完整版数字化语音存储与回放系统方案附带程序Word下载.docx

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2.6存储器的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

2.7键盘的设定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3模块接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3.1AT89C51和AD574的接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

3．2DAC0832与单片机的接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

3.3存储芯片与单片机的接口原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

4系统接口总图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

3.5系统的校正．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17

4软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

5结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

答谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

附录：

总程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

专业：

电子信息科学与技术姓名：

李进国

指导老师：

彭光含

摘要:

本文介绍的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代传统的磁带语音录放系统。

其基本原理是对语音的录音与放音的数字化控制。

为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩，同时,该系统对语音信号分别采用了数据采集直存直取,欠抽样采样和自相似增量调制等三种方法,完成了对语音信号存储与回放。

关键词：

数字化存储，回放，数字滤波，采样，模/数转换，校正

DesignofDigit-VoiceRecorderandPlaybackSystem

ElectronicsandInformationScienceandTechnology

Advisor:

PengGuanghan

Candidate:

LiJinguo

Abstract:

Thedigit-voicerecorderandplaybacksystemthatthispaperintroducescanbesubstitutedfortraditionaltaperecordsystem.Itsbasicprinepleisthedigitalcontrolfortherecowdeandplaybackofvoice.Forincrease，toincreasepronunciationstoretimeandraiseutilizationratioofthememory,itadoptsnon-distortedtocompressalgorithmbeforestoringtopronunciationsignalandtodecompressintheplayback.Atthesametime,systemthesystemintroducesthedirectstore&

accessofdatacollection,andAGConacousticsignalrespectivelytostoreandplaybackcompletely.

Keywords:

Digitalstore，Playback,Digitalfilter，Sample，A/DConvert，Correcting

引言

语音信号处理属于信息科学的一个重要分支，大规模集成技术的高度发展和计算机技术的飞速前进，推动了这一技术的发展。

在数字音频技术和多媒体技术迅速发展的今天，传统的磁带语音录放系统因体积大、使用不便、放音不清晰而受到了巨大挑战。

采用单片机对语音进行录放解决体积大的问题。

单片机语音录放系统是以数字电路为基础，利用数字语音电路来实现语音信号的数据化、存储、还原等任务，数据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一种新型技术。

其中关键技术在于：

为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩。

同时，对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰,从而确保了语音回放的可靠质量。

语音集成电路与微处理器相结合，具有体积小、扩展方便等特点，具有广泛的发展前景。

1系统方案论证

语音编码方案：

人耳能听到的声音是一种频率范围为20Hz～20000Hz,而一般语音频率最高为3400Hz。

语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一定幅度的模拟量电信号,然后再转换成数字量的全过程。

根据“奈奎斯特采样定理”,采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍，由于语音信号频率为300～3400Hz,所以把语音采集的采样频率定为8kHz。

从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法[4]。

但要将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。

基于这种思路的算法，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有VQ技术及一些变换编码和神经网络技术，但是算法复杂，目前的单片机速度底，难以实现。

结合实际情况，提出以下几种可实现的方案。

<

1）短时平均跨零记数法，该方案通过确定信号跨零数，将语音信号编码为数字信号，常用于语音识别中。

但对于单片机，由于处理数据能力底，该方法不易实现。

2）实时副值采样法采样过程如图1.1所示。

图1.1采样过程

具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。

其中第三种实现方法最具特色，该方法可使数据压缩比例达到1：

4.5，既有

调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误差不向后扩散。

A/D、D/A及存储芯片的选择：

单片机语音生成过程,可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。

在放音时,只要依原先的采样直经D/A接口处理,便可使原音重现。

1）A/D转换芯片的选择，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125µ

s的八位A/D转换芯片。

目前常用的A/D转换实现的方法有多种，鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片AD574。

该芯片是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换[5]。

2）D/A转换芯片的选择。

D/A转换芯片的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的模拟转换器都能达到1μs的转换速率，足够满足题目的要求，故我们在此选用了通用D/A转换器DAC0832。

3）数据存储器的选择。

当采样频率fs=8KHZ，字长为8位时，一秒钟的语音需要8K字节的存储空间，则存储器至少需要有80k

容量。

在这里我们选用闪速存储器AT29C040作为存储器，一片该芯片可存储60秒钟的语言。

2系统硬件设计

数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换<

A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换<

D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。

整个系统框架图如图2.1所示：

图2.1整体框图

系统组成如图所示,由输入通道、AT89C51单片机和输出通道三部分组成。

输入通道部分由拾音器、前置放大电路和带通滤波器组成；

输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成[9]。

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，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200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路也采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路。

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，将带通滤波器设计为典型的300Hz~3.4kHz,输出级带通滤波器也为300Hz~3.4kHz,这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A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知欲使采样信号无失真，抽样频率最低为6.8kHZ，考虑到留有一定的余地，这样就足够保证语音质量。

经量化后，微处理器将数据存到处理器，需要时再将其回放，存入与放出由开关通过微处理器来控制实现。

存储器的容量选择视所存语音信号的时间长短而定。

为了使A/D的输入信号稳定在其动态范围内，在输入级加上了自动增益控制电路，同时也使音量稳定。

2.1拾音器

拾音器是一种声传感器，声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。

拾音器包括拾音头和音臂等附件，其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等。

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。

在本设计中采用动圈式拾音器。

2.2放大器的设计

增益放大器　　

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，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200倍左右，所以为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大,本系统采用两极高输入阻抗的同向放大器,将其放大到伏特量级，电路图如图2.2所示

图2.2增益放大器

输出放大器　

经带通滤波器输出的声音回放信号，其幅度为0—5V，足以用耳机来收听，可不接任何放大器。

但考虑到实际中经常回用到扬声器外放，故在本系统中增加外放功能，前端放大器采用通用型音频功率放大器LM386来完成[13]。

电路如图2.3所示：

图2.3输出放大器

该电路增益为50～200，连续可调，最大不失真功率为325mW。

输出端接C4、R9串联电路，以校正扬声器的频率特性，防止高频自激．脚7接220uF去偶电容，以消除低频自激．为便于该功放在高增益情况下工作，这里将不使用输入端脚2对地短路．

有源带通滤波器

滤波器是一种能使有用频率信号通过同时抑制（或衰减>

无用频率信号的电子装置。

工程上常用它来作信号处理、数据传输和抑制干扰等。

这种滤波电路主要由无源元件R、L和C组成的有源滤波电路。

此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高而输出阻抗很底，所以构成的有源滤波电路具有一定的电压放大和缓冲作用。

声音信号经动圈拾音器转有源滤波器换成电压信号，通过前级放大，在对其进行数据采集之前，有必要经过带通滤波器除带外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz~3.4KHz，其作用是：

1）保证300—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，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影响，该下限频率可下延到270Hz左右；

3）便于滤除通带外的高次谐波，以减少因8kHz采样率而引起的混叠失真，根据实际情况，该上限频率可在2700Hz左右，带通滤波器按品质因数Q的大小为窄带滤波器<

Ｑ＞10）和带通滤波器<

Ｑ＜10）两种，本题中，上限频率fh=3400Hz,通带滤波器中心频率f0与品质因数Ｑ分别为

f0=

=

=1010HzQ=

显然，Q＜10，故该带通滤波器为宽带带通滤波器。

宽带带通滤波器由高通和低通滤波器级联构成，鉴于Butterworth滤波器带内平坦的响应特性，我们选用二阶Butterworth带通滤波器，电路如图2.4所示：

图2.4带通滤波器

实验证明，该滤波器能有效的滤除低频分量，大大减少噪声干扰，与之同时也绿除了多余的高频分量，消除了高频失真，性能足以满足要求。

2.3可调稳压电源的设计

这里介绍的稳压电源，采用三端可调稳压集成电路LM317，外围电路十分简单，便于制作。

该稳压电源，电压可调范围1.5—25V,最大负载电流1.5A。

电路如图2.5所示：

图2.5可调直流稳压电源

220V交流电经变压器TR1降压,得到24V交流电,再经VD1—VD4组成的全桥整流,由C1滤波后得到33V左右的直流电压。

该电压经集成电路LM317后得稳压输出,调节电位器RV1,即可连续调节输出电压。

图中C2用以消除寄生振荡,C3的作用是抑制纹波,C4是用以改善稳压电源的的暂态响应,VD6、VD7在输出端电容漏电或调整端短路时起保护作用。

VD5为本电源的工作指示灯，电阻R1是限流电阻。

输出端接微型电压表PV，可以直观的指示输出电压值。

各元件具体参数如图所标。

2.4T89C51介绍AT89C51是一种带4K字节片内程序存储器，且是高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

它有40个引脚，4个8位并行输入/输出<

I/O）端口：

P0、P1、P2、P3，其中，P1是完整的8位准双向I/O口，两个外中断，2个16位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。

管脚如图2.6所示。

1）引脚介绍

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据/地址的第八位。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，可用作输出。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，用作输入。

当外部下拉为低电平，P3口将输出电流，作为输出。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间选通外部程序存储器不管有无内部程序存储器。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

图2.6AT89C51引脚图

2）主要性能指标

a.与MCS-51兼容

b.4K字节可编程闪烁存储器

c.三级程序存储器锁定

d.128*8位内部RAM

e.32可编程I/O线

f.两个16位可编成定时器/计数器

g.5个中断源

h.低功耗的闲置和掉电模式

i.片内振荡器和时钟电路,时钟频率1.2—12MHz。

可有时钟输出

j.有强的位寻址\位处理能力

3）CPU时钟电路

AT89C51单片机有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图2.7所示：

图2.7AT89C51的时钟电路

外接晶振时，C1、C2值通常选择为30pF左右；

外接陶瓷振荡器时，C1、C2约为47pF。

C1、C2对频率有微调作用，震荡频率范围是1.2—12MHz。

4）复位电路

AT89C51通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。

上电复位电路在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的目的。

2.5D/A、A/D转换器

2.5.1D/A转换器DAC0832的介绍

主要性能指标

分辨率，通常将输入数字量的最低有效位LSB变化1时所引起的输入电压的变化△V称为分辨率，即△V=Vm/2,式中，Vm为输出电压的满度值；

n为D/A转换器的二进制数的位数。

建立时间，当DAC输入数字量发生变换时，输出模拟电压也随之改变，但输出电压变化到稳定值时相对于输入数字量的变化有一段延迟时间，这段延迟时间就称为建立时间，用ts表示。

建立时间越短，DAC的转换速度越块。

通常用转换时间来反映建立时间，如DAC0832的转换速度为100ns,DAC0832的转换速度为0.1ms。

转换误差，转换误差可以用绝对误差△或相对误差r来表示。

绝对误差△是指DAC的输入端加有固定的数字代码时，实际测得模拟输出值理论值之间的差。

相对误差r是指绝对误差△与满度值之比，常用百分数表示。

电源抑制比，DAC的输出电压的变化量与相对应的电源电压变化量之比定义为电源抑制比。

要求电源电压发生变化时，对输出电压的影响越小越好。

表2.1DAC0832的引脚

2.5.2A/D转换器DA574的介绍

AD574的特点及功能

AD574是AD公司生产的12位逐次逼近型ADC,它的转换速度为25μs,转换精度为0.05%,可广泛应用在数据采集系统中。

由于AD574芯片内有三态输出缓冲电路,因而可直接与单片机的数据总线相连,而无须附加逻辑接口电路。

引脚分布如图2.8所示:

图2.8AD574的引脚图

CS:

片送。

CE:

片启动。

R/C:

读出/转换控制。

12/8:

数据输出格式选择脚。

当12/8为1（+5V>

时,12条数据线将同时行输出。

当12/8为0（0V>

时,为8位双字节输出。

A0:

字节选择线。

在转换期间,当A0为0时,AD574进行全12位转换；

当A0为1时,进行8位转换。

在读出期间,当A0为0时,输出高8位；

当A0为1时,输出低4位,并以4个0作为尾随的4位以补足8位,即当两次读出12位数据时,应遵循左对齐原则。

STS:

输出状态指示引脚。

转换开始时,STS为高电平,并在转换过程中保持高电平。

转换完成后,STS返回到低电平。

STS可以作为状态信息被CPU查询。

也可以在它的下降沿向CPU发出中断请求,以通知A/D转换已完成,同时CPU可以读出转换结果。

2.6存储器的选择

62256是32K的低功耗静态RAM存储器.用P0和P2来扩展外部ram<

就是用P0和P2与62256对应的管脚相连接），假设P2.7接WR，P2.6接RD，P2.5接CS，那么就可以确定个外部RAM的一个地址，想往外部RAM的一个地址写一个字节时，地址可以定为XBYTE[0x4000]，其中WR，CS为低，RD为高，那就是高位的4<

0100也就是P2.7和P2.5输出了低电平，而P2.6输出了高电平，目的当然是要选通62256并且向62256写入数据），其它位的可以根据情况自己定<

也就是其它位是什么不打紧，关键就是控制wr，cs，rd的那几个位要符合选通，读，写的规定就可以了），现在我们向62256中写个26进去就可以使用这条语句：

XBYTE[0x4000]=26。

MCS-51单片机系统扩展时，一般使用P0口作为地址低8位<

与数据口分时复用），而P2口作为地址高8位，它共有16根地址总线，寻址空间为64KB。

图2.962256引脚图

2.7键盘的设定

本系统只涉及到录音播放和复位，所以键盘由三个按键组成。

当录音键按下时启动单片机和A/D转换芯片工作，存储器满则自动保存；

当放音键按下时启动单片机和D/A转换芯片工作，放音完成则自动停止；

复位键有两种情况，录音时按下复位键则暂停录音，再按下就继续录音，若按连续按两下则重新录音；

当放音时按下复位键则暂停放音，再按下就继续放音，若按连续按两下则重新放音。

图2.10键盘按键

3各模块接口原理

3．1AT89C51和AD574的接口原理

AD574和AT89C51系统的基本组成主要有单片机、A/D转换器和计算机接口。

其中单片机是系统的核心部分,单片机发出控制信号以启动A/D转换器进行采样,然后将转换结果存入双端口SRAM。

系统的硬件设计在连接上应主要考虑三总线（控制总线、地址总线、数据总线>

的连接,连接方式如图2.9所示：

图3.1单片机AT89C51与AD574的接口图