毕业设计论文基于单片机的语音播放系统分析与设计.docx

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毕业设计论文基于单片机的语音播放系统分析与设计

摘要

今天,数码语音技术已经发展成为一种时尚化智能化,人性化的代表技术，出现在工业、交通、军事、安全保卫、教育、娱乐、体育、通讯、广告、旅游、休闲、政治宣传等各个领域。

自然的语音、声音是稍纵即逝的,聪慧的人类想了很多办法来留存它们,这样可以在任何需要的时候重复播放出来。

这种保留原声的媒介曾有过钢丝、黑胶唱片、胶片、磁带、激光唱片等等，这些媒介都需要精密复杂的机械传动装置来配合，大多体积比较大,耗电大，控制不够灵活，有介质磨损,使用寿命有限。

现在,我们可以采用数码电子技术将纯的无任何机械的半导体集成电路（IC）去完成语声信号的存储和还原,这样一类经过存储而还原播放的语言声音，我们称为数码语声。

这类保存着数码语声的集成电路我们称为数码语声电路，或语声IC,有了这些语声IC声音就能保留和还原，而且能被选择性地反复播放，也就能让不会说话的各种物品发出声音或开口说话。

语声IC具有体积小、耗电少、可控制性能好、永无磨损、永久寿命等特点。

它是采用电子处理技术将复杂的语声信号“切分”成很多份，以最小的单位存储在自己内部的存储器里。

当需要时，再把这些小份拼接成完整的语声信号播放出来。

经由语声IC的处理、保存再回放出来的声音效果会比原声有一定的失真,现在还原声音最好的是激光唱片方式,它的声音取样频率是44.1KHZ,取样位数是24位，简单的说就是把一秒钟的语声信号横着切24份，再竖着切4万4千多份，累计把一秒钟的信号切成了约100万份分别存储在激光唱片上，等播放时再拼在一起还原出来，因此有较好的还原度。

而语声IC因为制造技术和成本问题，其能够使用的存储器容量比较小,大多数的语声IC都采用6KHZ5位采样，即大约把一秒种的信号切成3万份，因此还原效果就要差不少。

但随着技术的发展，这一差距正在减少。

语声IC的成本主要取决于内部电路的复杂程度和存储器的容量，在短时间语声长度的产品中,语声IC的性能价格比是非常高,有的种类的语声IC价格低到只有几分钱，这是任何其它数码语声还原设备无法比拟的。

关键词语音；IC；存储器；声音；语音芯片

第1章概述

1.1国内外研究现状

最近的十五年是电子行业突飞猛进的时期，语声IC的发展也见证了这一过程，十几年前的产品几乎都被淘汰出局了，期间也曾有几十种语声IC不断被开发出来，总的方向是集成度越来越高、功能越来越强大、音质效果越来越好、成本越来越低。

最后，经得住市场考验的，目前在通用市场上几乎只有三颗星星在闪耀。

一是OTP芯片A8108A、8208A、840N系列。

这款芯片是美国ISSI公司大约在1992年开发的，内部有PROM存储器，只能烧写一次。

原设计只是掩膜语音芯片的开发工程样片。

过去用户在要求投产MASKROM语音芯片前,都希望厂家提供实验用的工程样片，但大多数厂家都是提供一个由很复杂的分立器件电路搭建的开发评估板——直到今天大多数厂家仍然如此，这板子很大只能和用户的电路接口模拟使用，不能装入用户的产品中，更不能让用户小批量生产试投产，而且投产出来的掩膜片与评估板的音质、管脚、电性能都有所不同，令用户风险很高。

ISSI公司就开发了这一款芯片，而且设计了该芯片的开发工具，可以一起卖给用户做实验和小批量生产，等试验成熟后再投大量而便宜的掩膜芯片。

可以说它只是作为推销ISSI公司掩膜芯片的一个促销手段来设计的，但是OTP芯片的快速开发、简单易控制等特性引起很多设计工程师的青睐，一直使用至今。

另外，随着个性化时代的到来，产品的设计日益多样化，生产也朝着多品种、少数量的方向发展，再加上市场的风云变幻加快，一般厂家用户越来越不敢动辄几万、几十万地投产掩膜芯片，几乎都是先拿OTP片试打市场，看市场反应和接受程度再来定夺。

因此该系列产品的销量近年来反而增大了很多。

美国ISSI公司在2002年停止了该系列产品的生产，目前由台湾的一家公司提供兼容的产品。

二是ISD系列产品。

这款是美国ISD公司大约在1994年开发的，内部有EEPROM存储器，可以反复擦写。

ISD的这款产品具有划时代的意义，因为它采用所谓“模拟存储技术”实现了极好的语声还原效果，而且能录能放，控制简单灵活，同时有很强的智能控制，令人耳目一新。

该系列芯片经过原珠海特思高公司、原深圳矽源公司、原北京泰思特研究所、北京中青世纪公司近十年的努力推广，目前已经是通用语声产品市场的主流。

其中值得一提的是，由于ISD芯片的控制有一定的复杂性，在1996年前又两项比较大的难点阻碍其应用发展，一是ISD的技术资料一直只有很厚的英文资料和很简单的中文资料，二是美国ISD公司提供的编程开发系统价格贵达1.8万元/套，都令开发技术人员寸步难行。

1996年上述几家公司联合起来翻译、编写、出版了《ISD全系列单片语音录放电路设计与应用汇编》，同年北京中青世纪公司自行开发成功了ISD1425、ISD3340K编程拷贝系统，价格降低到不足2000元/套，而且操作非常简单方便。

这两项工作的完成令ISD在国内的应用和推广起了关键性的作用。

另外上述几家公司都开发了很多围绕ISD设计的开发实验板、功能板等配套产品，也为技术人员快速开发ISD语声产品提供了很大的帮助。

美国ISD公司大约在1999年被台湾的华邦公司收购，成为其一个子公司。

这几年ISD公司还推出了一些长时间的新产品，但在现在看来都不太成功。

其原开发的ISD1100、1400、2500、4000系列产品，语声长度涵盖10秒至16分钟非常经典。

2002年ISD公司又开发完成ISD1800系列产品，语声长度在6~20秒，以高音质、低价格主打礼品玩具等低端市场，销售成绩非常显著。

第三颗星是2003年底刚诞生的PM50系列产品。

这是北京中青世纪公司委托台湾设计公司开发的新款语声IC系列，该公司一直是ISD产品在国内的最大技术支持单位，非常熟悉电子市场和技术人员的需求，根据大量客户对OTP芯片和ISD芯片的需求反应专门开发了这款新的语声芯片。

其特点是采用单片机+语音处理器+FLASHRAM结构，能反复擦写、控制较ISD简单方便、有20秒~200秒一系列产品较OTP芯片齐全等，更重要的是开发人员用编程好的文件既能够烧写FLASHRAM版本的PM50产品，也能交给厂家原样生产几个极为低廉的掩膜版本的PM50产品，两者完全互换性能一致，这意味着国内的任何普通技术人员也能自己设计、开发掩膜语声芯片。

这也是数码语声电路发展历史上划时代的事件。

1.2语音播放的基本概念

自然的语音、声音是稍纵即逝的,聪慧的人类想了很多办法来留存它们,这样可以在任何需要的时候重复播放出来。

这种保留原声的媒介曾有过钢丝、黑胶唱片、胶片、磁带、激光唱片等等，这些媒介都需要精密复杂的机械传动装置来配合，大多体积比较大，耗电大，控制不够灵活，有介质磨损，使用寿命有限。

现在,我们可以采用数码电子技术将纯的无任何机械的半导体集成电路（IC）去完成语声信号的存储和还原,这样一类经过存储而还原播放的语言、声音，我们称为数码语声。

1.3语音芯片的分类

1、随录随放型的：

和磁带机一样,可以自由地通过话筒或模拟音频线路来进行录音，通过驱动喇叭放音。

这其中又分几类型。

怕断电的，语声保存需要很小的电流，象一些录音贺卡，它以SRAM静态存储器IC为介质，断电声音丢失，保存电流很小。

在录音贺卡等录音礼品中常将几粒扣式电池嵌入到产品中，这样可以保存录音几个月甚至一年多。

特点是可以较长期保存语声。

不怕断电的，象一些数码录音笔，它以FLASHRAM闪烁存储器IC为介质，完全断电后语声还能保存十年以上。

特点是价格较高。

美国ISD公司的ISD系列就是这类产品。

它生产从10秒至16分钟的一系列语声芯片产品。

2、编程录入的只放型：

象MP3随身听播放机一样，它的语声（音乐歌曲）录入需通过电脑、软件和专用数字接口来完成，不能简单地通过话筒录入，因此其成本价格较前者低。

这其中根据使用存储器的种类不同又分以下几种类型，性能有所不同但其生产成本却相差不大。

一次编程OTP型,芯片内部是PROM结构存储器,可以通过外部数字接口将语声文件或程序文件烧录进去,但只能烧录一次,以后不能修改不能更换。

ISSI公司的22C012/022/040（台湾公司的编号分别为A8108A、8208A、840N）,还有一些OTP型的语音单片机都是此类。

多次编程EPROM型,电路中用EPROM来存储语声数据,它需要专用的烧录工具把语声数据放置在芯片中,这种芯片可以反复烧录,寿命在几十年,次数多了以后就会有一定的单元损坏这是比较早期的数码语声电路构成方式,通常是语音处理UM5100加上外挂的EPROM老式的公交车语音报站系统多采用这种方式。

反复编程FLASHRAM型,电路中用FLASHRAM来存储语声数据,它需要专用的烧录工具或专用数字接口把语声数据放置在芯片中，这种芯片可以反复烧录，寿命可达到1万次以上。

这是最新的数码语声电路构成方式,现在流行的MP3播放器就是这种方式。

中青世纪公司新开发的PM50、PM64系列也是这一类。

3、掩膜生产的只放型:

和CD机一样,拿到手的就是定制好的语声，自己不能更改，只能播放这类产品的成本最低。

在客户需求方面可以分两类：

标准声源型,这是指在电子市场上可以买到的通用语声芯片,例如各种警报声、“倒车倒车请注意”、“这张是假币”等等。

它们是大批量生产出来的标准品，价格非常便宜。

如果用户能确认可用，将是投资最少见效最快的选择，只是不能根据自己的情况做任何变动，包括语声的音调、音质、触发控制方式等。

定制声源型，这是用户有自己的特殊要求而专门制作生产的，需要经过设计开发、制作样片，确认样品，几万片起做的芯片投单，确认芯片，交货等几个过程，制作和生产周期约45天，一次投资一般大约在15万元（人民币）以上，投资均摊在每个芯片上，数量越大价格越低。

一直以来，这类芯片的开发和投产在用户和开发商都存在比较大的风险，因为它不能小量快速生产，没有一个小批量的生产测试和市场投放的过程，而且开发商提供的实验样品和最后交付的产品有一定的差别（音质、管脚、电性能等），因而容易出现用户拒绝收货的情况。

给双方都造成很大损失。

第２章基于单片机的语音播放系统分析与设计

2.1系统分析设计

基于单片机语音系统系统采用集成语音播放器满足语音合成播放，并将语音片段组合成连续的信号进行播放，通过单片机的SPI接口去实现与语音的录制与播放，指示部分有单片机的数码管去显示。

该测量仪可实现多段录音和自定义录音。

由以上大致分析，整个系统控制将由AT89S52单片机为核心构成。

选用ISD1720作为语音处理芯片，显示信号可由单片机的I/O口进行显示

图2.1系统分析设计图

2.2单片机的选取

单片机是由大名鼎鼎的Intel公司发明的，最初的系列是MCS-48，后来有了更加完善的MCS-51，也就是经常说的51系列单片机，它是一种8位的单片机，这个系列的单片机包括了多个种类，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。

其中，8051是最典型的产品，该系列的其他产品都是在8051的基础上，进行功能的增减而来的。

所以人们习惯使用8051来称呼MCS-51系列单片机。

后来Intel公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司，所以世界上就有了许多公司生产51系列兼容单片机，比如飞利浦的87LPC系列、华邦的W78系列、达拉斯的DS87系列、现代的GSM97系列等等。

现在我国比较流行的是美国ATMEL公司的89C、89S系列。

我们的实训板上就可以使用89S52芯片，它是在线可编程的，也就是说我们可以通过并口下载线直接把程序下载到芯片里面，使得对芯片的编程非常的方便。

而89CX系列就没有这个在线可编程的功能，我们必须使用专用的编程器才能把编程文件写入芯片里面，这样就会使得我们的学习成本增加。

随着集成电路技术的飞速发展，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。

单片机以其高可靠性、高性价比，在工业测控系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到广泛的应用，并已步入家庭，在洗衣机、空调和电磁炉等家电中到处可见到单片机的踪影。

主要特性

●与MCS-51单片机产品兼容

●4K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态工作：

0Hz—33MHz

●32个可编程I/O口线

●2个16位定时器/计数器

●6个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●灵活的ISP编程（字或字节模式）

●4.0---5.5V电压工作范围

内部结构:

它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。

●CPU由运算器和控制逻辑构成。

其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）

●AT89S51时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式（如图2.2）。

●AT89S51在物理上有四个存储空间：

片内/片外程序存储大路、片内/片外数据存储器。

片内有256B数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。

除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且和有64KB的寻址范围。

●AT89S51内部有一个可编程的、全双工的串行接口。

它串行收发存储在特殊功能寄存器SFR的串行数据缓冲器SBUF中的数据。

●AT89S51共有4个（P0、P1、P2、P3口）8位并行I/O端口，共32个引脚。

P0口双向I/O口，用于分时传送低8位地址和8位数据信号；P1、P2、P3口均为准双向I/O口；其中P2口还用于传送高8位地址信号；P3口每一引脚还具有特殊功能，用于特殊信号的输入输出和控制信号。

表2.1P3口引脚的特殊功能

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

TO（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器写选通）

●AT89S51内部有两个16位可编程定时器/计数器T0、T1。

最大计数值为216-1。

工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。

●中断系统允许接受5个独立的中断源，即两个外部中断，两个定时器/计数器中断以及一个串行口中断。

c.外部特性（引脚功能）

AT89S51芯片有40条引脚，双列直插式封装引脚

●Vcc（40）：

电源+5V

●Vss（20）:

接地

●XTAL1（19）和XTAL2（18）：

使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。

●P0口（39—32）：

双向I/O口。

既可作地址/数据总线口用，也可作普通I/O口用。

●P1口（1—8）：

准双向通用I/O口。

●P2口（21—28）：

准双向口，既可作地址总线口输出地址高8位，也可作普通I/O口用。

●P3口（10—17）：

多用途口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作。

●ALE/~PROG（30）：

地址锁存信号输出端。

在访问片外丰储器时，若ALE为有效高电平，则P0口输出地址低8位，可以用ALE信号作外部地址锁存信号。

公式（2—1）fALE=1/6fOSC,也可作系统中其它芯片的时钟源。

第二功能~PROG是对EPROM编程时的编程脉冲输入端。

●RST/VPD（9）：

复位信号输入端。

AT89S51接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使

内部复位。

第二功能是VPD，即备用电源输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAM提供备用电源，发保证存储在RAM中的信号不丢失。

这的格式修改

2.2AT89S51的时钟电路

●~EA/Vpp（31）:

内部和外部程序存储器选择线。

~EA=0时访问外部ROM0000H—FFFFH；~EA=1时，地址0000H—0FFFH空间访问内部ROM，地址1000H—FFFFH空间访问外部ROM。

●~PSEN（29）：

片外程序存储器选通信号，低电平有效。

2.3语音芯片芯片选取

模块使用射频芯片PT2262和PT2272组成接收频率位514MHZ，接收模块有七个引出端，分别为10、11、12、13、GND、17、VCC，其中VCC为5V供电端，GND为接地端，17端为解码有效输出端，10、11、12、13是解码芯PT2272（SC2272）集成电路的10～13脚,为四位数据锁存输出端，有信号时能输出5V左右的高电平，驱动电流约2mA，与发射器上的四为个按键一一相对应。

（L）――信号锁定（互锁型）

即:

按遥控器A键所对应的A路输高电平并保持，B路停止，按遥控器B键，A路停止，B路输出高电平并保持，依次循环工作。

（M）――信号暂存（非锁型）

即:

按下遥控器A键，所对应的A路输出高电平，松开遥控器按键，A路停止，依次循环工作。

（T）――信号自锁（自锁型）即:

每一路都是触发一次翻转一次，就是按一下为开，再按一下为关。

例如：

按一下A键，A路输出高电平并自保持，如果再按一下A键，A路停止输出，其它通道类似，互相之间不会干扰。

可以使用此模块接收数据，并控制小车的转向，从而达到控制小车的目的。

具体控制可以如下无线模块接收的17引脚去接单片机中断，单片机执行中断程序，去查询是ABCD当中那一个按下，从而确定按键的信号，可以实现无线控制模块的控制信号的分离，进而让单片机去执行相应的功能函数

2.4语音芯片芯片选取

ISD1700系列是华邦公司新推出的语音芯片，用来替代已经停产的ISD1400系列及ISD2500系列芯片。

ISD1700系列不仅在录音时间上有更多的选择（从20秒到240秒），而且在功能上继承14及25系列的所有录放功能，并增加了一些更加人性化的提示功能及对存储地址的精确操作。

ISD1700的音质也较14及25系列有明显的提高。

ISD1700系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（vAlert）双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。

芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。

a.主要特性

·工作电压：

2.4V-5.5V,,最高不能超过6V

·静态电流：

0.5-1μA

·工作电流：

20mA

b.内部结构

·可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年。

·两种控制方式，两种录音输入方式，

两种放音输出方式

·可处理多达255段以上信息

·有丰富多样的工作状态提示

·多种采样频率对应多种录放时间

·音质好，电压范围宽，应用灵活，

价廉

c.外部特性（引脚功能如图2.4）

VCCD数字电路电源

/LEDLED指示信号输出

/RESET芯片复位

MISOSPI接口的串行输出。

ISD1700在SCLK下降沿之前的半个周期将数据放置在MISO端。

数据在SCLK的下降沿

时移出MOSISPI接口的数据输入端口。

图2.3isd1700引脚功能

主控制芯片在SCLK上升沿之前的半个周期将数据放置在MOSI端。

数据在SCLK上升沿被锁存在芯片内。

此管脚在空闲时，应该被拉高SCLKSPI接口的时钟。

由主控制芯片产生，并且被用来同步芯片MOSI和MISO端各自的数据输入和输出。

此管脚空闲时，必须拉高。

/SS为低时，选择该芯片成为当前被控制设备并且开启SPI接口。

空闲时，需要拉高

VSSA模拟地

AnaIn芯片录音或直通时，辅助的模输入。

需要一个交流耦合电容（典值为0.1uF），并且输入信号的幅值不超出1.0Vpp。

APC寄存器的D3可以定Analn信号被立刻录制到存储器中与Mic信号混合被录制到存储器中，者被缓存到喇叭端并经由直通线路AUD/AUX输出。

MIC+麦克风输入+

MIC-麦克风输入-

VSSP2负极PWM喇叭驱动器地

SP-喇叭输出-

VCCPPWM喇叭驱动器电源

SP+喇叭输出+

VSSP1正极PWM喇叭驱动器地

AUD/AUX辅助输出，决定于APC寄存器的D7，用来输出一个AUD或AUX输出。

AUD是一个单端电流输出，而AuxOut是一个单端电压输出。

他们能够被用来驱动一个外部扬声器。

出厂默认设置为AUD。

APC寄存器的D9可以使其掉电。

AGC自动增益控制

/VOL音量控制

ROSC振荡电阻ROSC用一个电阻连接到地，决定芯片的采样频率

VCCA模拟电路电源

/FT模式下，当FT一直为低，Analn直通线路被激活。

Analn信号被立刻从Analn经由音量控制线路发射到喇叭以及AUD/AUX输出。

D所控制。

该管脚有一个内部上拉设备和一个内部防抖动设计，当在SPI模式下，SPI无视这个输入，而且直通线路被APC寄存器的，允许使用按键开关来控制开始和结束。

/PLAY播放控制端

/REC录音控制端

/ERASE擦除控制端

/FWD进控制端

RDY/INT一个开路输出。

Ready（独立模式）该管脚在录音，放音，擦除和进操作时保持为低，保持为高时进空闲状态Interrupt（SPI模式）在完成SPI命令后，会产生一低信号的中断。

一旦中断消除，该变回为高。

VSSD数字地

用户可利用震荡电阻来自定芯片的采样频率，从而决定芯片的录放时间和录放音质。

下表为ISD1700的参数表：

d.微机接口

主控单片机主要通过四线（SCLK，MOSI，MISO，/SS）SPI协议对ISD1700进行串行通信。

ISD1700作为从机，几乎所有的操作都可以通过这个SPI协议来完成。

为了兼容独立按键模式，一些SPI命令：

PLAY，REC，ERASE，FWD，RESET和GLOBAL_ERASE的运行类似于相应的独立按键模式的操作。

另外，SET_PLAY，SET_REC，SET_ERASE命令允许用户指定录音、放音和擦除的开始和结束地址。

此外，还有一些命令可以访问APC寄存器，用来设置芯片模拟输入的方式。

第３章基于单片机语音播放系统的硬件设计

3.1音频输入电路的设计

芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。

ISD1760的MIC+与MIC-连接耳麦，通过连接两个滤波电容去除杂波，双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。

功能强大。

不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。

图.图3.1音频输入

3.2ISD1720与AT89S52接口电路的设计

ISD1700系列的SPI串行接口操作遵照以下协议:

一个SPI处理开始于/SS管脚的下降沿。

在一个完整的SPI指令传输周期，/SS管脚必须保持低电平数据在SCLK的上升沿锁存在芯片的MOSI管脚，在SCLK的下降沿从MISO管脚输出，并且首先移出低位。

SPI指令操作码包括命令字节，数据字节和地址字节，这决定于1700的指令类型当命令字及地址数据输入到MOSI管脚时，同时状态寄存器和当前行地址信息从MISO管脚移出。

一个SPI处理在/SS变高后启动在完成一个SPI命令的操作后，会启动一个中断信息，并且持续保持为低，直到芯片收到CLR_IN