1、基于单片机的语音录放系统2资料 2013届本科生毕业设计 分类号：TP273题 目: 基于单片机的语音录放系统设计作 者 姓 名： 甘 赣 学 号： 2009080217 学 院： 机械与电子工程学院 专 业： 电子信息工程 指导教师姓名： 李光宇 指导教师职称： 讲 师 2013年1月2日摘 要针对语音录放的问题，设计了一个操作简单、功能强大的语音录放的系统。系统以STC89C52RC+ 单片机作为控制器，采用集成语音芯片ISD1700作为语音录放芯片；利用单片机控制语音芯片完成语音的录制、存储、回放等功能，采样频率为8KHz时，录音时长为240秒。在语音采集模块采用了双麦克降噪技术可以明显
2、的降低录制时的噪声。仿真实验表明该系统具有良好的录音、语音回放等功能。关键词：单片机； ISP； ISD1700； 数码录音ABSTRACTAbout the problem of voice rocord and playback,a system which was powerful and simple was designed.The STC89C52RC+ MCU was the controller and ISD1700 chip was the major chip.MCU could control the ISD1700 chip to record,storage,pla
3、yback,and other functions,and for 8 KHZ sampling frequency,the recording time is 240 seconds.At voice acquisition module dual mic noise reduction technology was used and it could significantly reduce the noise.Simulation show that the system has a good recording and playback function.Key words: Sing
4、le Chip Microcomputer; ISP; ISD1700; Digital Recording目 录绪论 11 设计方案 22 ISD17240语音芯片简介 42.1 主要特性 42.2 电气特性 42.3采样率可通过外接电阻调节 42.4芯片操作规则 52.5 SPI时序图 53 硬件电路设计 53.1 控制部分电路 53.2 语音部分电路 63.3 电源部分电路 63.4 按键模块 73.5 采集模块电路 73.6 输出模块电路 84 软件系统设计 94.1 放音程序流程图 94.2 录音程序流程图 104.3 部分函数说明 115 系统调试 12结论 13参考文献 14附录
5、一 系统原理图 15附录二 印刷电路板 16附录三 主控程序 17致 谢 21绪论自1877年爱迪生发明留声机以来，人类便迈入了声音的奇幻世界。留声机最早应用仅限于声乐艺术的传播。在人们对声音录制的依赖和对录放设备的改进中，声音录制逐渐推广到的各个行业中，为人们的生活带来了极大的便利和乐趣。随着科学的发展，新技术的产生。从留声机开始，声音录放设备经历了电唱机、卡带式录音机、CD播放机以及直到如今普遍流行的数字播放器的进化史。当下，数字播放器的流行是科技发展的使然。老旧的播放机普遍采用机械式结构，多以磁带为存储媒介，通过机械联动按键操作。因此传统的播放机在为人们带来留住声音享受的同时，因其结构复
6、杂易坏、体积重量大、录音时间短、操作过程繁杂而且精度低等多种缺点而饱受诟病。同时，由于采用卡式磁带存储，其保存时间短，保存要求严格，后期内剪辑困难等缺点也影响着录音设备的进一步发展。在人们对录音要求越来越高、越来越多样化的境况下，传统设备因其先天的缺陷，越来越显颓废，无法满足用户的需求。应此数码录音系统便应运而生。可以说数码录音系统的产生是科技发展的结晶，是现代电子技术的综合体现。它采用了集成电路设计，使用大容量半导体存储器同时设计有智能化、多功能的操作系统，为录音设备的发展开辟了一条新的前景更加广阔的道路。与传统录音设备相比，数码录音系统有着体积小、造价低、录音时间长、易于剪辑存储、操作简单
7、、功能丰富等多种不可替代的优点。极大的满足了人们对录音设备的高要求，功能多样化的要求，从而广受各行各业的青睐。在科技人员的努力下，现在的数码录音设备不断的完善。在原有许多传统录音设备不可比拟的优点下，更发展出了智能节电、噪音过滤、高保真播放、内容实时管理等新功能。在世界各大录音顶级厂商的支持下，数码录音设备正以追求原音质为最高目标，集成多种功能的原则下不断进化，为人们带来最好的录音享受。本设计的内容是语音录放系统，处理的对象是音频信号。声音信号的录放在日常生活及工业控制领域有着广泛的应用，比如数字化音频合成软件、交通系统站台自动报站、商场智能导购、银行业语音播放。特殊环境下语音录制等场所的语音
8、信息的录制与提醒。而以往的语音采集方式是由磁带式录音机实现的，其笨重的结构、短暂的录制时间、严格的保存环境等饱受客户诟病。针对这些应用的需求与改进，本系统的设计目的是实现一种简单、可靠的录放系统。他有着录音品质高、录音时间长、录音数据保存周期长、回放简单、并且具有多段录音分段管理等多种优点。它是一种应用广泛，功能强大，价格低廉的数字录音设备。本设计是对音频信号进行实时采集与后期播放，设计的语音录放系统实现了基本的录放控制功能：当按住录音键时，系统开始录制当前声音信号，放下后停止录音；当按下播放键时系统播放之前录制的声音信息，再次按下播放暂停。按下擦除键，原有存储在存储体的音频信息全部被清除。动
9、作LED指示当前正在进行的操作。1 设计方案方案一：以单片机为主控，采用独立音频解码芯片以外接扩展存储卡存储模式。方案优点：首先采用了成熟的压缩解码方案，可以在保证音质的前提下提高存储空间的利用率；其次是使用了灵活的扩展卡，使得存储器的选择空间更大，而且也可以更加便捷的与他人分享数据。方案缺点：因为采用了多个第三方关键部件，就不可避免的造成了产品的成本较高。又因为解码芯片本身只负责数据的压缩与解压缩，所以需要设计整个录放系统的每一个环节，极大的延长了整个开发周期。其次，由于采用了数据的压缩与解压缩算法，不可避免的会造成数据的丢失，失真等各种问题，增加了课题的难度。方案二：通过单片机主控，向语音
10、芯片ISD1700发送操作指令构成。方案优点：语音芯片集成了内部存储器，同时内置音频处理方案，以及输入输出功放，仅需几个简单的外围元器件就可以构成一个完整的录放系统。同时，由于芯片内部集成存储器，有效地降低了电路的复杂程度和产品成本。方案缺点：由于存储器内置，使得存储空间不能再扩展，限制了录音容量。而且由于芯片本身的因素，已经录制的内容，需要专门的转录设备转录，不易拷贝和自由分享。同时，因为大部分电路已经集成在芯片内部，设计人员不可更改，这在一定程度上固化了设计，不利于产品后期的升级维护。在详细比照上述各个方案的优缺点之后，方案二便脱颖而出。理由很简单，方案二采用了语音芯片，录音数据存储在芯片
11、FLASH内，没有经过任何压缩，所以有较好的音质和断电存储。本系统的电路设计框图如图1所示，它由三大部分六个模块组成：1 控制部分：采用单片机STC89C52RC+构成的最小系统模块；2 语音部分：采用ISD17240语音芯片；3 电源部分：采用USB供电和外部整流电源双供电互备份方式；4 按键模块；5 语音采集模块采用双麦克降噪采集；6 录音回放模块设计有双路输入输出。图1 基于单片机的语音录放系统设计方案1) 控制部分STC89C52RC+是宏晶公司推出的最新一代单片机的代表之作，它具有超强抗干扰、高速运行、超低功耗等优点。STC89系列单片机是基于Intel标准的8052，指令代码完全兼
12、容传统的8051系列单片机，同时还具有可调12时钟/机器周期或6时钟/机器周期。2) 语音部分ISD1700 系列芯片是华邦公司最新推出的单片优质语音录放集成电路产品，该芯片集成了众多独特的新技术，其中有包括的内置的有自主专利的多信息管理系统，独立与嵌入式双运作模式，新录音信息提示功能，同时还增加了可定制的操作指示音效功能。ISD1700 系列芯片内部包含有麦克风前置多级放大器、多路扬声器驱动电路、音量自动增益调整、振荡发生器与内置大容量存储器等。ISD1700语音芯片提供了可以工作于SPI串行接口的工作模式。通过四线（SCLK，MOSI，MISO，/SS）SPI协议主控单片机可以对ISD17
13、00系列芯片进行串行通信及各项动作控制。通过这个SPI协议面向从机ISD17240的几乎所有的操作都可以完成。3) 电源部分本设计在实际应用过程中，往往会遇到不可预见的断点事故。为了提高系统的稳定、可靠性能，在电源部分采用了双电源供电设计。一个是USB供电，另一个是外部电源供电。4) 按键模块ISD1700不仅可以工作于SPI控制模式还可以在独立按键模式下工作。在按键模式下可以快捷的实现录音、播放、快进、完全擦出、音量控制、播放通道选择、系统复位等基本功能。该模式设计电路简单，功能强大完整，系统还可以通过LED闪烁动作提示系统当前的录音工作状态，同时伴有预制提示音提醒，用户可以设置预制四种提示
14、音效提示音。5) 采集模块传统的驻极体电容式麦克风因其灵敏度高，采集音频质量好，而是本设计中不二之选。但也因其灵敏度高使得环境噪音突出抗噪能力差、增益太小、高音失真等缺点。为了克服驻极体麦克风的缺陷设计出一个性能优良的采集模块，我们决定采用双麦克多级放大电路设计，一种一个麦克风面向采集对象，另一个麦克风采集环境噪音，再通过波形整合去除环境噪音以达到降噪目的。6) 录音回放模块ISD1700本身提供了驱动喇叭的PWM输出与接外部功放的电流/电压输出。为了进一步提高系统对喇叭的负载能力，我们设计了差动PWM输出电路，同时兼顾外部功放电流两路输出。2 ISD17240语音芯片简介ISD1700系列录
15、放芯片是一种高度集成的芯片，性能卓越。它不仅可以实现多段录音，而且供电范围在2.4V至5.5V之间，工作电压宽泛。同时其采样率可在4KHz至12KHz之间调节。ISD1700内部集成模拟线路输入、多级前置放大电路、话筒自动增益运放、多级存储整列、多级可调音量控制设计。同时片内还设计有PWM与外部功放AUX双音频输出电路。该系列芯片在内容管理上也独具特色，其内置具有完全自主产权的存储管理系统能够实现多段录音实时管理的功能。在控制方面ISD1700提供独立按键控制和SPI控制双模式，以满足系统在不同情况时的要求。2.1 主要特性 1) 录放擦出次数高达十万次，断电内容保存2) 理论内容有效保存时间
16、长达一百年 3) 控制方式多样，录音输入方式多样，放音输出方式多样4) 可同处理高达 255 段以上的录音信息5) 具有丰富的工作状态提示信息6) 录放存储时间可调 7) 录音品质出众，8) 工作电压宽图2 ISD1700芯片2.2 电气特性1) 工作电压：2.4V 6V 2) 静态电流：0.5uA 1A3) 工作电流：20mA2.3采样率可通过外接电阻调节如表1所示，我们可以通过改变震荡电阻的值来改变采样频率。表1 参考震荡电阻值2.4芯片操作规则SPI协议是一个同步串行数据传输协议，该协议在规定中严格定义ISD1700移位寄存器在时钟信号（SCLK）的下降沿动作，也就是说，ISD1700芯
17、片在时钟上升沿锁存MOSI管脚的数据，在时钟信号下降沿将数据送至MISO引脚。ISD1700的ISP协议的具体内容请查阅芯片手册。2.5 SPI时序图图3 SPI时序图3 硬件电路设计在对整个系统框图和设计方案有了一个了解之后，硬件电路的设计就如拨开迷雾一般愈加的清晰。本系统设计由三大部分六个模块构成：控制部分、语音部分、电源部分、按键模块、语音采集模块、录音回放模块。3.1 控制部分电路单片机P0口的P0.4、P0.5、P0.6和P0.7分别连接至语音芯片的MISO、MOSI、SCLK和SS管脚，这里主要负责ISP通信功能。P3口的P3.2、P3.3、P3.4和P3.5作为ISP模式下的控制
18、按键，控制部分电路如图4所示。图4 控制部分电路图3.2 语音部分电路本设计提供了60K与80K两种外部震荡电阻选择，对应语音芯片采样率为12KHz和8KHz。同时保留了独立按键模块。语音部分电路图如图5所示。图5 语音部分电路图3.3 电源部分电路我们知道STC89C51RC单片机和ISD1700均工作在5V电压下，因此设计一个5V的电源就可。其中给单片机供电，要求满足在电压、电流上复合上电复位的条件。所以我们要设计出一个既能提供稳定的电压、充足的电流还能及时建立电压的电源。本文所设计的是一个以电池供电为主，以USB供电为辅的双备份电源。整体电路结构简单易于制作，价格低廉。电源供电电路图如图
19、6所示。图6 电池供电电路为了消除切换电源时的电流波动，使得电路切换流畅不影响芯片的正常工作而设计了一个由电容构成的简单滤波延时电路。同时设置电源指示灯指示电源通断。切换电路图如图7所示。图7 电源切换电路3.4 按键模块按键模块采用了简单式按键结构，电路见图4和图5。其中包括SPI模式中使用的按键和正常录音放音模式下使用的按键。3.5 采集模块电路我们知道，在实际的生活应用中，数码录音笔的采样环境较为复杂。经常处于一个充斥着各种噪声的环境中，所以设计一个可以有效抑制噪音，并且性能优良的采集电路影响到整个录音品质的提升。这里我们通过两个麦克进行音频采集，一个采集音源，另一个采集环境噪声，然后通
20、过简单的波形相减达到消除噪声的目的。图8 采集模块电路如图8，MIC1是主话筒，MIC2是环境噪声信号话筒。我们将MIC2放置在系统的底部，MIC1直接面对要采集录音内容的对象。对于整个录音系统而言，在整个录音水平中，MIC1采集的包含有语音信号和噪音的混合信号与麦克风2采集的环境噪音信号噪声信号强度是一致的，我们可以用数学方法表示为：VMIC1 = VZ+VY ；VMIC2=VZ ；其中VY和 VZ分别代表语音信号和环境噪声信号。两路信号分别经过Q1、Q3三极管将两路信号放大后直接送入差分放大器（由集成电路构成）进行信号的相减，由差分放大器的工作原理可知，VOUT=（VMIC1-VMIC2）
21、R17R20=（VZ+VY-VZ）10=10VY其中R17/R20是放大倍数，所以在A运算放大器的输出端就可以到经过降噪处理同事被放大10被的语音信号。为了使话筒放大器和声卡都能工作在最佳状态，本电路还特别设计了由B运放构成的缓冲器，以隔离这两部分电路。我们可以在实际使用中通过R27调校降噪的效果。3.6 输出模块电路1) 差分PWM输出电路图9 差分PWM输出为了提高系统的负载能力，设计PWM差分输出电路。此电路充分且灵活运用了集成运放内部元件参数匹配性能好、易于补偿的多种优点。2) AUD单极音频电流输出电路图10 AUD单极音频AUD单极音频电流输出电路结构简单，滤波效果好，完全能够满足
22、此设计的需要。4 软件系统设计一个出色的系统不仅需要有优秀的硬件电路，还需要有合理的软件系统的支持。这里用C语言作为此次软件系统的设计语言。使用C语言编程，其好处比不言而喻，它的执行效率也仅仅比汇编语言降低了一点点而已。而且在拥有众多优秀编译器的今天，这点执行效率的差距已经是不值一提了。系统程序包含有主程序、语音芯片驱动程序、预制声音数据等。主程序的主要功能是检测按键动作，然后根据判断执行下一步动作。驱动程序的主要功能是提供具体操作语音芯片进行各种动作的功能函数。预制声音数据是提前录制好的声音数据，需要专门的软件才能导入到语音芯片中。4.1 放音程序流程图图11 放音程序流程图4.2 录音程序
23、流程图图12 录音程序流程图4.3 部分函数说明unsigned char ISD_SendData (unsigned char dat); / 向ISD发送读取数据unsigned char ISD_Devid(void); / 读取ISD1700 A P C寄存器的内容void ISD_PU(void); / 系统上电操作void ISD_STOP(void); / 停止当前操作void ISD_Reset(void); / ISD1700芯片复位void ISD_Clr_Int(void); / 中断标志清除void ISD_Rd_Status(void); / 读取状态寄存器void
24、 ISD_Playptr(void); / 读取放音指针地址void ISD_PD(void); /下电void ISD_Rd_Recptr(void); /读取录音指针void ISD_Play(void);/放音void ISD_Rec(void);/录音void ISD_Erase(void);/擦除void ISD_G_Erase(void);/全部擦除void ISD_Rd_APC(void);/读取APC寄存器内容void ISD_WR_APC2(unsigned char apcdatl,apcdath);/设置APC2void ISD_WR_NVCFG(unsigned cha
25、r apcdatl,apcdath);/将APC数据写入NVCFG寄存器中void ISD_LD_NVCFG(void);/将NVCFG数据载入APC寄存器中void ISD_FWD(void);/放音指针下跳下一段void ISD_CHK_MEM(void);/空间检查void ISD_EXTCLK(void);/外部时钟开关void ISD_SET_PLAY(unsigned char Saddl, Saddh, Eaddl,Eaddh); /指定地址播放void ISD_SET_Rec(unsigned char Saddl, Saddh, Eaddl, Eaddh); /指定地址录音v
26、oid ISD_SET_Erase(unsigned char Saddl, Saddh, Eaddl, Eaddh); /指定地址擦除5 系统调试整个电路和程序设计好后，画出了电路原理图，布线后制作出PCB板。然后在创新实验室完成了焊接工作，制作出了实物，如图13所示：将系统程序烧录至单片机中后上电。按下录音键，录音指示灯常亮，开始录音；按下PLAY键，指示灯闪烁，开始播放已经存储的录音；再次按下PLAY键，播放中断；长按ERASE键，擦除存储的录音信息。根据测试结果，当选择60K电阻（采样率12KHz）时，录音时长为160secs左右；当选择80 K电阻（采样率8KHz）时，录音时长为24
27、0secs左右。结论通过以上论述，我们了解到语音在生活、生产中的广泛应用。不仅仅是在常见的语音聊天、录音放音上，它还大量应用于语音提示、日志记录、生产教学等诸多方面。这里，我们着重介绍了一种基于单片机的数字录放设备。通过采用常见的单片机主控和语音芯片ISD1700完成录音与放音的操作。随着语音芯片性能的逐步完善，系统也越来越多的集成了更多高级功能。该系统不仅功能强大、而且制造成本低廉。其以录音品质高、录音时间长、录音数据保存周期长、回放简单、可多段录音等突出优点成为众多类似设备中一颗耀眼的新星。在论述中详细的讲解了语音芯片的工作原理、电器性能、工作特点、电路实现等一系列技术要点。并且探索出了I
28、SP控制与独立按键控制相结合的独特功能。同时，在操作的过程中有LED提示功能，让我们对系统的工作状态一目了然。本文对录音系统的实现原理、设计生产进行了系统、全面地阐述，并加以解释说明。同时对录放设备的应用提出了诸多新的探索。基于单片机的数码录音笔不失为语音应用领域的一次有意的尝试。相信随着不同用途的发现，以及实现方法的多样，语音的运用会占据这越来越重要的地位。参考文献1温国谊,温谊波.基于ATMEGA16语音录放系统的设计与实现J.微型机与应用,2011(01):16-18,22.2唐宏文.基于AT89C51的语音录放系统J.硅谷,2011(09):178.3雷刚.单片机语音处理技术应用J.信
29、息与电脑,2011(07):173-174.4郭凤雨,龚成龙,张磊.基于51单片机的语音提示饮水杯的设计J.电子设计工程,2011(16):178-181.5史明泉.基于DSP的语音录放系统的设计J.无线电工程,2011(12):53-55.6王彦茹,胡体玲.基于单片机的语音记录仪J.电子设计工程,2011(24):190-192.7燕卫.基于IDE硬盘的超长时间语音录放系统J.软件导刊,2011(12):156-157.8肖佳勇,胡诚,李绍武,王秋菊.分离式语音礼品盒录放系统的设计J.中国科技信息,2012(04):78-79.9戴国强,郭高荣,侯霞.基于ISDl700系列语音录放电路的实现
30、J.福建电脑,2012(02):146-147.10祝秋文,柳智.基于ISD1730的汽车语音提示系统设计J.汽车实用技术,2012(04):53-55.11赵智超,吴铁峰.高保真语音录放系统的设计J.科教文汇,2012(06):100-101.12梁宇寰.基于单片机的语音控制系统设计J.科技与企业,2012(13):107.附录一 系统原理图附录二 印刷电路板附录二 印刷电路板附录三 主控程序/*头文件*/#include reg51.h#include sound.h#include ISD1700.H#define uchar unsigned char #define uint uns
31、igned int/*函数声明*/extern void spi_pu (void);extern void comm_sate(void);extern void spi_stop (void);extern void spi_fwd (void);extern void spi_play(void);extern void isd1700_7byte_comm(uchar comm_par, uint star_addr, uint end_addr);void init(void);void PlaySoundTick(uchar number);void LEDShow(void);void delay_isd(uint time);/*SPI通信接口*
