课程设计 语音录放系统的设计.docx
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课程设计语音录放系统的设计
徐州师范大学科文学院
本科生课程设计
课程名称：
电子综合设计
题目：
语音录放系统的设计
专业班级：
08电信
学生姓名：
杨文鑫
学生学号：
088326131
日期：
2011.12.20
指导教师：
李贵明
科文学院教务部印制
1、课程设计目的、任务和内容要求：
ISD1400系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、
留言机等设备。
更可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于
自动报时器，汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16位或32位
处理器实现同样的功能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加
的复杂。
任务如下：
1．进行需求分析和概要设计。
2．写出详细设计，熟悉其中采用的关键技术。
3．给出具体的编码实现并调试。
4．写课程设计报告提交源程序。
内容要求：
设计并完成硬件系统。
要求：
1．要求软件系统的功能完整。
2．要求程序具备正确性，可读性和运行的高效性。
二、进度安排：
第１~3天：
查找资料，进行需求分析和概要设计；
第4~6天：
各模块的详细设计；
第7~12天：
软件实现与调试；
第13~14天：
写课程设计报告并提交源程序。
三、主要参考文献：
[1]杜春雷，ARM体系结构与编程[M]，清华大学出版社，2003年，6月．
[2]R.Rajsuman，SOC设计与测试[M]，北京航空航天大学出版社，2003年，7月．
[3]詹荣开，GCC中文手册[M]，电力出版社，2001年，3月．
[4]何立民，嵌入式系统的定义与发展历史[M]，机械出版社，2005年，6月．
[5]高洪亮、张国忠、杨杰，基于ISD4004的电梯语音系统设计[J]，电子技术2005，9月．
[6]张常年:
ISD4004语音芯片的工作原理及智能控制系统中的应用[J].电子元件与材料，2001，6月．
指导教师签字：
年月日
摘要
ISD1420系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机等设备。
更可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器，汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16位或32位处理器实现同样的功能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加的复杂。
ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放集成电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。
一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、三个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。
录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD公司的专利——直接模拟存储技术（DASTTM）实现的。
利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器。
直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。
关键词：
ISD1420；语音录放集成电路；语音录放；信息存储
Abstract
ISD1420serieschipsaremorecommonlyusedvoicerecordersintegratedcircuits,mostareusedforvoicecalls,answeringmachineandotherequipment.MoreMCUinterface,voiceabovethesoundrecordingfunction,canbeusedforautomatictimekeepingdevice,automaticstopdevicessuchas,ifthevoiceprocessingwith16or32bitprocessorstoachievethesamefunctionwillincreasethedevelopmentcycleandcostwillresultinamoresimplesystemofcomplex.
ISD1420istheUnitedStatesofAmericaISDcompanyproducedhigh-qualitysinglechipvoiceintegratedcircuit,composedofanoscillator,avoicememoryunit,apreamplifier,anautomaticgaincontrolcircuit,antiinterferencefilter,theoutputamplifier.Oneofthesmallestrecordingsystemiscomposedofamicrophone,aloudspeaker,athreebutton,apowersupply,aresistorcapacitorcomponents.Audiocontentstoredinpermanentmemoryunit,toprovidezeropowerinformationstorage,thismethodistheoneandonlywiththehelpoftheUnitedStatesofAmericaISDcompanypatent--directanalogstoragetechnology（DASTTM）toachieve.Touseit,voiceandaudiosignalsarestoreddirectly,intheiroriginalformintotheEEPROMmemorysimulation.Directanalogstorageallowstheuseofamonolithicsolidcircuitmethodtocompleteitsoriginalaudioplayback.
Keywords：
ISD1420;voicerecordingcircuit;voicerecording;informationstorage
1概述
1.1课题的背景和意义
1.1.1概述
ISD1420系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机等设备。
更可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器，汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16位或32位处理器实现同样的功能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加的复杂。
开发简单的语音录放系统时，ISD的芯片将成为开发工程师的不二选择。
1.1.2背景
开发在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；然而随着时代的进步与发展，如今普通的8位单片机已经无法满足需求，因为其资源有限，而且系统时钟速度慢，导致许多问题无法及时解决，加之内部的储存容量很小使得在编写程序时不得不考“精简”。
现在51的应用已经越来越普及，因为它的高性能使之得到很多人的青睐，因此选用ARM来作为控制器。
51的应用有利于产品的微型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。
但是，对于51的应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于51的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用51通过软件（编程序）方法实现了。
这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。
微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。
随着51应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。
高档的51芯片还能建立操作系统平台，使之更加强大。
具有很强的实时性和完美的人机界面，同时其软硬件可以根据需要进行裁剪，具有很强的灵活性。
1.1.3要求
1．熟悉电路的工作原理；
2．掌握该电路中元器件的识别方法；
3．掌握电路的调试方法；
4．熟悉电路简单的故障分析方法；
5．论文符合其格式、字数的基本要求，内容要求充实、作图严谨规范等。
1.1.4意义
1.增加产品销售量；
2.提高公共服务档次，符合建设国际城市的目标；
3.可免除生意人口干舌燥的叫喊，非常实用等。
1.2课题设计目的
传统的语音录放需要经过如下过程：
语音信号经过设备接受后转化为模拟电信号，通过前置放大器把语音信号放大，通过带通滤波之后，去掉多余的干扰，再经过自动增益控制和A压缩电路净化输入的模拟电信号，而后经A／I）转换器转换为数字信号，由控制器对其进行处理和存储，之后再由D／A转换为模拟信号，达到放音的目的。
2设计方案简述
2.1系统工作原理
整个电路设计可分为以下几个单元电路：
按键指令输入电路、录音电路。
系统上电后，按下相应的按键后能实现录音、播放、停止等功能，而且掉电后能保存语音信息不丢失，能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，而且操作简易。
2.2设计方案
采用基本的硬件电路，主芯片ISD1420直接控制整个语音电路，电路结构简单，一般较为常用。
这个最小化系统有一个LED指示灯、三个微动开关，可以对芯片的录音、播放、停止进行控制。
S3（RECORD）为录音键，按住它时LED灯点亮，此时为录音状态，当录放达到最大时间值或中途放开S3录音按键即停止录音。
S2（PLAYL）为放音键，按一下它就可以播放录音，当放音达到录音的尾声时或中途按下了S1停止键则停止放音。
S1为停止键，当放音过程中按下S1停止键停止放音。
如果有待机时按住S1则开始放音，放音直到录音的尾声或中途放开S1键。
当芯片处于录音状态时LED点亮，当芯片放音结束时LED会闪亮一下。
2.3总体电路设s计
图2-1总电路图
2.4核心器件ISD1420介绍
2.4.1概述
ISD1420系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机等设备。
更可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器，汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16位或32位处理器实现同样的功能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加的复杂。
开发简单的语音录放系统时，ISD的芯片将成为开发工程师的不二选择。
2.4.2了解ISD1420
ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放集成电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。
一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。
录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD公司的专利——直接模拟存储技术（DASTTM）实现的。
利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器。
直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。
不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。
目前，ISD1420系列有下列型号：
ISD1408、ISD1410、ISD1412、ISD1416、ISD1420。
录放时间分别为：
8秒、10秒、12秒、16秒、20秒。
（ISD14XX——其中型号的后两位表示其录音的时间长度，单位是秒）
2.4.2芯片特点
●所需外围元件少，电路简单，操作方便。
●采用直接模拟量存贮技术DAST（DirectAnalogStrorageTechnology），
再现优质原声。
●零功率信息存贮，省掉备用电源。
●信息可保存10年以上，可反复录放达10万次之多。
●语音固化无需专用编程或开发装置。
●较强的选址能力，可把存储器分成160段来进行管理。
●具有自动省电模式，此时仅需0.5μA的保持电流。
●单一电源供电。
4.4电气特性
●工作电压VDD：
5V.
●静态电流ISTB：
典型值0.85μA，最大值为2μA.
●工作电流IOP：
典型值15mA,最大值30mA.
A0～A7：
地址输入端；
VCCD：
数字电路电源；
VCCA：
模拟电路电源；
VSSD：
数字地；
VSSA：
模拟地；
SP+:
喇叭（+）；
SP-：
喇叭（-）；
SCLK：
外接时钟（可选）；
ANAIN：
模拟量输入；
ANAOUT：
模拟量输出；
AGC：
自动增益控制；
MIC：
驻极体话筒输入；
MICREF：
驻极体话筒参考输入；
PLAYE：
边沿触发放音；
PLAYL：
电平触发放音；
REC：
录音触发；
RECLED：
发光二极管接口；
NC：
空脚
3详细设计
3.1ISD1420应用
图3-1ISD1420内部结框图
3.2ISD1420引脚详细说明
引脚描述Note:
NCmeansMustNotconnect.ISD1110/ISD1420封装引脚步图注：
ISD1110系列的/REC，/PLAYE，A6和A7端内部被上拉到VDD，A0~A5内部被下拉到VSS，上拉/下拉阻值在50K至100KΩ，除此之外，各引脚与ISD1420完全相同。
电路设计中，这些端的外围上/下拉电阻可省略，但需要仔细考虑静态电流的影响。
电源（VCCA，VCCD）芯片内部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上，这样可使噪声最小。
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，而去耦电容应量靠近芯片。
地线（VSSA，VSSD）芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线，这两个脚最好在引脚焊盘上相连。
录音（/REC）低电平有效。
只要/REC变低（不管芯片处在节电状态还是正在放音），芯片即开始录音。
录音期间，/REC必须保持为低。
/REC变高或内存录满后，录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志（EOM），使以后的重放操作可发及时停止。
之后芯片自动进入节电状态。
注：
/REC的上升沿有50毫秒防颤，防止芯片自动进入节电状态。
边沿触发放音（/PLAYE）此端出现下降沿时，芯片开始放音。
放音持续到EOM标志或内存结束，之后芯片自动进入节电状态。
开始放音后，可以释放/PLAYE。
电平触发放音（/PLAYL）此端出现下降沿时，芯片开始放音。
放音持续至端回到高电平，遇到EOM标志，或内存结束。
放音结束后芯片自动进入节电状态。
注：
放音过程中当遇到EOM或内存结束时，如果/PLAYE或/PLAYL仍处在高电平，芯片虽然也进入节电状态（内部震荡器和时钟停止工作），但是由于芯片没有对/PLAYE和/PLAYL的上升沿进行消颤，随后在这两个引脚上出现的下隆沿（例如释放按键时的抖动）都会触发放音。
录音指示（/RECLED）处于录音状态时，此端为低，可驱动LED。
此外，放音遇到EOM标志时，此端输出低电平脉冲。
3话筒输入（MIC）此端边至片内前置放大器。
片内自动增益控制电路（AGC）将前置增益控制在-15至24dB。
外接话筒应通过串联电容耦合到此端。
耦合电容值和此端的10KΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。
话筒参考（MICREF）此端是前置放大器的反向输入。
当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。
自动增益控制（AGC）AGC动态调节器整前置境益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧哗嚣声）时失真都能保持最小。
响应时间取决于此端的5KΩ输入阻抗和外接的对地电容（即线路图中的C6）的时间常数。
释放时间取决于此端外接的并联对地电容和电阻（即线路图中R5和C6）的时间常数。
470KΩ和4.7uF的标称值在绝对大多数场合下可获得满意的效果。
模拟输出（ANAOUT）前置放大器输出。
前置电压增益取决于AGC端的电平。
模拟输入（ANAIN）此端即芯片录音的输入信号。
对话筒输入来说，ANAOUT端应通过外接电容连至本端。
该电容和本端的3KΩ输入阻抗给出了芯片频带的附加低端截止频率。
其它音源可通过交流耦合直接连至本端。
喇叭输出（SP+、SP-）这对输出端能驱动16Ω以上的喇叭。
单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高4倍。
录音时，它们都呈高阻态；节电模式下，它们保持为低电平。
外部时钟（XCLK）此端内部有下拉元件，不用时应接地。
芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，保证了标称的最小录音时间。
商业级芯片在整个温度各电压范围内，频率变化在+2.25%内,并保证最小录放时间，所以有些芯片的录放时间比标称的值稍大。
工业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在+5%内，建议使用稳压电源。
若要求更高精度或系统同步，可从本端输入外部时钟，频率如表2-1“外部钟频”所示。
由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定，帮上述持荐的时钟频率不应改变。
输入时钟的占空比无关紧要，因为内部首先进行了分频。
地址（A0~A7）地址端有两个作用，取决于最高（MSB）两位A7、A6的状态。
当A7或A6有一个为0时，所有输入均释放为地址位，作为当前录放操作的起始地址。
地址端只用输入，不输出操作过程的内部地址信息。
地址在/PLAYE、/PLAYL、或/REC的下降沿锁存。
3.3操作模式
ISD1110/ISD1420系列内置了若了干操作模式，可用最少的外围器件实现最多的功能。
操作模式也由地址端控制；当A7和A6都为1时，其它地址端置高就选择某个（或某几个）模式。
因为操作模式和直接寻址互相排斥。
操作模式可由微控制器，也可由硬件实现。
使用操作模式有两点注意：
（1）所有操作最初都是从0地址，即存储空间的起始端开始。
后续操作根据所选用的模式可从其它的地址开始。
此外，A4模式中，当电路由录转为放时地址计数器复位为0，而由放转为录则不复位。
（2）当控制信号（/PLAYL、/PLAYE或/REC）变低，同时A6和A7为高时，执行操作模式。
这种操作模式一直有效，除非控制信号再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址/模式端电平，然后执行相应操作。
模式
功能
典型应用
可组合使用的模式
A0
信息检索
快进信息
A4
A1
删除EOM
要最后一条信息的结束处放置EOM
A3、A4
A2
循环
从0地址循环放音
A1
A3
连续寻址
录放连续的多段信息
A0、A1
表3-1操作模式简表
A0（信息检索）——快速跳过信息而不必知道其确切的地址。
控制端每输入一个低脉冲，内部地址计数器就跳到下一条信息。
此模式仅用于放音，通常与A4同时使用4A1（EOM删除）——使分段信息变为一条信息，仅在信息最后留一个EOM标志。
这个模式完成后，录入的所有信息就作为一条连续的信息。
A3（信息循环）——循环重放位于存储空间起始处的那条信息。
一条信息可以完全占满存储空间，那么循环就从头至尾进行。
给/PLAYE发低脉冲后循环开始，给/PLAYL发低脉冲后循环结束。
A4（连续寻址）——正常操作中，重放遇到WOM标志时，地址计数器会复位。
A4模式禁止地址计数器复位，使得信息可连续录入或重放。
当芯片既非录音又非放音时，将A4短暂拉低可使地址计数器复位为0。
A2、A5——末用。
3.4ISD最小化系统的录放
ISD1420芯片可以和少量的外围元件构成一个最小化的录放音电路。
下面是经
典的最小化录放音电路图：
图3-4最小化录放音电路
这个最小化系统有一个LED指示灯、三个微动开关，可以对芯片的录音、播放、停止进行控制。
S3（RECORD）为录音键，按住它时LED灯点亮，此时为录音状态，当录放达到最大时间值或中途放开S3录音按键即停止录音。
S2（PLAYL）为放音键，按一下它就可以播放录音，当放音达到录音的尾声时或中途按下了S1停止键则停止放音。
S1为停止键，当放音过程中按下S1停止键停止放音。
如果有待机时按住S1则开始放音，放音直到录音的尾声或中途放开S1键。
当芯片处于录音状态时LED点亮，当芯片放音结束时LED会闪亮一下。
3.5键盘控制模块
图3-5键盘控制模块
S3（RECORD）为录音键，按住它时LED灯点亮，此时为录音状态，S2（PLAYL）为放音键，按一下它就可以播放录音，当放音过程中按下S1停止键停止放音。
3.6录音和放音模块
图3-6录音和放音模块
3.6.1麦克风参数
型号：
6050－P额定电压：
1－10VV
额定电流：
500MAA阻抗：
2.2KΩ
指向性：
全指向灵敏度：
－30-－62
4设计结果及分析
经过多次修改程序后，现在基本上能实现语音功能，按下按键后能实现相应的功能。
但是需要改成的地方是语音播放处理，使其变得更加清晰。
该语音电路产品，具有音色自然、使用方便、单片存储、反复录放、扩展容易、功耗低微、不怕断电等许多特点，通过扩展外部设备，基于ISD4004的语音产品在通信导航设计、智能仪器仪表、治安报警系统、自动售货机、电子地图、电子导游机、车载信息终端语音播报、公共汽车语音报站器、电磁报层背景音乐播放系统、语音讲解仪、电话自动应答系统、便携式语音记录装置、电子词典、语言复读机、语言音乐教学仪、智能玩具、高档电子礼品等许多领域，都有着极其广泛的应用。
5总结
几周的课程设计结束了，我相信每个人都会又不小的收获。
在这几周中，我们一起完成了我们的任务，我学到了很多，也发现了很多不足。
本文通过对ISD1420语音芯片的一个实际应用的简单介绍，使我熟悉了1SD4004的基本应用。
通过实验验证该语音录放系统录音和放音效果良好，具有一定的实用价值。
我的题目是语音录放系统的设计，对于我们来说，这是一次考验。
怎么才能找到课堂所学与实际应用的最佳结合点？
怎样让自己的计划更具有序性，而不会忙无一用？
这都是我们所要考虑和努力的。
这次课程设计我学到很多很多的东西，学会了怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划。
不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，掌握了一种系统的研究方法。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
虽然前期进行了完备的设计分析和充分的准备工作，在实际操作中我们还是遇到诸多困难。
我们花费大量时间对方案进行讨论修改，考虑到制作的简单易行，芯片功能，我们对设计方案进行不断改进，在理论和实践上实现协调统一；课下我们从图书馆和网上查找资料，不断丰富自己的相关知识，并与老师保持沟通，获得宝贵意见。
为了尽早完成作品，经过课下大量的实践操作，我们提高了焊接技能和效率，丰富了各种器件常识，收获了难得的实践经验。
通过课设更使我明白了学习
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