基于ISD4004芯片的语音录放系统设计毕业设计论文.docx

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基于ISD4004芯片的语音录放系统设计毕业设计论文

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

本科毕业论文

基于ISD4004芯片的语音录放系统设计

TheDesignofVoiceRecordingandPlaybackSystemBasedonISD4004

系（院）名称：

电子信息工程学院

专业班级：

11届电子信息工程

学生姓名：

学生学号：

1107050017

指导教师姓名：

xx

指导教师职称：

讲师

2015年5月

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

基于ISD4004芯片的语音录放系统设计

摘要：

用单片机控制语音芯片，再把单片机和语音芯片嵌入到通信设备，智能仪器，治安报警及儿童玩具中，就可做成语音播放的机器。

本文介绍了基于AT89C52单片机及ISD4004语音板为主要部件的语音录放电路的工作原理、硬件和软件的设计。

ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。

芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入。

论文概述了语音录放电路的原理，并且在介绍语音录放系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。

针对录放系统的录音、放音部分的总体设计方案进行了论证。

进一步介绍了单片机AT89C52应用在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。

本次设计目是完成一个简单方便，能可靠稳定工作的语音录放系统，该方案结构简单,控制可靠,便于推广。

关键词：

ISD4004AT89C52单片机语音录放

Thedesignofvoicerecordingandplaybacksystembasedonisd4004

Abstract：

Withthesingle-chipmicrocomputercontrol,andthenmakethepronunciationchipmicrocontrollerandpronunciationchipembeddedincommunicationequipment,intelligentinstruments,securityalarmandchildren'stoys,socanmakeaspeechbroadcastmachine.

ThispaperintroducesISD4004basedonAT89C52singlechipcomputerandofthemainpartsofspeechplateastheworkingprincipleofvoicerecordingcircuitandthedesignofhardwareandsoftware.ISD4004seriesworkingvoltage,monolithic3Vrecordingtime8to16minutes,timbre,suitableformobilephonesandotherportableelectronics.Chipdesignisbasedonalltheoperationmustbymicrocontrollercontrol,operationordersthroughserialcommunicationinterfaceSPIinto.Thispapersummarizestheprincipleofvoicerecordingcircuit,andintroducesthefunctionofspeechonthebasisofrecordingsystem,putsforwardthegeneralstructureofthesystem.Recordingsystemfortherecording,playbackpartoftheoveralldesignschemeisdemonstrated.ThispaperintroducesmicrocontrollerAT89C52singleapplicationsinsystem,theapplicationsystemwereanalyzedeachpartofhardwareandsoftwarerealization.

Thisdesignistocompleteareliableandstableworkingvoicerecordingcircuit.Thedesignissimpleinstructure,reliablecontrolandfacilitatepromotion.

Keywords:

ISD4004；89C52microcontroller；voicerecordingandplayback

引言

语音，作为一种典型的非平稳随机信号，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段，在人类文明和社会进步中起着重要的作用。

随着电子通信业的出现和计算机技术的发展，人们开始可以从数字信号处理的角度了解语音。

语音信号的研究可以从时域和频域两个方面进行。

其中时域的分析处理有两种方法：

一是进行语音信号分析，这属于小型处理的范畴，主要是通过信号的加减、时移、倍乘、卷积、求相关函数等来实现；另一种是生成和变换成各种调制信号，这属于非线性的范畴，主要是对信号平均累加器的动态范围进行压缩扩张，用门限方法对噪声的抑制。

对频域分析处理，即对信号的频率特性在频谱中加以分析研究，这拓展了信号分析的范围，是对不确定信号分析的主要方法。

随着计算机技术处理和信息技术的发展，语音交互已经成为人机交互的必要手段，而语音信号的采集处理是人机交互的前提和基础。

声卡是计算机对语音信息进行加工的重要部件，它具有对信号滤波、放大、采样保持、A/D和D/A转换等功能。

语音信号处理作为一个重要的研究领域，已经有很长的研究历史。

但是它的快速发展可以说是从1940年前后Dudley的声码器和Potter等人的可见语音开始的；20世纪60年代中期形成的一系列数字信号处理方法和技术，如数字滤波器、快速傅里叶变换等成为语音信号数字处理的理论和技术基础；到了80年代，由于矢量量化、隐马尔克夫模型和人工神经网络等相继被应用于语音信号处理，并经过不断改进与完善，使得语音信号处理技术产生了突破性的进展。

进入90年代以来，语音信号处理在实用化方面取得了许多实质性的进展。

一方面，对声音语音学统计模型的研究逐渐深入，鲁棒的语音识别、基于语音段的建模方法及隐马尔可夫模型与人工神经网络的结合成为研究的热点。

另一方面，为了语音识别使用化的需要，讲着自适应、听觉模型、快速搜索识别算法以及进一步的语言模型的研究等课题备受关注。

第1章绪论

1.1系统设计的意义

语音不仅是人与人之间进行信息交流最直接、最方便和最有效的工具，而且也是人与机器之间进行通信的重要工具。

1874年电话的发展可以认为是现代处理的开端。

电话的理论基础是尽可能不失真地传送语音波形。

这种“波形原则”几乎统治了其后整整一百年。

1939年产生了一种概念全新的语音处理技术，这就是著名的通道声码器技术。

声码器的理论基础是认为语音是由人的声带振动产生的生源（载波）受到运动的声道的控制（调制）而产生的，因而将载波和调制两部分分开来进行传送便可极大地压缩频带。

这一概念已经包含着其后出现的语音参数模型的基本思想。

40年代后期，研制成功了能够把语音信号的时变谱用语音表示出来的仪器——语音仪，为语音信号分析提供了一个有力的工具。

对于语音信号，数字处理比模拟处理具有更多的优点。

这是因为：

第一，数字技术能够完成许多很复杂的信号处理工作；第二，通过语音进行交换的信息本质上具有离散的性质，因为语音可以看成是因素的组合，这就特别适合于数字处理；第三，数字系统具有高可靠性、价廉、紧凑、快速等特点，很容易完成实时处理任务；第四，数字语音适合于在强干扰通信中传输，易于和数据一起在通信网中传输，也易于进行加密传输。

因此数字语音信号处理是主要研究方向。

无论是人与人之间还是人与计算机之间的语音通信，语音处理，特别是语音数字处理的理论和技术，具有特别重要的作用。

单片机的应用无处不在，利用单片机控制语音的录放也多不胜举。

用单片机控制语音芯片，再把单片机和语音芯片嵌入到通信设备，智能仪器，治安报警及儿童玩具中，就可做成语音播放的机器，应用范围广泛。

用单片机控制语音芯片设计语音录放系统,该系统功能多，录放音音质好，外围电路简单。

1.2系统设计的目的

设计一个语音录放系统，可以应用于通讯设备、智能仪表、治安报亭、语音报站、报数报价、语音讲解、语音记录、语音复读、教学仪器、智能玩具、电子礼品等领域。

要求放音质量好，用二极管显示工作状态。

系统具有较强的抗干扰能力，便于安装和扩展。

1.3系统采用的实现方法

设计硬件原理图,焊接语音模块,包括电压转换芯片,音频小功率放大器和ISD4004的连接.

编写软件程序,利用单片机控制技术,实现录、放、停等操作。

第2章单片机控制技术和开发环境介绍

2.189C52单片机性能和引脚介绍

2.1.1概述

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随即存储数据存储（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。

功能强大AT89C52单片机适合与许多较为复杂控制应用场合。

AT89C52提供以下标准功能：

8k字节FLASH闪速存储器，256字节内部RAM,32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至OHZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。

空闲方式停止CPU工作，但允许RAM，定时/计数器，串行口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个部件复位。

2.1.2AT89C52主要性能参数

AT89C52单片机与MCS-51产品指令和引脚兼容，内部含有8K字节可擦写FALSH闪存，1000次擦写周期。

同时具有全静态操作：

OHZ-24MHZ，三级加密程序存储器，256×8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，3个15位定时/计数器，8个中断源，可编程串行UART通道的功能部件。

2.1.3引脚功能说明

引脚图如图2.1所示：

图2.1AT89C52单片机引脚图

功能说明如下：

1VCC：

电源电压

2GND：

地

3P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

4P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2.1。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表2.1P1.0和P1.1的第二功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时/计数2捕获、重装载触发和方向控制）

5P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

6P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.2所示，此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

表2.2P3口第二功能

7RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

8ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

9PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

·EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

·XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

·XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

2.2keil开发环境和建立工程

2.2.1keil简介

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

2.2.2Keil工程建立

启动uVison3，点击“FileNew…”在工程管理器的右侧打开一个新的文件输入窗口，在这个窗口里输入一个源程序，注意大小写及每行后的分号，不要错输及漏输。

输入完毕之后，选择“FileSave”，给这个文件取名保存，取名字的时候必须要加上扩展名，一般C语言程序均以“.C”为扩展名，这里将其命名为fgf.c，保存完毕后可以将该文件关闭。

Keil不能直接对单个的C语言源程序进行处理，还必须选择单片机型号；确定编译、汇编、连接的参数；指定调试的方式；而且一些项目中往往有多个文件，为管理和使用方便，Keil使用工程（Project）这一概念，将这些参数设置和所需的所有文件都加在一个工程中，只能对工程而不能对单一的源程序进行编译和连接等操作。

点击“Project->New Project…”菜单，出现对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，这里起名为fgf，不需要输入扩展名。

点击“保存”按钮，出现第二个对话框，如图2.2所示，这个对话框要求选择目标CPU（即你所用芯片的型号），Keil支持的CPU很多，这里选择Atmel公司的89S52芯片。

点击ATMEL前面的“+”号，展开该层，点击其中的89S52，然后再点击“确定”按钮，回到主窗口，此时，在工程窗口的文件页中，出现了“Target 1”，前面有“+”号，点击“+”号展开，可以看到下一层的“Source Group1”，这时的工程还是一个空的工程，里面什么文件也没有，需要手动把刚才编写好的源程序加入，点击“Source Group1”使其反白显示，然后，点击鼠标右键，出现一个下拉菜单，如图2.3所示，选中其中的“Add file to GroupSource Group1”，出现一个对话框，要求寻找源文件。

图2.2选择单片机型号

图2.3加入文件

双击fgf.c文件，将文件加入项目，注意，在文件加入项目后，该对话框并不消失，等待继续加入其它文件，但初学时常会误认为操作没有成功而再次双击同一文件，这时会出现如图2.4所示的对话框，提示你所选文件已在列表中，此时应点击“确定”，返回前一对话框，然后点击“Close”即可返回主接口，返回后，点击“Source Group 1”前的加号，fgf.c文件已在其中。

双击文件名，即打开该源程序。

图2.4重复加入源程序得到的提示

2.3ISD4004介绍

2.3.1性能简述和引脚图

ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。

芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。

芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入。

芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。

采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年（典型值）,反复录音10万次。

图2.5ISD4004引脚图

2.3.2引脚描述

1电源:

（VCCA,VCCD）为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。

2地线:

（VSSA,VSSD）芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。

3同相模拟输入（ANAIN+）这是录音信号的同相输入端。

输入放大器可用单端或差分驱动。

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电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。

差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000系列相同。

4反相模拟输入（ANAIN-）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音频输出（AUDOUT）提供音频输出,可驱动5KΩ的负载。

5片选（SS）此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。

6串行输入（MOSI）此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。

7串行输出（MISO）ISD的串行输出端。

ISD未选中时,本端呈高阻态。

8串行时钟（SCLK）ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。

数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。

9中断（/INT）本端为漏极开路输出。

ISD在任何操作（包括快进）中检测到EOM或OVF时,本端变低并保持。

中断状态在下一个SPI周期开始时清除。

中断状态也可用RINT指令读取。

OVF标志----指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。

EOM标志----只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1。

10行地址时钟（RAC）漏极开路输出。

每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行（ISD4004系列中的存贮器共2400行）。

该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。

快进模式下,RAC的218.75μs是高电平,31.25μs为低电平。

图2.6时序

11外部时钟（XCLK）本端内部有下拉元件。

芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在+1%内。

商业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在+2.25%内。

工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。

若要求更高精度,可从本端输入外部时钟（如前表所列）。

由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。

输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。

在不外接地时钟时,此端必须接地。

12自动静噪（AMCAP）当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号（静音）时的噪声。

通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。

检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。

大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。

1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。

本端接VCCA则禁止自动静噪。

2.4SPI