数字化语音存贮与回放集成系统设计定.doc

JI A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 设 计 数字化语音存贮与回放集成系统设计Design of Digit-Voice storage and Playback System学院名称： 专业班级： 学生学号： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2016年6月摘要 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计数字化语音存贮与回放集成系统设计 摘要： 本次课题设计了比起传统的磁带语音录放系统更优化的数字化语音存贮与回放系统，此系统更加的方便实用。其基本原理即是实现对语音信号的录制与回放的数字化控制，从而摆脱了传统方式的一系列制约。在此设计中想要增加存储器的利用率以及增进语音信号的存储时间，系统采取了非失真压缩算法来达到语音信号的压缩以及实现语音的存储的功能，而在信号的回放的时候再对此信号解压缩，从而实现了话音信号的录放功能。而且为了提高语音信号的录制与回放质量，在设计中加入了数字滤波电路来抑制杂音和干扰。本课题主要是基于单片机AT89C51完成设计，利用外接扩展为32KB的RAM62256存储芯片来满足对语音信号数据进行存储所必要的存储空间。在针对语音信号的存储，本文采用了AD574来实现对模拟信号的数字化处理，而在对信号回放时则采用DAC0832对数字语音信号进行数模转换以还原声音信号。而在语音编码部分采取了自适应差分编码（ADPCM）方式，此方式能在一定压缩比下提高放音时间以及质量。AGC单元能够使放大器的增益随着信号的强弱而自动进行调整，从而使得输出相对稳定。另外，完美的带通滤波器设计能够有效的滤除了带外噪声，从而避免了一些不必要的混叠失真，而且，为了使信号能够完美输出，还要通过后级补偿电路对输出的语音信号采取了校正。完成后的语音存储与回放系统具有录放方式灵活便利、磨损度微小、可靠性强等优点。关键词：数字化存储，录放，数字滤波，单片机，模/数转换，校正Abstract 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计Design of Digit-Voice storage and Playback SystemAbstract: In this paper, the design of the digital voice storage and playback system can completely replace the traditional tape voice recording system,this system is more convenient and practical.Its basic principle is to control the recording and playback of the voice signal, and get rid of the traditional way of a series of constraints.In this design in order to improve memory utilization rate and increase the storage time of speech signal, the system uses the lossless compression algorithm to compress the speech signal to realize the storage, and the playback signal then decompress, so as to achieve the function of speech signal storage and playback.And in order to improve the quality of the recording and playback of the voice signal, the digital filter circuit is added to the design to suppress the noise and interference.This system is mainly based on the MCU AT89C51 to complete the design,and the system uses external extension 32KB 62256 memory chip to meet the needs of the voice signal data storage space.The voice storage part uses AD574 chip to realize the digital processing of analog signal, and the digital voice signal is converted to the voice signal by using ADC0832 in order to restore the sound signal.The encoding part adopts adaptive differential encoding (ADPCM), in a certain compression ratio to improve playback time and quality.AGC unit can make the gain of the amplifier with the signal strength and automatic adjustment, make the output is relatively stable.The band pass filter is effective to filter out the band noise and reduce the aliasing distortion. The output speech signal is corrected by the back stage compensation circuit. The voice storage and playback system of the final design has the characteristics of convenient recording, flexible playback, no wear, strong reliability and so on.Keywords: Digital store, Playback, Digitalfilter, Singlechip, A/D Convert, Correct ing目录 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计目录第1章 绪论11.1.本课题研究的目的与意义11.1.1 研究目的11.1.2 研究意义11.2.语音存储的发展11.3 课题研究背景11.4 国内外语音研究现状21.5 设计的要求及指标21.6 系统论证方案31.6.1 语音编码方案31.6.2 A/D、D/A及存储芯片的选择31.7 论文研究内容4第2章 语音信号与编码52.1 语音信号52.2 语音编码52.2.1 抽样52.2.2 量化62.2.3 编码72.3 编码方式选择7第3章 系统硬件设计93.1 硬件系统框架概述93.2 拾音器103.3 放大器的设计103.3.1 增益放大器103.3.2 输出放大器113.4 滤波器的设计123.5 AT89C51单片机简介143.5.1 单片机具体引脚介绍153.5.2 单片机主要性能指标163.5.3 时钟电路173.6 A/D、D/A转换器173.6.1 AD转换器173.6.2 DA转换器183.7 存储器的选择203.8 键盘电路20第4章 各模块接口原理224.1 AT89C51与AD574的接口原理224.2 DAC0832 与单片机的接口原理234.3 存储芯片与单片机的接口原理244.4 系统接口总图24第5章 软件设计265.1 编程软件Keil uVision4265.2 绘制电路软件Proteus265.3 软件程序设计265.3.1 程序流程图265.3.2 子程序设计27第6章 系统误差分析与结论306.1 误差分析306.2 结论30总结31致谢32参考文献33I数字化语音存贮与回放集成系统设计 江苏大学电气信息工程学院本科毕业设计第1章 绪论1.1.本课题研究的目的与意义1.1.1 研究目的数字化语音系统是现在使用率较高的语音系统，对于此系统的设计与研究，能够培养学生的理论和动手实践能力。该设计包含语音采集电路，放大滤波电路，单片机外围接口电路，数模、模数转换电路等，当然除了硬件设计，还应用到了软件设计部分，从而也会用到一些相关处理程序，C语言的相关应用等，这样我们就可以重新温习那些重要的相关知识。1.1.2 研究意义由于经济实力的不断发展，人民生活与消费水平同样在不停地提高，对听觉要求越来越高了。为了满足人们的物质文化需求，提供便利的语音录放功能，数字化语音存储与回放系统的发展不容忽视。由于传统的磁带语音录放系统有许多缺点，其体积大、用起来不方便,已经不能满足人们的需求，所以体积较小,功耗较低的数字化语音存储与回放系统一定会逐渐取代传统的语音系统。1.2.语音存储的发展 对于语音的存储与回放一直以来都是人们一直研究的内容，而且也在不断的发展和进步中。自从1877年爱迪生发明留声机以来，语音技术的发展已经有一百多年的历史了，之后语音技术不断的发展和革新中。从留声机到唱片到磁带到CD，VCD，再到现在的MP3播放器及其他高级播放设备，期间一直不断探索创新。语音技术也渐渐的从传统磁带语音录放发展到如今的数字化语音录制与回放系统。1.3 课题研究背景随着物质发展及消费水平是不断提高，现在的人已经离不开音乐，并且对听觉的要求也越来越高，语音信号作为最常用的信息载体之一,它的处理与存储,也变得越来越重要。随着科技水平的不断发展，如今的语音系统可以说是有了重大的飞跃，由之前的体积较大的留声机、复读机，逐步发展到了音质较好、体积小巧、容量较大的音乐播放器MP3、MP4等，再有就是如今的手机，可以说语音技术如今已经相当成熟了。并且传统的磁带语音录放系统因为其体积较大、使用起来不方便，而且录音的效果不理想，容易消磁失真，而数字化语音录放系统以其体积小，使用便利，携带方便，存储速度快，检索方便等优点，将会逐渐成为主流语音录放系统，并且会应用到许多的领域和场合。所以，数字化语音存储与回放系统是当前的主要研究趋势。人们生活水平的不断提高，就要求语音录放系统的不断发展升级，而且在生活中方方面面都应用到语音录制回放系统，例如，录音笔，音乐播放器等。而且，数字化语音录放系统的发展也对生活的需求提供便利。比如，生活中各个行业的智能语音系统，像银行的语音播报系统，移动联通电信行业的智能语音客服系统，以及轨道交通智能语音通报系统以及一些景点博物馆等的智能语音解说系统等等的一些应用。这些方面应用了数字化语音录放系统就能够节约许多的人力物力资源，为各个行业提供了便利。1.4 国内外语音研究现状 自从1877年爱迪生发明留声机以来，语音技术的发展已经有一百多年的历史了，从80年代以来，日本，美国等国家就对数字化语音信号进行了相关的研究，并且也逐渐开发出一系列的数字化语音集成芯片，并不断研发出新型产品。在我们的日常生活中，数字化语音存储与回放技术得到了广泛的应用，例如公交车报站器，采访笔，音乐播放器，手机等，为我们的生活提供了便利。 最近几年来基于单片机式的语音集成电路发展十分迅速，ISD公司也推出了语音容量越来越大的芯片。之前，西南交通大学曾应用ISD4004语音芯片设计了定时自动录音播放系统，实现了最长可达一个多小时的节目录放功能。随着单片机芯片技术的不断发展，使得数字化语音信号集成电路也不断地发展与技术革新，这就表示我们可以将很多复杂的电路集成到小型的单片式芯片上，使得大规模语音系统小型化得以实现。目前，较长时间的语音电路设计是一个未能解决的难题，如景区，展览馆的自动语音讲解、广告播放、列车指挥、119电话录音系统、会议录音系统等。 1.5 设计的要求及指标1 放大器1的增益是46dB，放大器2的增益是40dB，增益都是可以调节的；2 带通滤波器：通带频率为300Hz-3.4kHz；3 ADC：采样频率fs=8kHz，字长8位;4 语音存储时间10 s;5 DAC：变换频率fc=8kHz，字长8位;6 回放语音质量良好。1.6 系统论证方案1.6.1 语音编码方案一般来说，人耳能听到的声音频率范围基本上为20Hz20kHz ，而且语音信号的频率最高可以达到3400Hz。语音编码首先要经过语音采集的过程，然而语音信号的采集指的是语音声波信号经过麦克风以及高频放大器的收录进而转换成具有一定幅度的模拟量形式的电信号,然后再将之转换成数字量信号的全过程。根据“奈奎斯特采样定理”的内容表示,欲使采样信号无失真,采样的频率一定要大于模拟信号最大频率的两倍。由于输入的语音信号频率通常为300Hz3400Hz ,采样信号最低应为6.8kHz,由于要保留一定的频率空间以保证语音质量,所以在实际采样的过程中要采用8kHz的采样频率。现如今单片机的快速发展及更新换代，使得基于单片机来实现的语音编码多种多样，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有VQ技术以及一些变换编码和神经网络技术，但是这些算法可能相对来说有点复杂，而且目前的单片机运行速度低，比较不容易实现。所以从实际情况出发，可以得出以下几种可行的方案：短时平均过零计数法：此种方案的主要方式是通过记录信号的跨零数目，从而把语音信号编码为与之相对应的数字信号，此方法通常用于语音识别中。但是对于单片机来说，因为其处理数据能力较低，所以此种方案比较难以实现。实时幅值采样法：采样过程可以描述为下图流程：抽样量化存储 图1.1 采样过程具体的实现方式主要分为直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。1.6.2 A/D、D/A及存储芯片的选择（1）A/D转换芯片的选择：由于目前常用的A/D转换芯片种类繁多，但是根据本课题中转换速度的要求，我们所选用的A/D转换芯片为AD574。该芯片本身有很多的优点，例如外接元件少，功耗低，精度高，同时还具有自动校零与自动极性转换的功能，仅仅只要在外部接少量的阻容元件就能行成一个完整的A/D转换器。（2）D/A转换芯片的选择：D/A转换芯片是把数字语音信号转换为模拟语音信号的器件，因为基本上普通的模拟换器件都能达到1s的转换速率，能够满足本次的设计目标，因此我们选用了通用D/A转换器DAC0832。（3）数据存储器的选择：根据本题目的设计要求，在信号采样频率fs=8kHZ，字长为8位时，录入1s时长的语音就占用了8k字节的存储空间，则存储器至少需要有80k8容量。因此本次选用RAM62256作为数据存储器，通常情况下，一块62256芯片可以存储60秒钟左右的语言。1.7 论文研究内容本课题设计主要是通过利用AT89C51单片机、语音前置放大器电路、滤波放大电路、模数转换（A/D）电路、数模转换（D/A）电路等来实现对语音信号的存储与回放功能，采用低延时码激励线性预测（LD-CELP）编解码方案，能够有效地增加语音存储时间。具体设计过程就是：利用拾音器对语音信号进行采集，把语音信号转变成电信号。接着通过增益放大器1对转换后的信号进行放大处理。之后经过带通滤波器滤波处理，处理后的信号利用A/D转换器把模拟信号转变为数字信号，接着要对此数字信号通过压缩编码后送入单片机中进行处理，处理后的数据存储到存储器中。然而回放系统则刚好相反，把语音信号解码后经过D/A转换、带通滤波器滤波和输出放大器2后，使用扬声器或耳机输出，还原成声音信号。本文的工作内容主要是硬件的设计。而软件的设计上，需要设计完成系统的软件流程图，以及相关程序的设计，从而实现模拟仿真。拾音器放大器1带通滤波器AD转换单片机AT89C51存储器DA转换带通滤波器放大器2 耳机主要设计流程如下所示：图1.2 语音存储与回放系统设计流程图 第2章 语音信号与编码2.1 语音信号语音信号就是指能携带语音波形信号的语言信息。而对于语音信号来说，频率和幅度分别是其的两个基本参量。将语音信号频率分成几个范围，020Hz范围内为次声波信号，此种频率的语音信号人耳无法听见；大于20KHz频率的语音信号则称为超声波，同样人耳无法听见；频率在20Hz20KHz范围内为音频信号，通常情况下人的正常说话频率在300Hz3400Hz，此频率段信号为话音信号。2.2 语音编码这么多年来语音通信技术不断在发展，在这个发展过程中，想方设法减少语音信号的传输带宽，并且增加信道的传输速率，始终都是研究人员不断追求的目标。所以，语音编码技术一直就是特别重要的一环。对语音进行编码的目的是为了将语音数字化并利用人的发声过程中存在的冗余度和人的听觉特性来降低编码率。语音编码通俗来讲是对模拟的语音信号进行编码，将模拟信号转化成数字信号，然而将模拟信号转化为数字信号要经过抽样，量化，和编码三个过程。2.2.1 抽样模拟信号通常来说指的是在时间上的连续信号，通过对这种信号在一定的离散时间点上抽取样值称为抽样，如图2-1所示。图中m（t）是一个模拟信号。在等时间间隔T上，对它抽取样值。理论上来说，抽样过程可以看做是用周期性的单位冲击脉冲（impulse）和此待抽样的模拟信号做乘处理。最后，抽样所得到的结果可以看出就是一系列的周期性冲击脉冲，其在图中所代表的面积与该模拟信号的取值成正比。冲击脉冲在图2-1中用一些箭头表示。实际情况下，通常是采用周期性窄脉冲来替代冲击脉冲与被抽样的模拟信号相乘。-3T -2T -T 0 T 2T 3T 2T 3Tt模拟信号抽样信号m(t)t 图2-1 抽样信号波形从图中也能看的出，经过抽样之后得到的是一系列的离散冲击脉冲，这显然与抽样前的连续性模拟信号的形状有区别。但是，同样在图中也能看出一个情况，那就是在对一个带宽有限的连续模拟信号进行抽样时，如果采取的抽样速率足够大的话，最终这些抽样值几乎就能够完全恢复出原先模拟信号波形情况。所以，可以不要求一定要传输原始的模拟信号，可以只是传输这些由抽样所得到的离散的抽样值，就可以在接收端恢复出此模拟信号。对此抽样速率条件进行阐述的定理就是我们所熟知的抽样定理。抽样定理可以说是给模拟信号实现数字化提供了理论基础。由上文提到内容可知，在对信号进行抽样时，最低抽样频率必须高于信号最高频率的2倍，此最低抽样频率就是奈奎斯特抽样速率。如果抽样速率要是低于奈奎斯特抽样速率的话，在对信号进行抽样的时候相邻周期的频谱间就会出现频率混叠现象，从而就无法正确地将原信号频谱完美分离出来。2.2.2 量化从数字化信号处理这一领域来说，量化就是指把连续信号的连续取值近似成有限多个离散值的过程。将模拟信号做完抽样处理后就变成了在时间上离散的信号，但是此时的信号还是一个模拟信号。如果要使这个抽样信号转变成数字信号就必须对此信号进行量化处理。所谓量化，便是将经过抽样处理后得到的瞬时值对其幅度进行离散处理，也就是说使用一组规定的电平，将之前得到的瞬时抽样值用与之最相近的幅值电平值近似出来。具体量化处理如图2-2所示:m(t)抽样信号量化信号t 图 2-2 量化信号波形最终经过量化处理的结果就是使抽样信号转化成量化信号，由上图中可以看出此量化信号的取值是离散的。因此量化处理之后的信号已经能够说是数字信号了，其可以看作为多进制形式的数字脉冲信号。2.2.3 编码将量化后的信号样值幅度转化成相应的计算机能够识别的二进制数字信号码组的过程称之为编码。因为上文提到过，量化处理之后的信号，已是离散的数字信号，而编码的前提是此信号是数字信号，所以下一步就可以将此数字信号编码，最常用的编码是用二进制的符号，例如“0”和“1”，表示此离散数值。下图2-3就是信号编码的具体图示：011 100 011 110 110 101 101编码信号 t 图2-3 编码信号波形2.3 编码方式选择一般情况下，我们把模拟信号经过抽样、量化，直到转变成二进制码组的过程，称为脉冲编码调制（PCM），而PCM体制需要用64kb/s的速率传输1路数字电话信号，而传输1路模拟电话信号仅占用3kHz带宽。相比之下，传输PCM信号占用更大带宽。所以为了降低数字电话信号的传输比特率，可以采用预测编码方法来改进此方案。而在此编码方案中得到广泛应用的一种基本预测方法就是差分脉冲编码调制（DPCM）。虽然DPCM应用广泛，但是其本身也存在着一些问题，为了改善DPCM体制的性能，可以将自适应技术引入到量化和预测过程中去，这样就得到了自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）体制。此方式的优点就是能够大大地提高信号量噪比以及动态范围。适用于话音编码的ADPCM体制，已经由ITU-T制定出建议，并已得到广泛应用。第3章 系统硬件设计3.1 硬件系统框架概述数字化语音存储与回放系统可以拆分成三大部分，分别是语音输入信道，信号处理部分（即单片机控制部分）和输出信道。在输入信道可以表示为图3-1流程；语音处理部分可以表示为图3-2；而输出信道可以表示为图3-3流程。语音信号增益放大器滤波电路A/D转换数字语音信号 图3-1 输入信道A/D转换器件数字语音信号单片机D/A转换器件 模拟语音信号图3-2 信号处理部分数字语音信号D/A转换器件滤波电路功率放大电路 喇叭声音信号图3-3 输出信道系统整体设计可以分为上述三部分，信号输入后经过增益放大器对信号进行放大，方便进行采样，然后对信号进行滤波，之后对模拟信号进行AD转换，转换成数字信号，方便单片机对数字信号进行处理，然后将处理好的信号存入存储器中，方便后续处理。在后续部分调用存储数据，将数字信号进行DA转换，转换后的信号经过滤波电路滤除杂音，之后对信号放大，方便信号输出。整体框架可以表述出如下图所示：拾音器带通滤波器增益放大器键盘存储器电源电路D/A转换电路喇叭输出放大器AD转换AT89C52单片机带通滤波器图 3-4 系统总框图3.2 拾音器拾音器，又称监听头，是用来采集现场环境声音再传送到后端设备的一个器件，它是由麦克风和音频放大电路构成。它的本质其实就是一个声音传感器，其能够将外部输入的声音信号转变为电信号。作为系统的初始信号输入器件，拾音器应多采用高增益、内部频率补偿的双运算放大器：3558，LM358，NE5532等，从而实现信号放大及降噪作用。3.3 放大器的设计放大器是一种能够将输入讯号的电压或功率进行放大的器件，其主要由电子管或晶体管、电源变压器以及其他电器元件构成。目前放大器的应用领域非常广泛，主要是应用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等一系列的装备设备中。3.3.1 增益放大器声音经过拾音器采集之后，能把原先的语音信号转换成电信号，通常情况下，拾音器输出信号电压大致范围是2025mV，由于信号要经过AD转换，将模拟信号转变成数字信号的步骤，但是，AD采样的输入信号电压的范围是05V，无法满足采样电压，所以必须将经过拾音器输出后的电压进行放大。使用运放将之前的微弱信号进行放大200倍放大到伏特级别即可满足需求。具体增益放大电路设计参照下图3-5。图 3-5 增益放大电路放大器的放大倍数可以计算出： （3-1）由实际电路各个参数可得： （3-2）由于上述电路中R4为可调电阻，故增益是可以根据实际需求调节的。3.3.2 输出放大器在单片机处理过的数字信号经过DA转换成模拟信号后，经过滤波处理滤除杂音干扰，为了方便播放，会对此信号进行放大，以便于能够清晰地得到较完美的信号。本文中主要采用了LM386来实现输出功率放大的功能。其是一种音频集成功放，具有很多突出的优点，主要表现在增益可调，自身功耗较低，外部接件少等特点。LM386具有很多明显特性，它静态功耗比较低，大约为4mA，所以它可用于电池供电；而且它的工作电压范围比较宽，大致范围为4-12V；外围元件少；它的电压增益明显可调，范围大致为20-200；而且它的失真度比较低。图 3-6 LM386引脚图在实际输出功率放大电路中，具体输出放大倍数要根据LM386引脚1和引脚8具体外接的电路情况而定。通常情况下，这两个引脚会外接一个RC网络，此网络决定了此放大电路的增益。图 3-7 输出放大电路如果，引脚1与引脚8断路时，此放大电路增益为40。通过调节上图电路中的电阻R1阻值就可以调节系统增益大小。通过调节RV1电阻的触头，从而就能调节功率放大大小，从而可以调节声音大小。3.4 滤波器的设计滤波器，通俗地说就是对输入信号波形进行过滤的一种器件。它本质上是一种允许有用的频率信号通过，与此同时还能够抑制(或衰减)对信号处理没有用处的其他频率信号的电子装置。通常在设计中，会使用滤波器来处理信号，进行数据传输以及抑制噪声干扰等。由于本题中会对信号进行一系列的处理，在信号输入过程以及处理过程中难以避免会产生一些噪声及干扰，所以，必须在设计中引用滤波器，以抑制这些不必要的干扰。在实际设计中滤波器其实有很多种类，有低通，高通，以及带通滤波器等。低通滤波器的作用为允许低于限制频率的通过，阻隔高于限定频率的通过；高通滤波器则是相反；而带通滤波器则是处于两者之间，它只让处于一个特定频率段的信号通过。本题设计中就是采用了带通滤波器来实现特定功能，此带通滤波器可以将通带频率范围设置为300Hz-3.4kHz，它的具体作用是：（1） 保证了300Hz-3.4kHz范围内的信号完美不失真地通过滤波器；（2） 可以去除此通带频率范围之外的低频信号，从而降低带外干扰，降低了噪声对信号的影响；（3） 可以去除通带频率范围之外的高频信号，从而消减本题中采样频率为8kHz所带来的混叠失真情况。带通滤波器按照品质因数Q的大小不同而有两种不同的情况，分别是宽带带通滤波器（Q10）以及窄带带通滤波器（Q10）。然后根据公式可以得出本题中的带通滤波器的中心频率以及品质因数Q： (3-3) (3-4)因为上述计算结果可知Q10，所以此设计中的带通滤波器可以确定是宽带带通滤波器。故本设计中所用到的滤波器可以通过高通滤波器以及低通滤波器通过级联方式形成的。由于巴特沃兹滤波器滤波器本身具备通带内相对平坦的响应特性，而且为了更好地滤除带外频率干扰，本次可选二阶巴特沃兹带通滤波器。其具体电路设计如下图3-8所示：图3-8 二阶巴特沃兹滤波器图 3-9 滤波器幅频曲线图 3-10 滤波效果图从MATLAB效果图可以得知，该滤波器滤波幅频曲线相对平缓，能有效的滤除低频以及高频信号的干扰，大大减少了噪声以及混叠失真对声音信号的干扰，能较好的满足设计的性能要求。3.5 AT89C51单片机简介AT89C51其实就是一种带4K字节可编程可擦写只读FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，就是我们常用的一种单片机型号。其与工业上标准的MCS-51相关的指令集以及输出管脚是相互兼容的。它价格低廉，成本较低，但是确是一种高效的微控制器，有内存，CPU等核心部件，可以为很多嵌入式控制系统提供一种灵活性高但是低廉的方案。在我们平时实验以及课程设计中也会有单片机应用的地方。其具体管脚图如下图3-11所示：图3-11 AT89C51单片机引脚图3.5.1 单片机具体引脚介绍AT89C51单片机具有很多引脚，每个引脚都有其特定的功能，具体单片机引脚以及功能的介绍如下表所示： 表3.1 单片机引脚简介引脚功能XTAL1作为反向振荡放大器的输入端以及内部时钟工作电路输入端XTAL2来自反向振荡器的输出RST复位输入端ALE在单片机对外部存储器寻访的时候，地址锁存所容许的输出电平用来锁存地址字节EA当EA处于低电平状态时，那么在这一阶段选通外部程序存储器就可以不用考虑是否存在内部程序存储器P0口P0端是一个8位漏级开路双向的I/O口，能够当做外部程序数据的存储器，能被作数据/地址的第八位P1口P1端可以说是含有内部上拉电阻的8位双向I/O口，当它的管脚写入“1”后，则可用于输入使用，当P1口置为低电平时，则可用于输出使用P2口P2端可以说是含有内部上拉电阻的8位双向I/O口，在P2口用作外部程序存储器或者是作为16位地址外部数据存储器对数据存取的时候，P2口输出地址的高八位。P2口一般是作为对信号的控制作用。P3口P3端可以说是含有带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在P3口置高电平时，可用于输入端使用，在其置为低电平的时候，P3口就会输出电流在AT89C51单片机的应用中，通常情况下P3口还可以当做一些特殊功能口的使用，其主要功能如下表所示：表3.2 P3口第二功能表引脚功能P3.0RXD （串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2(用于外部中断0的输入端，置低电平才有效)P3.3(用于外部中断1的输入端，置低电平才有效)P3.4T0（定时器/计数器0的输入端）P3.5T1（定时器/计数器1的输入端）P3.6（外部可写信号输出端，处于低电平才有效）P3.7（外部可读信号输出端，处于低电平才有效）3.5.2 单片机主要性能指标其与MCS-51相互兼容；有128*8位的内部RAM；有4K字节可编程可擦写的闪烁存储器；三级程序存储器锁定；有32位可编程I/O口线；具有5个中断源；具有两个可写定时器/计数器端口T0，T1；低功耗的闲置以及掉电模式；片内振荡器和时钟电路,时钟频率1.212MHz;可有时钟输出；有强的位寻址位处理能力；3.5.3 时钟电路时钟电路就是用于配合外部晶体从而实现振荡的电路，以此就能为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0 的话，单片机就不能工作，当然若是超出单片机的工作频率的时钟也会导致其不工作。其具体电路如下图所示：图 3-12 单片机时钟电路3.6 A/D、D/A转换器在本论文设计过程中，会使用到AD和DA转换器来实现模拟信号以及数字信号的转换，这个环节是很重要的，所以AD和DA转换器的选取就显得尤为重要。3.6.1 AD转换器由前文可知，本次设计采用了AD574用来实现A/D转换功能，AD574 为Analog公司出品的12 位逐次逼近型AD转换器，它的精度较高，转换速度迅速，如今已经被大量使用于数据采集系统中。AD574芯片使用简单方便，不需要外加任何逻辑接口电路，因此能够直接和单片机的数据总线相连使用。引脚分布如图3-13 所示:图 3-13 AD574引脚图它具有很多引脚，每个引脚都有其特定作用，其引脚主要作用可以参照下表：表3.3 AD574引脚功能介绍引脚功能CS片送CE片启动R/C读出/转换控制12/8数据输出格式选择脚。当外部置于高电平的时候,12条数据线将一起进行输出；当外部接口置于低电平的时候，就做为8位双字节输出A0字节选择线。当处于转换阶段，此端口处于低电平时，AD574就会处于全12位转换；当A0 为1时，进行8位转换。当处于读出阶段时，A0处于低电平的时候，就会输出高8 位；当A0处于高电平的时候，就会输出低4位STS输出状态指示引脚3.6.2 DA转换器由先前理论得知，本次设计中采用的DA转换器为DAC0832。其价格低廉，接口比较简单，并且此芯片可以直接和单片机直接相连使用，从而进行数据的交换，所以它被广泛应用于单片机控制系统中。而且它有一个非常突出的优点就是采用了二级缓冲技术，能够实现多通道同步转换，可以实现同时进行数据输出和下一个数据采集，从而大大地提高了转换速率。DAC0832芯片结构图如下：图3-14 DAC0832引脚图以及结构图DAC0832各引脚功能可以参照下表所示：表3.4 DAC0832引脚功能表引脚功能作为片选信号的输入线，仅仅在置低电平才有效Vcc电源输入线(+5v+15v)输入寄存器的写入输入端DAC寄存器的写入输入端ILE数据锁存所容许的控制信号输入线，仅在置高电平时才有效GND模拟地端数据传送的控制信号输入线，仅在置低电平时才有效D0D7数据输入线，TLL电平VREF基准电压输入线(-10v+10v)RFB信号反馈输入端Iout1电流输出线。当输入全为1时Iout1最大Iout2电流输出线。其值与Iout1之和为一常数3.7 存储器的选择由上文提到内容知，此次选取存储器62256，作为此次数据存储器。62256是一种存储空间为32K的低功耗静态RAM存储器，可以用单片机的P0口与P2口来直接扩展外部RAM，它的引脚图如下：图3-15 62256引脚图：写允许信号线，把它和C51的写命令信号相连，用于从存储器写入数据；：读允许信号线，把它和C51的读命令信号相连，在为低电平的时候，用于从存储器读出数据。3.8 键盘电路通常情况下，我们平时经常用的键盘接口有独立式按键接口以及矩阵式键盘接口这两个不同的方式，本题中主要采用独立式按键接口，这种方式的显著特点是各种按键相互独立，每一个按键各自连接一条输入线，而不同的输入线上的工作状态是互不干涉的。在我们按下录音键时就会启动单片机与A/D转换芯片工作，在存储器满时就会自动保存数据；同样，在我们按下放音键时就会启动单片机以及D/A转换芯片工作，在放音完成后就会自动停止；而复位键的情况就会有点不一样，如果在录音的时候按下复位键就会暂停录音过程，只有再次按下按键才能继续录音，如果连按两下此键的话就会重新录音；如果在放音的时候按下复位键就会暂停放音过程，只有再次按下此键才能继续放音，同理连按两下的话就会重新放音。图3-16 键盘按键的设定第4章 各模块接口原理4.1 AT89C51与AD574的接口原理AD574 与51单片机组成的系统主要包含单片机、A/D转换器以及计算机接口等部分。显而易见，单片机是这个系统的核心部分，要想让A/D转换器实现采样功能，必须经由单片机发出控制信号，并对采样结果进行存储。具体的连接方式如图4-1所示：图4-1 单片机AT89C51与AD574的接口图在此系统中AT89C51 的主要任务如下：(1)接收主机的采样命令。就是通过P1.7口等待接收采样命令，在此端口输入低电平的时候，就能控制启动采样过程；(2)启动采样。单片机通过P2.7口来控制AD574 的读出以及启动转换控制线R/C，并且还通过与非门以及反相器来控制片选线CS端。在P2.7端口置高电平的时候，此刻的AD574 就会处于待启动状态，只要有信号经过，就会启动采样过程；(3)读取并存储转换结果。 P1口的低4位可以用来判断前面过程的采样转换过程是否结束,在低4 位都置低电平的时候, 就代表转换已经结束了。在采取读取操作的时候，读取的地址应与存储器操作地址相对应； (4) 发出中断。在进行数据存储的时候, 可以通过单片机P2.2口来检测当前存储器有无满溢情况。想要达到A /D 转换以及读出转换结果的目的, AD转换器的片选信号CS可以通过单片机地址总线的次低位A1( P0.1)来提供, 当进行读写操作时,应该把A1端置低电平。AD转换器的CE信号是通过单片机的端以及A7端( P0.7 ）通过一级或非门后来产生的。R /C 则是通过RD与A7经过或非门之后来提供。所以在进行读写操作的时候，A7也是低电平。将输出状态信号STS端与单片机P3.2端口相连接能够让单片机通过此来查询判断此番A/D转换是否已经结束。4.2 DAC0832 与单片机的接口原理通常来说，DAC0832和AT89C51是通过4根数据线来进行相关连接的，它们是CS、CLK、D0、D1。具体方式如图4-2：图 4-2 DAC0832 与AT89C51的接口图单片机对 DAC0832 的控制原理： 在DAC0832不工作时，其CS输入端置高电平。在想实现D/A转换功能时，必须先使CS端处于低电平的状态，并且要一直保持低电平的状态到转换结束为止，并且要在CLK端接入时钟脉冲，使用D1端口来选择数据通道。4.3 存储芯片与单片机的接口原理图4-3 AT89C51与62256连接图AT89C51单片机系统在进行外部扩展的时候，通常情况下会用P0口作为低8位地址使用，同时会用P2口作为高8位地址使用，并且它一共具有16根地址总线，寻址空间大小为64KB。4.4 系统接口总图在设计完各个核心模块之后，紧接着就是将各个模块进行组接和确保能够达成系统所需的一系列功能，在这个设计的系统中，核心模块就是单片机系统，因为单片机能够控制所有与之相连的芯片的工作。在我们按下录音键的时候单片机就能启动AD574，使之工作，然后麦克风就会把采集到的语音信号通过增益放大器对信号进行放大之后再经过滤波处理之后送往AD574把之前的模拟信号转变为数字信号并且把数据存放在存储芯片中；在我们按下放音键的时候，单片机就能启动DAC0832芯片，使之工作，并且会把之前存在存储器中的数据送到DAC0832中且要通过滤波处理以及后置放大器放大处理，之后就能通过扬声器的作用把声音信号还原输出。系统接口原理如图4-4所示：图4-4 系统原理图第5章 软件设计5.1 编程软件Keil uVision4Keil C51集成开发环境是基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程建立、管理、程序编译、链接、目标代码生成、软硬件仿真等完整的开发流程。现在使用率较为广泛的应用于单片机的软件编写语言有汇编、C、C+等，而相对于51单片机来说，汇编语言以及C语言的使用率是最高的。5.2 绘制电路软件ProteusProteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。Proteus能够用于仿真数字与模拟电路、交流与直流相关电路，而且其本身含有30多个元件库。具有强大的原理图编辑及原理图处理能力，实现了完整的基于微控制器设计的协同仿真，可以在实物设计完成前对原理电路实现完美的仿真及修改。5.3 软件程序设计5.3.1 程序流程图AT89C51会通过片选的方式来完成键盘的扫描工作，在有录音键按情况下就会实现录音，同时在录音过程中如果有暂停键按下就会暂停录音，并且返回检测键盘，如果录音键按下就会继续录音；存储器满就会自动返回，当有放音键按下就会开始播放，播放过程中如果