数字多路语言通信系统课程设计(基于单片机).doc

信控学院专业综合设计说明书数字式多路语音通信系统设计学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 职 称： 起止日期：2015.09.072015.09.25信息与控制工程学院专业综合设计说明书专业综合设计任务书一、设计题目数字式多路语音通信系统设计二、适用专业电子信息工程专业三、设计目的1. 熟悉Keil uVision开发软件 及Protel DXP电路设计软件的使用；2. 掌握C8051F410单片机体系结构及C语言程序设计方法；3. 掌握语音采集和语音放大电路的设计方法；4. 掌握语音信号的数字编码原理；5. 掌握多路串行通信原理。四、设计任务及要求 要求设计数字式多路语音通信系统，实现多路语音通信。具体指标如下： 1. 语音采集输入信号：02.5V信号； 2. 语音输出信号：驱动8扬声器； 3. 供电电源：电源提供+5V、1A； 4. 通信接口：RS485；5. 通信协议：自定义。五、设计内容1. 设计语音采集输入电路； 2. 语音放大电路； 3. 设计RS485通信接口电路；4. 编写显示、键盘、ADC、DAC、通信模块工作程序；5. 撰写设计说明书。六、设计时间及进度安排设计时间共三周,具体安排如下表：周次设 计 内 容设计时间第一周学习数字通信的相关知识，试做语音采集输入电路、语音放大电路、C8051F410片上系统多路通信实现、基本外围接口电路、RS485接口电路。2015.9.7-2015.9.11第二周调试硬件，编写显示、键盘、ADC、DAC、通信模块工作程序。2015.9.14-2015.9.18第三周完成数字式多路语音通信系统设计整机调试，撰写设计说明书，提交作品及设计说明书。2015.9.21-2015.9.25七、指导教师评语及学生成绩指导教师评语：2015年 月 日成绩指导教师(签字)：- I -目 录专业综合设计任务书I绪 论1第1章 系统概述21.1 系统功能21.2 主控模块设计21.2.1 主控芯片在本系统中的功能31.3 数字式信号通信31.3.1通信信号的分类：31.3.2 数字信号的优点：31.4 通讯方式简介41.4.1 串口通信的选择41.4.2 串口通信实现设计4第2章 硬件系统设计方案62.1 系统结构设计62.2 输出放大电路设计62.2.1 放大电路的方案论证62.2.2 LM386实际设计82.3 ADC/DAC接口设计92.3.1 ADC设计92.3.2 DAC设计102.4 直流稳压电源设计102.4.1设计方案论证与选择102.4.2 设计实物图11第3章 程序设计方案123.1 程序设计简介及流程123.1.1 主程序流程及程序段133.2 通信程序及通信协议143.2.1 通讯协议143.2.2 通讯程序段143.3 模数数模信号转换程序设计153.3.1 AD程序设计153.3.2 DA程序设计15结 论16参考文献17附录1：电路原理图18- 17 -绪 论本次课程设计任务为将传统语音通信系统的信道传输方式由模拟信号转换为数字信号，并实现一对一，一对多的语音信号传输。系统通过ADC采集语音模拟信号，主控芯片接收采集到的AD码，加入发送目的地址后，通过串口通信将采集到的AD码数字信号发送到指定地址的其他从芯片中，其他芯片接收到数字信号后，去掉发送地址再由DAC将数字信号转化为模拟信号。最后经放大器将还原后的模拟信号放大输出到扬声器中实现数字试多路语言通信系统。经多次调试后可将所传输的模拟信号大致还原，与原信号相差微小。第1章 系统概述1.1 系统功能本系统主要功能为将传统语音通信系统的信道传输方式由模拟信号转换为数字信号，并实现一对一，一对多的语音信号传输。设计采用C8051F40单片机主控，MAX485芯片串口通信，数码管显示，独立按键控制发送数字信号，LM386芯片进行功率放大。系统设计简洁，实际投入成本低，效果好，可将其应用在水下，矿场，车间等对模拟信号干扰强的工作场所。图1-1 C8051F410芯片原理图1.2 主控模块设计由于本次设计理论所需外围器件较多，且对CPU速度要求不高，操控简单，经考虑本次主控系统采用C8051F410单片机作为主控芯片。C8051F41x器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。其特点有：高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达50MIPS）；全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）； 真12位200 ksps的24通道ADC，带模拟多路器； 两个12位电流输出DAC；高精度可编程的24.5MHz内部振荡器；达32KB的片内FLASH存储器；2304字节片内RAM；硬件实现的SMBus/ I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；4个通用的16位定时器；具有6个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）；硬件实时时钟（smaRTClock），工作电压可低至1V，带64字节电池后备RAM和后备稳压器；硬件CRC引擎；片内上电复位、VDD监视器和温度传感器；片内电压比较器；多达24个端口I/O。综上所述C8051F410器件是真正能独立工作的片上系统。主控芯片实物图及原理图见图1-1,、图1-2。1.2.1 主控芯片在本系统中的功能本系统采用C8051F410单片机作为系统主控芯片，用该单片机进行以下功能1、 模拟信号的采集，并将模拟信号转换成数字信号。2、 按键控制发送地址的选择，串口发送/停止及自身地址的写入。3、 发送地址及待机状态的显示。4、 串口通信发送及接收，以及通信协议。5、 接收数字信号，并将数字信号转换成模拟信号。图1-2 芯片实物图1.3 数字式信号通信1.3.1通信信号的分类：信号数据可用于表示任何信息，如符号、文字、语音、图像等，从表现形式上可归结为两类：模拟信号和数字信号。模拟信号与数字信号的区别可根据幅度取什是否离散来确定。模拟信号指幅度的取值是连续的（幅值可由无限个数值表示）。时间上连续的模拟信号连续变化的图像（电视、传真）信号等，如图1-1（a）所示。时间上离散的模拟信号是一种抽样信号，如图1-1（b）所示，它是对图1-1（a）的模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的信号，虽然其波形在时间上是不连续的，但其幅度取值是连续的，所以仍是模拟信号，称之为脉冲幅度调制（PAM，简称脉幅调制）信号。数字信号指幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。二进制码就是一种数字信号。二进制码受噪声的影响小，易于有数字电路进行处理，所以得到了广泛的应用。1.3.2 数字信号的优点：1.抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输。2.便于加密处理。信息传输的安全性和保密性越来越重要，数字通信的加密处理的比模拟通信容易得多，以话音信号为例，经过数字变换后的信号可用简单的数字逻辑运算进行加密、解密处理。3.便于存储、处理和交换。数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。4.设备便于集成化、微型化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。以上介绍可知，数字通信具有很多优点，所以各国都在积极发展数字通信。近年来，我国数字通信得到迅速发展，正朝着高速化、智能化、宽带化和综合化方向迈进。1.4 通讯方式简介随着当今数字通信的优点越来越显著，数字通信已在社会得到广泛的使用，同时通信方式也变得多种多样。经小组研讨比较，最终本次设计决定采用串口通信方式在本系统上进行数字通信。1.4.1 串口通信的选择串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议（不要与通用串行总线Universal SerialBus或者USB混淆）。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信接口；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。串口通信的概念：串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。1.4.2 串口通信实现设计本系统串口通信使用3根线完成：（1）地线GND，（2）发送TX0，（3）接收RX0.。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。本系统将接收端与发送端短接在一起，故可实现总线式自发自收。串口通信参数：串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。a，波特率：衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，就是指波特率，例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。b，数据位：衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0127（7位）。扩展的ASCII码是0255（8位）。如果数据使用简单的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语“包”指任何通信的情况。c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。设计系统时出于简洁方便的设计理念，并未采用奇偶校验位。不过后期需要可以补充加入奇偶校验位。第2章 硬件系统设计方案2.1 系统结构设计本系统整体硬件结构清晰，所有部分均可独立模块化制作，所用硬件简单常用，可靠性高，可实际投入生产。系统结构图见图2-1。图2-1 系统结构图2.2 输出放大电路设计2.2.1 放大电路的方案论证由于放大电路种类繁多，性能各不相同，故在本次设计中放大电路提出了两种方案：方案1：运用NE5532运放芯片搭建运放电路。NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。NE5532主要特性如表2-1：表2-1 NE5532特性参数数值通道数2推荐电源电压 (V)5-15增益带宽(MHz)10功率带宽(KHz)140转换速率(V/us)9输入失调电压(mV)5 (Max)输入噪声电压(nV/Hz)5共模抑制比(dB)70 (Min)静态电流(mA)8NE5532常用放大电路：图2-2 NE5532放大电路图方案2：运用LM386芯片搭建放大电路。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386主要特性如下：静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4-12V or 5-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；失真度低。结合本次设计需要，经多次实践比较，LM386更适合DA还原后的低电流小功率放大，且放大效果更好。故本次设计采用LM386运放芯片搭建运放电路。2.2.2 LM386实际设计由于DA输出最大电流为2mA，若用其他运放来搭建大多对电压放大效果名显，却对本设计的微小电流放大不明显，利用LM386搭建输出放大电路可对小电流明显放大，并且达到外围器件简单，小信号放大效果好等显著优点。尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。在实际操作时应注意以下3点：1、通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20。因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处-噪音减少，何乐而不为？2、尽可能采用双音频输入/输出。好处是：“+”、“”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。3、减少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直+耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率（fc=1/(2*RL*Cout)）提高。分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适。实际电路搭建原理图见图2-4。图2-4 设计运放电路图2.3 ADC/DAC接口设计在本次设计过程中，由于音频信号属于模拟信号，而设计要求数字通信，所以在传输过程中要先将模拟信号转换成数字信号，传输后还要将数字信号还原成模拟信号，在这个过程中就要用到ADC与DAC。市面上AD/DA种类繁多，功能各不相同，现在的AD/DA芯片也越做越好，功能越来越强大。鉴于本次设计采用C8051F410单片机作为主控芯片，而处理信号又为音频小信号，故最终决定采用片内集成的12位 ADC/DAC来实现本次设计的数模/模数转换，经实际测试转换效果好，成本低，速度快.。2.3.1 ADC设计模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。C8051F410的ADC0子系统集成了一个27通道的模拟多路选择器（AMUX0）和一个200ksps的12位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和硬件累加器。AMUX0、数据转换方式及窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来配置（见框图5.1）。ADC0输入为单端方式，可以被配置为用于测量P0.0 P2.7、温度传感器输出、VDD或GND（相对于GND）。只有当ADC控制寄存器（ADC0CN）中的AD0EN位被置1或在突发方式执行转换时，ADC0子系统才被使能。本次设计采用C8051F410单片机内部12位ADC0，经配置后由P0.2双向I/O口采集模拟信号，实际用到高6位的AD采集，采集基准电压为2.5V。ADC0功能框图见图2-5所示。图2-5 ADC0功能框图2.3.2 DAC设计数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。D/A转换的作用是将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量（或参考量）为基准的模拟量的转换器。C8051F410内部有两个12位的电流模式数/模转换器（IDAC）。IDAC的最大输出电流可以有四种不同的设置：0.25mA、0.5mA、1mA和2mA。用IDAC控制寄存器（IDA0CN或IDA1CN）中的对应位来分别使能或禁止IDAC。当两个IDAC都被使能时，它们的输出可以分别连到不同的引脚或合并到一个引脚。当IDAC被使能时，内部的带隙偏置发生器为其提供基准电流。可以用软件命令、定时器溢出或外部引脚边沿触发IDAC更新。 本次设计采用C8051F410单片机内部12位DAC0，经配置后由P0.1双向I/O口输出模拟信号，实际将6位AD码转换为模拟量，最大输出电流为2mA。IDAC功能框图见图2-6所示。图2-6 IDAC功能框图2.4 直流稳压电源设计本次设计中，调幅电路、主控芯片、放大电路、显示按键等供电部分均需直流稳压电源供电。在此对直流稳压电源进线设计讨论。2.4.1设计方案论证与选择直流电源是当今小电子器件的常用电源，本次设计许多芯片部分均要用到5V直流稳压电源供电，现提出下两种电源设计方案：方案一：线性电源（Linear power supply）是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。要达到高精度的直流电压，必须经过稳压电路进行稳压。线性电源主回路的工作过程是输入电源先经预稳压电路进行初步交流稳压后,通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源,再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下对线性调整元件进行精细调节,使之输出高精度的直流电压源,线性电源的优点：性能稳定，没有高频纹波等干扰。方案二：开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设开关电源其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。线性电源的电压反馈电路是工作在线性(放大)状态，开关电源是指用于电压调整的管子工作在饱和和截止区，即开关状态的。从其主要特点上看：线性电源技术很成熟，制作成本较低，可以达到很高的稳定度，波纹较小，自身的干扰和噪声都比较小，故经比较后本次设计使用线性电源。2.4.2 设计实物图设计中本组采用一组9v变压器，220V整流桥和7805三端稳压器，并联一2200vf电容和1000vf电容后将民用220v交流电转换成路5v直流电源，分别为不同芯片供电。最后加上开关及电源指示灯，电源部分便制作完成，电源制作及原理图如图2-7，图2-8：图2-7 设计电源原理图图2-8 电源实物图第3章 程序设计方案3.1 程序设计简介及流程本设计程序部分为重中之重，从ad采集、串口通信、地址的设置和判断及DA转换输出全部图3-1 程序流程图由程序设置完成，最后实现语音信号的实时数字化传输。经多次编写、改动及调试后，与硬件部分匹配可实现设计要求的所有功能。3.1.1 主程序流程及程序段程序初始化后进入while（1）循环，先扫描本身地址状态，在进行按键扫描，读取目的地址设置状态，再进行AD值读取将模拟信号转换成数字信号存入寄存器，判断按键是否发送，若是则进行串口程序发送后继续运行程序，若否直接继续运行程序。继续运行判断本机是否接收到数据？若是进行地址判断，若否清零标志位重新执行while循环。地址判断若接收地址=自身地址，则将接收数据去掉地址后送至DA转换成模拟信号，再清读标志位重新循环，若否直接清读标志位循环。以上为本次设计所有程序执行过程，程序流程图见图3-1所示：主函数程序段：/*main程序*/void main()Init_Device();IDA1L=0x00;P2=0x30;ad=0;da=0; read=1; /P为待机状态 while(1) selfadr=(P1&0x30)4; key2(); ad_send(); if(send=1) SBUF0=adr+(0xfc&tvalue); while(!TI0); TI0=0; UART_read()； 3.2 通信程序及通信协议通信程序为本程序的重点所在，语音信号传输的正确与否与通信速度及通信协议有着密不可分的联系。3.2.1 通讯协议本次通信采用标准8位串口通信，一帧为8个bit，其中发送帧的高6位为数据位，低二位为目的地址位，分别有四个地址：00、01、10、11，理论上可实现4台机器之间的通信，实际本次设计用了前三个地址实现3台机器之间的通信，经调试后完全可以互相实现语音通信。3.2.2 通讯程序段发送时将地址位赋值到发送帧的后两位： SBUF0=adr+(0xfc&tvalue);读取时将地址位通过接收数据从后两位解析出来：readadr=SBUF0&0x03;判断接收地址是否为本身地址：if(readadr!=selfadr) 串口发送程序段： If(send=1) SBUF0=adr+(0xfc&tvalue); while(!TI0); TI0=0; 串口接收程序段：if (RI0) RI0=0; readadr=SBUF0&0x03; /判断地址（后两位） if(readadr!=selfadr) ; else video=SBUF0&0xfc; IDA1L=video; IDA1H=0; 3.3 模数数模信号转换程序设计本次设计采用410内部ADC/DAC,所有模数互换过程都由向410单片机写入控制住通过编程完成操作，现在在此简单说明AD/DA程序。3.3.1 AD程序设计AD程序的正确是通信正确的大前提，AD所读到的数据若不正确便无法实现准确的通信，在此运用410内部12位ADC，采用其高6位量化值，通过给AD0BUSY写1的方式发送。经实际测试转换速度足够，采集精度准确。ADC程序：void ad_send() AD0BUSY=1; /启动AD转换while(AD0BUSY);/等待 tvalue=(ADC0H*256+ADC0L)/16;/提取AD的值3.3.2 DA程序设计DA程序的正确性是通信关键的最后一步，必须要正确还原出正确的数据，才能建立起完整的通信流程。在此运用410内部12位DAC，将接收到的6位AD值赋值给410的IDA1L中，再通过为IDA1H赋值的方式启动DA转换。其中注意对齐方式的问题，经本组实际测试运用右对齐的方式给DA低位赋值时才能得到正确数据。经实际测试转换成功，成功建立通信。DAC程序：video=SBUF0&0xfc; IDA1L=video; /DA赋值IDA1H=0;/启动DA转换结 论经过为期三周的专业综合设计，我和我们第一组的所有成员都学到了许多有关于音频信号和数字通信的相关知识，深入了解了串口通信的整个过程及其注意事项。经过团体的合作努力终于完成了数字语音通信系统的设计制作。经实际测试结果理想，不过仍有许多可以改进的地方，相信经过以后的学习积累，我们未来能做的更好。专业综合设计是对我们在大四以前对所学课堂知识的综合应用，在做综合设计的过程也是我们对理论进行深化和重新认识的过程，它也是一次可以让我们学到更多东西的实践活动。在专业设计的过程中我们的学习能力和解决问题的能力都得到了提升，而这些实实在在的能力是我们在书本和课堂中学不到的。在大伙制作专业设计的过程中我们的团结