序图
◆在数据保护模式下的页写时序图
数据模式下的页写时序如图3.7-2
图3.7-2写时序图
◆写结果判断时序图
结果判断如图3.7-3
图3.7-3结果判断图
⏹W29C040写、擦除流程图
凌阳SPCE061A单片机若要使用闪存，必须先在闪存编程前，对其进行擦除。
当给出的地址在某个模块地址范围内，当给出的地址向命令用户接口写入模块擦除命令时，相应的模块就被擦除。
◆片擦除流程图和去掉写保护流程图
去掉写保护流程如图3.7-4和擦除流程如图3.7-5
图3.7-4写保护流程图图3.7-5擦除流程图
◆页写流程图和写结束判断流程图
页写流程如图3.7-6和写结束判断流程如图3.7-7
图3.7-6页写流程图图3.7-7写结束判断流程图
3.8单片机与外部储存器连接电路
SPCE061A单片机与W29C040外部储存器的连接图如图3.8-1所示：
图3.8-1外扩连接图
4单片机的录放音软件设计
4.1凌阳音频的介绍
4.1.1音频概述
我们日常所说的人类正常听到声音的频率范围在20Hz-20kHz，即是我们说的音频范围。
在这个声音的范围内，可以分为音乐信号、声音波形信号和语音信号三种。
其中自然界中的声音是波形信号，是声音数字化的基础。
通常语音也可以用波形声音表示，而波形声音表示不出得声音信号，因为语音是一种抽象的信号，是语音的载体，是社交的一种工具。
而至于音乐更是高级的声音信息，它虽然不能符号化说有声音信息但是使声音符号化。
4.1.2数字音频的采样和量化
因为音频信号是连续的信号，是模拟的信号，而计算机所采用的示数字算法，所以需将模拟的音频信号进行数字化处理。
数字化模拟信号有很多种方式，如今，最常用的一种方法是采用A/D算法进处理信号的波形，可以通过波形编码、参量编码等方式实现。
数字化音频模拟信号分为两个方面，分别是采样和量化，也包括音频设备质量、声道的数目等。
4.1.3音频格式
音频文件通常分为声音文件和MIDI文件两类。
●声音文件：
通过声音录入设备进行录制原始的声音信号，直接记录了真实的二进制数据文件比较大。
声音文件的格式包含的形式很多，有WAVE文件、AIFF文件、AUDIO文件、MPEG文件、REALAUDIO文件等，现在使用最多是WAVE文件和MPEG文件，其他文件也经常使用。
●MIDI文件：
MIDI是跃起数字接口的英文缩写，它是一种音乐演奏指令序列，相当于乐谱，可以利用声音输出设备或与计算机相连的电子乐器进行演奏，由于不包含声音数据，文件较小。
相对于保存真实数据的声音文件，MIDI显得更加紧凑。
4.1.4语音压缩编码基础
语音压缩编码中的数据量的表达式是指：
数据量=[（采样频率×量化位数）/8]×声道数目。
压缩编码的目的是通过对数据的压缩，达到高效率储存和数据转换的目的。
即是在保证一定音质的情况下，以最小的数据量来表达和传送声音数据。
实际上音频数据量比较大，直接进行传输和储存是比较不现实的，我们要对信号趋势的预测和冗余信息处理进行数据压缩，这样可以减少对资源传输的时间的和对储存更多的语音数据。
采用压缩编码的技术可以既保证对音频的原始声音的保持同时也保证了对数据传输和储存容量的要求。
比如没有经过压缩编码的一张CD录制一分钟的歌曲需要占用Mb，如果对原始数据进行压缩编码，先对其采样后进行编码，就可以把它压缩到5.5Mb，储存容量减小了一半，采用不同的编码技术可以压缩到更小。
常见的几种音频压缩编码如下：
●波形编码
所谓波形编码是把时间域信号直接变换为数字代码，使现在生产的波形保持原来波形的图像。
波形编码的原理是在时间轴上对模拟语音信号按一定的速率抽样，然后按幅度样本量化、编码。
译码则是将数字序列经过译码和滤波恢复成模拟信号，是编码的逆过程。
特点就是语音质量高、数码率高，适合高保真音乐和语音场合。
如脉冲编码调制PCM、差值脉冲编码调制DPCM、自适应传输编码ATC等。
●参量编码
参量编码是叫声源编码，是将信源信号在频率域或者其他正交变换域提取特征参数，并将其变成数字代码进行储存和传输的过程。
它是在同原始语音数据有很大变化的情况下，对语音信号进行提取特征参数和编码重建语音信号，译码是其逆过程。
参量编码的比特率可以压缩到2～4.8kb/s，甚至更低
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