熊如平- 数字化语音存储与回放系统.doc

摘要

随着经济快速发展，人民生活水平的不断提高，现在的人已经离不开音乐，而且对听觉要求越来越高了。由于计算机技术和数字电子的发展，现在的语音系统有了重大的飞跃，由以前体积较大单放机、复读机发展到了音质较好、体积小、容量大的MP3、MP4、手机，可以说语音技术已经相当成熟了。

传统的语音录放系统设计是纯模拟电子，体积大、噪音大、音效差。随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。而DSP芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。这一方面极大地促进了数字信号处理技术的进一步发展；另一方面，它也使数字信号处理的应用领域得到了极大的拓展。当今，计算机技术带来了科研和生产的快速发展，微型计算机的应用已经渗透到生产、生活的各个方面。单片微型计算机简称单片微机或单片机，又称微控制控制器。它体积小、价廉、功能强，适用范围越来越宽。引入了数字电子和单片机，本文提出的体积小巧,功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以做得更好，更完善。数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音信号转化成数字信号控制。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
真对语音信号进行存储，在回放时再进行解压缩；同时，对输入语音信号进行滤波抑制噪音和干扰，从而确保了语音回放的可靠质量。

系统主要由语音处理前向通道、A／D转换、单片机控制兼数据处理、D／A转换、键盘显示模块及后向处理通道组成。单片机构成系统的控制中心，用来进行控制功能选择和结果显示。通过前级放大，将微弱的电信号放大到2.5v，中间由射极跟随器进行隔离。通过反相加法器将双极性的电信号转换为0～+5V的单极性信号。信号通过A／D转换后进入单片机进行相应处理，然后D／A转换成模拟信号输出，后极通过300Hz～3.4kHz的带通滤波器使之平滑，并用音频功放放大语音信号输出。

语音系统记录了前人的文献，传承了文化；记录了前人的经验，发展了社会；记录了声音，美化我们的心灵。由此可见，语音系统的存在美化了我们的生活，很值得研究。

关键词：语音 单片机 数字电子 回放系统

目录

引言 3

第一章语音存储与回放系统
1.1存储与回放系统简介...................................................................................................4
1.2系统的组成及原理...........................................................................................………4
1.3系统的工作过程...........................................................................................................5
1.4设计论述 .....................................................................................................................5

第二章 硬件描述
2.1 主芯片MCS-8051 ..................................................................................................... 6
2.2 拾音器简介....................................................................................... ………………..6
2.3 电源电路......................................................................................................................7
2.4 时钟电路...................................................................................... …………………...7
2.5 复位电路....................................................................................... …………………..7
输入电路
2.61拾音电路.....................................................................................................8
2.62 放大电路...................................................................................... ..............8
2.63 A/D转换....................................................................................... ………………….9
2.63 滤波电路................................................................................................... ………...11
输出电路：
2.71 D/A转换电路..................................................................................................12
2.72 功放电路 ................................................................................................12
2.73 扩展电路...................................................................................................................13
2.8 自动增益电路 ....................................................................................................... .14
第三章 软件描述
3.1 主程序流程.................................................................................................................16
3.2录音模块....................................................................................................... ………..16
3.3 放音模块..................................................................................................... ………...18
3.34 D/A采样模块............................................................................................................18

结论...............................................................................................................................................19

总结...............................................................................................................................................20

参考文献 ..................................................................................................................................21

引言

新型的语音存储与回放系统引进了数字电子和单片机，从而出现了体积小巧，抗干扰能力强，音质清晰；并采用不同的调制方式使声音多样化；扩加了存储器，加长了储存时间，适应了发展的需要。尤其是现在出现1G、2G较大容量的MP3、MP4，使其性能更好，实用性更强。

传统的磁带语音录放系统因其体积大、使用不便。在电子与信息处理的使用中受到很多限制。本文提出的体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代它。数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音信号转化为数字信号控制。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滤波抑制了杂音和干扰，从而使语音回放的音质清晰。

电容驻极体具有灵敏度高、噪声小、价格低等诸多优点。我们采用两个特性相反的电容驻极体话筒采集声音信号。其输出信号幅度相等，相位相反地叠加起来，还能抵消噪音。采用NE5532使输入信号放大40DB。加入自动增益电路，控制其输入信号的大小。再经过A/D取样把信号送入单片机。由于单片机的内存有限，由四片62256静态数据储存芯片，采用部分分译码法将数据空间扩大至128kbyte。利用A/D采样使其语音回放时间可达32S。系统可分由前向通道、主机和后向通道组成。前向通道中的自动音量控制器可有效的提高系统的性能。另外，系统有自检和工作模式设定等功能，使其具有实用性。

我的课题是数字语音存储与回放系统，从语音存储与回放系统结构介绍硬件描述及程序三部分，对该课题进行论述。由于自身理论水品和实践的不足。设计过程中肯定有许多不足与错误之处，殷切希望老师给予修改指正。

学生：熊如平

2008-4-17

第一章语音存储与回放系统

1.1 存储与回放系统简介

语音存储与回放系统是将采集的声音信号转换成电信号，经过放大、采样处理存入单片机；再由单片机控制输出电信号，经解码、放大、功放还原成声音输出的过程。

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滤波以抑制杂音和干扰，从而确保了语音回放的可靠质量。本系统以8051单片机为核心元件，有四片62256组成RAM阵列，并采用部分分译码法，将外部数据储存空间扩到128kbyte。以达到设计的要求，使其具有实用性。

1.2 系统的组成及原理

系统的组成：

工作原理：
1) 语音采集原理

人耳能听到的声音是的频率范围为20 Hz～20 000 Hz ，而一般语音频率最高为3400 Hz。语音的采集是指语音声波信号经麦克风和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300～3400 Hz 。所以把语音采集的采样频率定为8 kHz。

2) 语音生成原理

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，只要依原先的采样值经D/ A 接口处理,便可使原音重现。

1.3系统的工作过程

由拾音器将声源引起空气震动的声音信号转换成电信号，经过放大器放大信号和带通滤波器滤去高频和低频，选取有用的信号。再经A/D转换将信号变成数字信号送给单片机。这是录音过程，放音是录音的逆过程，在此就不在论述。

1.4 设计论述

通过上面的叙述，可知数字语音存储与回放系统的控制主要应具备以下功能：
⑴ 录音功能：通过拾音器把声音信号转化为电信号，后经放大电路将其放大整形，输出能够为MCS-51单片机所接受的0V—5V标准信号。

⑵ A/D转换： 将上一步的模拟电信号经A/D采样输入单片机，是进行转换中转站。

⑶ 放音功能：单片机将存储的信号通过D/A转换变成模拟信号，再经放大器、功放还原成声音信号。

⑷键盘输入：显示录音和放音时间。PALY键播放，CLR键除、复位键、暂停键。

第二章 硬件描述
2.1主芯片MCS-8051

综合考虑系统扩展方便性，系统工作可靠性，性价比等因素，系统主机芯片采用我们熟悉INTEL公司生产的8位单片机，MCS-51系列8051芯片。一种+5V供电、40脚封装、32根I/O线、可以对信号进行分析、处理计算和控制输出。它是本系统的核心。
由于 语音系统的I/O接口较多，8051本身的接口功能有限，除了结构及功能上的原因之外，还有数量上的原因。单片机号称有4个位双响I/O接口，但在实际中，这些口并不能全部用于I/O接口的目的。例如P0口被作为低8位地址和数据线使用P2口作为高8位地址线使用，而P3口线的第2功能是重要的控制信号，更是系统扩展必不可少的。8051片内存储器有4KROM，数据存储器有128KRAM，片外数据存储器最大寻址范围64KB。所以需要扩展，采用了部分分译码法将内存至128 kbyte。

2.2 拾音器简介
拾音器又名驻极体，是一种用特殊材料经处理制成的特种电容，本身就来有永久性电荷。在较高阻抗外电路所施加一定偏压的前提下，表面电荷的运动对空气的微小变化具有较高的灵敏度。
特点：灵敏度高、频带宽、噪声小、体积小、价廉。

2.3 电源电路

直流电源+12V经芯片CN7805转换，得到+5V稳定直流电压，与直流电源+12V构成一个二级输出电源。 此外外接有滤波作用的电容器，从而使输入电压稳定和输入信号可靠。

2.4 复位电路

RST引脚是复位信号的输入端，只要高电平的复位信号持续两个机器周期以上有效时间，就能使单片机复位。上电手动复位是通过电容充电实现的，电路如图，上电瞬间，RST端电位与VCC相同，随着充电电流减少，RST的电位逐渐下降，只到复位信号无效。

2.5 时钟电路

8051 单片机内有震荡电路，只需在XTAL1和XTAL2间外接石英晶体和电容组成的并联振荡电路（振荡器），晶体可以在固有频率1.2—12MHZ的晶振器之间任选晶体，电容可以在容量为20-60PF之间任选，通常选择30PF的瓷片电容。

2.6 输入电路：

2.61 拾音电路

电容驻极体具有灵敏度高、噪声小、价格低等诸多优点。我们采用两个特性相反的电容驻极体话筒来采集声音信号，其输出信号幅度相等，相位相反地叠加起来，能抵消噪音。采用了低噪音高输入阻抗的运算放大器OP27。该输入级的电压增益由R3和R4的比值决定，即：
A=1+R3/R4=1+100/1 ≈100

2.62 放大电路

驻极体采用衰减为-60dB的话筒，输出电压约1MV，先经过差分放大100倍得0.2V。再经过中间级放大电路采用NE5532N放大100倍可方便实现46dB的增益。

2.63 滤波电路
为了滤除不必要的干扰及杂波,系统前向通道和后向通道中各设计了一个通带为300 Hz ～3 400 Hz 的带通滤波器。此带通滤波器由一个低通滤波器和一个高通滤波器串联而成。其中低通滤波器上限频率为3400 Hz ,高通滤波器下限频率为300 Hz 。电路如图所示,其中A 1 构成低通滤波器,A 2 构成高通滤波器。如选R1 = R2 ； C1 = C2 ；R5 = R6 ； C3 = C4 ，则有： f H = 1/ (2πR1 C1) 、f L = 1/ (2πR5 C3) 。

2.64 A/D转换电路

A/D转换是将模拟的电信号转换成数字信号。可以认为A/D转换器是一个将模拟信号值编制成对应的二进制码的编码器。与此对应，D/A转换器则是一个解码器。

一个完整的A/D转换器应该包含以下输入，输出信号。
① 模拟量输入信号VIN和参考电压VREF。
② 数字输出信号。
③ 启动转换信号。
④ 转换完成信号，输出。
⑤ 数据输出允许信号，输入。
单片机对A/D转换器的控制一般分为以下3个过程。
① 单片机通过控制口发出启动转换信号，命令A/D转换器开始转换。
② 单片机通过状态口读入A/D转换器的状态，判断它是否转换结束。
③ 一旦转换结束，单片机则发出数据输出允许信号，读入转换完成数据。

A/D转换器的主要技术指标如下；
① 分辨率：它是A/D转换器对微小输入变化敏感程序的描述，即转换器最低有效位LSB。所对应的输入模拟值，对一个分辨率为N为2的 转换器，能够分辨满量程的2的 N次方。
② 量程：是指芯片转换的 模拟输入电压的范围，分单极性和双极性。
③ 转换时间：是指转换器完成一次转换所需的时间，即从启动信号到转换结束得到稳定数字输出所需时间。

信号处理采集的模拟量经电容器滤波后送入ADC0809的IN0模拟信号通道。A/D转换器采用常见的ADC0809，二进制输出、逐次比较型转换器。本系统模拟量通过通道INO输入A/D转换器，再由A/D转换器输入单片机。

以下对ADC0809芯片进行简介

ADC0809芯片为28引脚双列直插封装，
其引脚如图
IN7—IN0：模拟量输入。电压范围0-5V
ADDA、ADDB、ADDC：模拟通道地址线
ALE：地址锁存信号
START：转换启动信号。在上跳变时，所有内部
寄存器清0；在START下跳变时，开始A/D转换
D7-D0：数据输出线。可直接和单片机的数据总线相连。
OE：输出允许信号。控制三态缓冲器向外输出转换后的数据。OE=0时输出数据为高阻态，OE=1时输出允许。

输出电路：
2.71 D/A转换

由于所要转换输出的信号为语音信号，其本身是双极性的信号。因此对杂音的处理尤其重要。在无信号输出时，希望其输出对地是零电位，因此应用运算放大器作为电流到电压的转换器，完成双极性控制的目的。数字信号经D/ A 转换、双极性电流至电压变换后已成为模拟语音信号，经带通滤波器再送往音频功率放大器，做适当的功率提升而推动喇叭。由于单片机的端口不够，用锁存器来增加P0到P6。

ADC0809芯片为28引脚双列直插封装。
其引脚如图：

D10—D17：数字量输入。电压范围0-5V
ALE：地址锁存信号
START：转换启动信号。在上跳变时，所有内部
寄存器清0；在START下跳变时，开始A/D转换
Iout1 , Iout2：数据输出线。可直接 外部硬件相连。
OE：输出允许信号。控制三态缓冲器向外输出转换后的数据。OE=0时输出 数据为高阻态，OE=1时输出允许。
XFER为数据传送控制信号，输入低电平有效；
R为反馈信号输入电阻；
Uref为基准电压输入端。

DA0832

2.72．功放电路

音频放大电路采用专用的芯片TDA2040来实现。TDA2040应用电路如图，
可最大提供22W的输出功率。

2.73 扩展电路

系统以C51-8051单片机为核心器件，由四片62256存储器采用译码法将内存扩至128K。扩展电路由锁存器将分开数据总线和地址总线；由译码器输出作为片选信号控制存储器。

译码法是利用单片机没有用到的地址线，经译码器后与扩展的芯片连接的方法。如图是扩展电路：

2.8 自动增益电路

放大后是的信号进入自动音量控制器，电路如图所示。放大电路输出的音频交流电压经二极管2AP9和RC电路结构的包络检波器检波后，输出一个随音频平均电压变化的电压，用此电压控制工作与可变电阻区的场效应管的栅极，改变场效应管的导通电阻，使放大倍数音频信号大小控制。

第三章 软件描述

3.1总体程序设

系统程序由三部分组成,即主程序、键盘中断处理程序和系统定时器中断处理程序。各部分程序功能如下所述:

1) 主程序
        程序中将程序运行状态分为四种：即 、RECORD(录音) 、PLAY(放音) 、ALARM (录音完毕报警) 。在主程序中仅依靠当前状态设置各LED以指示当前工作状态。
2) 键盘中断处理程序
       键盘中断处理程序 。若“录音”键按下,则设置当前状态为“RECORD”，若“放音”键按下,则设置当前状态为“PLAY”。
3) 定时器中断处理程序
       由定时器产生定时中断，定时时间为0. 125 ms。在程序中对应于当前不同 的工作状态做相应的处理。

AD转换程序：

AD0809的各通道地址为7FF0H---7FF7H,置片内入口地址为30H。
程序：

BUFRAM EQU 30H ;8051RAM首地址
BUFADC EQU 0FF0H ;0809启动地址

初始化程序：
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0013H
LJMP INT1；INT1中断服务程序入口地址
ORG 0030H
MAIN：MOV SP，#60H
MOV R0，#30H
MOV R7，#08H
SETB IT1
SETB EX1

SETB EA
MOV DPTR，#7FF0H；指向AD0809的0通道
LOOP：MOVX @DPTR，A；启动中断
WAIT：SJMP WAIT
DJNZ R7，LOOP
中断程序：
INT1：MOVX A，@DPTR；读取转换值
MOV @RO，A；存入片内
INC R0
RET
REALIO： ；实时显示程序
MOV DPTR，#BUFDAC
MOV A，#00H
MOVX @DPTR，A
DELAY：MOV R5，BUFFRE ；延时程序，
DEL1：MOV R6，#2 ；延时为0.001s的倍
DEL2：MOV R7，#126
DEL3：DJNZ R7，DEL3
DJNZ R6，DEL2
DJNZ R5，DEL1
RET
MOVX A，@DPTR
MOV DPTR，#BUFDAC
MOVX @DPTR，A
RET
INC RO
JNZ LOOP
SJMP $

D/A转换程序：

DA0832的各通道地址为0FFFH，置片内输出口地址为20H。
程序：

BUFRAM EQU 20H ，8051RAM
BUFADC EQU 0FFFH ；0832启动地址
MAIN：

ORG 0050H
SETB P1.1

LOOP：MOV R0，#20；指向内单元

MOV DPTR，0FFFH；选1#0832
MOV A，@R0
MOVX @DPTR，A；第一个数写入寄存器
SJMP LOOP

REALIO： ；实时显示程序
MOV DPTR，#BUFDAC
MOV A，#00H
MOVX @DPTR，A
DELAY：MOV R5,BUFFRE ;延时程序，
DEL1：MOV R6；#2 ; 延时为0.001s的倍
DEL2：MOV R7，#126
DEL3：DJNZ R7；DEL3
DJNZ R6，DEL2
DJNZ R5，DEL1
MOVX A,@DPTR
MOV DPTR,#BUFDAC
MOVX @DPTR,A
RET
INC A
JNZ LOOP
SJMP $

可展程序：

1#62256的地址范围为0000H—3FFFH，所以可展的地址范围为000H---CFFFH。构成了128Kbit的数据存储器，将P2.5、P2.6、P2.7分别接74LS138的输入端。
E1、E2接地，E3高电平，这样可实现数据存储器的可展。
程序如下：
MOV DPTR，#0000H；1#62256地址
MOV R0，#40H；源首地址
LOOP:MOV A，@R0；取数据
MOVX @DPTR，A；传数据
INC R0
INC DPTR

JNZ LOOP；循环
SJMP $

数码管显示流程图
延时12ms
查段选送至P1.1口
显示下一位左移
送首位至P1.0口
查段选码
初始化显示缓冲区首址
结束
4位显示完
指向下一显示缓冲区单元
开始

动态显示子程序
DIR： MOV R0，#7AH
MOV R3，#01H

MOV A， #00H
MOV R1，#BRTPORTH
MOVX @R1，A
LD1：MOV A，@R0
MOV DPTR，#DSEG
MOVX A，@A+DPTR
MOV R1，A
MOV R2，#BITPORT
MOV A，R3
MOVX @R1，A
LCALL DELY
INC R0
JB A，LD2
RL A
MOV R3，A
SJMP LD1
LD2 ：RET
DSEG:：DB C0H，F9H， A4H， B0H， 99H， 92H， 82H
DB F8H，80H，90H，88H，83H，C6H，A1H
DB 86H，84H，FFH

结论
  将语音信号从麦克风输入，待存储器存完成后，按放音键回放语音信号并调整放大器增益，使语音信号不失真地输出，实现系统的功能。结果表明：该系统增益调节宽；抑制杂音能力强；数字化语音存储时间长。随着语音系统在电子信息业中的普及使用，本系统必将有很广阔的应用前景。改进后系统可达到提高工作效率，性能稳定，工作可靠，节能潜力大，符合发展的需要，具有良好的实用性。

总结

通过这次对数字化语音存储与回放系统的论文设计，我感受颇深的是，运用所学的知识去解决实际问题，才是我们学习的目的。在整个设计过程中，我翻阅了大量的单片机、电子方面的书籍，运用网络查找了大量资料，
还用到 Protell 99se、Microsoft office等软件进行原理图和文档编辑。

在设计过程中，遇到了许多实际问题，例如设计成本，工作的可靠性，性价比等等，由于自身知识的局限，设计中并没有考虑到这些问题，只是运用了我最熟悉知识，来完成此次设计。但对于基本的语音系统，及控制方法，我还是有很深刻的理解与认识。再经后的学习中，我会慢慢积累经验，争取为我国电子事业进自己微薄之力。

致谢
本次设计得到了各位老师和同学和的大力支持和协助，尤其是武汉交通职业学院王伟祥老师和武汉菱电汽车电子有限责任公司胡道军工程师对此次设计给予了很多的宝贵意见和指导，在此一并表示感谢。

参考文献

《单片机原理及应用》 张 桂红 主 编
《单片机微型计算机原理及接口技术》 杨光友 朱宏辉 主编
《MCS-51系列单片机应用系统》 鲍宏亚 李月华 主编
《数字电子技术》 杨志忠 卫桦林 主编