语音处理系统设计--毕业论文.doc

学院毕业设计（论文）毕 业 设 计题 目： 语音处理系统设计 摘要该语音处理系统主要组成为语音收集，收益放大，带通滤波，AD,DA转换，51单片机，带IIC接口的EEPROM存储，功率放大，扬声器和显示几大部分。其中主要由驻极体话筒来收集语音。然后通过增益放大将信号放大。再利用带通滤波滤去带声外噪音，延长存储时间。然后由DA转化转变为模拟信号，通过带通滤波器滤去噪声，功率放大后，由扬声器输出。关键词EEPROM 功率放大 带通滤波器 AD DA转换 51单片机 ABSTRACTThe system is mainly collected by the voice, gain amplifier, band-pass filter, A D, D A converter, 51, an external RAM memory, power amplifier, speakers of several major components. Voice collected by the electret microphone. Then gain the enlarged portion of the tens of mA signal amplification to 0-8A or so. Re-use of the band-pass filter to filter out with outside noise and prolong the storage time. D A converted into an analog signal through the band pass filter was filtered off and the noise power amplifying part of larger power, and finally output from the speaker.Keywords： data acquisition 8051 ADC0809 目录摘要IIAbstractII1 绪论11.1、语音处理的背景条件11.2、单片机技术的发展21.3、语音处理技术的现实意义31.4、语音处理技术的发展前景32 课题研究任务要求及方案42.1、本文的主要工作内容42.2、系统设计方案对比53 系统基本设计方案54 硬件设计74.1、语音输入与放大器一74.2、滤波器的设计74.3、A/D模块94.4、单片机模块114.5、显示模块144.6、D/A模块164.7、功率放大器模块174.8、外部存储器185 软件设计215.1、语音压缩技术215.2、录音部分的算法思想225.3、放音部分的算法思想225.2.1、流程图23结论27参考文献：28致谢29附录30附录1:系统完整电路图30附录2:程序31- 37 -1 绪论1.1、语音处理的背景条件 语言是人与人之间的沟通，与我们的生活密切相关的最基本的方法之一。语音处理技术的快速发展，及信息科学与技术在近几十年取得了巨大的突破为人类的生活带来了极大方便。语音信号处理可分为四个区域：识别语音信号，合成技术，使用的编码方法和说话者的知识。这四个方面的研究成果的快速发展一直突出，在实际应用中得到迅速推广，并取得了良好的效果。例如：我们可以利用自动语音识别技术，自动制造听写机，一些重要的语音对话语音编码技术，高效率的压缩，然后存储和传播。总而言之，语音信号处理技术具有十分重要的现实和深远的意义，我们的社会现实，它是能够促进人类社会的物质文明不断丰富和发展。更深入的了解，语音处理技术1从人的声音说话。人说话的声音是语音一般来说声音可以包含四个方面：声音和音调音色，持续时间和强度。声波的频率的音调，音乐的音高起着非常重要的作用，经常可以听到说，这首歌曲的高音调，这是节距，它也可以被所述的振动次数是每秒;频的设计是很重要的一部分，我们必须控制频率，以满足系统的设计要求，设计的目的，声音强度是指声波振幅的大小，声音音响振动持续时间物理常常是有用的，声音装置的声音特性的声音质量的性质，良好的音监听器的亲和力，该系统的设计要尽量使更好的播放音质再现区间。在日常生活中，我们的耳朵可以听到的声音的频率范围的音频信号从20 Hz至20k赫兹，80赫兹到3400赫兹的频率范围内的声音，但正常的生活发出的声音频率在300赫兹到3400赫兹，在此范围内的声音信号被称为语音信号。多媒体技术处理的音频信号的音频信号的频率范围是不一样的，在一般情况下，年龄越大，听力越差，不同年龄的人可以听到。人类口头沟通是一个复杂的通信系统，理解的声音的定义是语音信号处理技术的研究具有十分重要的意义，为系统设计的同时还具有一定的现实意义。记录和重放功能的传统方法是使用麦克风和磁带录像机等设备，语音信号首先被转换成一个电信号，然后再转换为磁信号，然后记录在音频磁带上。要播放的声音在这个过程中，我们可以使用一些放音的设备恢复信号为电信号，一个外部放大器和扬声器播放的声音信号的再现装置。但是，由于这种记录方法的电磁效应使其受很大的干扰，不过，电磁感应现象而在我们的生活中是非常普遍的，因此，难以避免在放大和传输的模拟信号的过程中，各种各样的噪声和干扰的影响。从而会使播放声音会失真。到20世纪后期，数字技术的飞快发展，数字音频技术已经被广泛地用于实际的数字语音磁带，并继续以较低的价格也越来越好，且有着更好的市场接受度。在此之后，我们已经进入了数字信息时代，数码产品不断升级和成熟。模拟声音信号数字化是指第一次采样，量化，转换成数字信号的编码处理，然后再一次进行处理处理，然后恢复为模拟信号。核心的数字化处理的过程中产生的语音编码技术，它是无损压缩。语音编码技术的成熟，使数据处理更加方便，使用简单的单芯片技术，数字信号处理。因此，系统设计的核心部分的语音信号数字化和使用的单芯片控制。数字化的语音信号处理和微控制器技术已经历了很长一段时间，也取得了很好的成就。1.2、单片机技术的发展 微控制器集成微电脑电路，包括一个片上RAM和ROM和I / O接口，定时器等。单片机作为核心控制器用于处理语音信号具有很好的调节功能，可以满足不同场合的要求，并能够有效地简化设计和操作流程，提高工作效率。使用单片机作为核心控制器，语音信号处理，具有很大的优势，提供了各种便利要。选择单芯片控制器作为系统的核心对于简化流程的设计和运行具有十分重要的意义。 单片机根据与数据总线的位的数目可分为以下四类：（1）4 位微控制器（单片机），它的容量是比较低的，但是它的价格低，NEC公司75006X系列; （2）8位微控制器（单片机），它在我们的日常生活中应用非常广泛，MSC-51系列为主要代表。有许多优点，如：体积小，功能强大，价格相对较低。 （3）16位微控制器（单片机），在英特尔公司的表现在这方面有较大幅度增长，相比8位微控制器，具有非常高的水平。 （4）32位微控制器，这是单芯片32位微控制器的发展趋势，随着科技的不断发展，越来越多的成熟。最显着的是ARM微控制器。 ARM微控制器目前广泛应用于各个领域并给我们的生活带来了极大的方便。单芯片技术，具有广阔的发展前景，可以提高CPU的处理能力，内存容量增加，采用光刻工艺，提高集成度的芯片，CMOS生产工艺，实现更高和更高的技术要求。单片机技术在近几年的快速发展步伐，尤其是51单片机为核心代表。该模型的主要用途是89系列，并具有一个相当大的市场，和更低的价格，良好的性能，并能极大地吸引消费者的注意。人类世界的各个领域，包括工业和农业生产（主要是机械和电子，石化等），或人们的日常生活（如家电，通讯），以及单芯片技术已经被用于在该地区微控制器国防和军队也占有重要的一席之地。所以，我们必须好好利用单片机技术。1.3、课题所具有的现实意义在生产人类生活中数字化语音存储与回放系统具有非常重要的实际意义。语言是人与人之间沟通的最基本的方法，它和人类生活密切相关。语音处理技术，以及计算机科学与技术的不断发展和进步，及其取得了重要突破，在近几十年来已经给我们的生活带来了极大的方便。主要产生了像我们使用的录音机，复读机，MP3等，都是使用了语音处理技术。总而言之，研究社会信息化语音存储与回放技术具有非常重要的现实意义。1.4、语音处理技术的发展前景随着科学技术的不断向前发展，音频信息的发展，关于音频无论是数量还是种类越来越多，并更有效地处理这样一个巨大的信息量，管理和存储已经变得越来越重要。音频处理技术在其目前的形式似乎已经有一个很大的市场，在未来相当长的一段时间，有一个非常光明的未来。从技术的角度来看，要实现数字语音通信，高清晰度电视，DVD，多媒体，远程调用，都能给我们的生活带来了极大的方便。从Outlook，低比特率高品质的音频编码技术，为人类的未来，实现信息高速公路的建设，具有不可估量的作用。数字处理技术被这样的广泛的应用基本依据具其具有许多优点和数字信号范围的广泛。数字技术具有高精确度的数字信号处理系统，可以实现超过10-3，但无损存储和传输数字信号，它具有很好的灵活性，可靠性，并且模拟信号可以进行比较。此外，数字组件可以是大规模的集成电路，一个数字信号处理器件可以同时处理多个信道的信号。因此，数字技术推动的语音处理技术是实至名归。 数字信号处理技术的不断改进，其不断提升的内存，以便为存储和传输语音信号，创造良好的条件，使我们的语音产品的开发变得越来越方便。当前市场上的主存储器是半导体存储器。经过近十年的快速发展，对于开发半导体存储器，已经拥有非常先进的技术水平。从静态随机存取记忆体技术的动态内存技术，嵌入式存储器技术，无不体现着人类的智慧代代相传。在未来几十年，兆兆比特的半导体存储器是发展方向，以及使用更先进的材料，如已经发现，作为原始载体具有的存储功能的二氧化硅结构中的氢离子的结果，这种方法有高密度，低功耗，和等等，甚至抗辐射的许多优点。可以预见的是科学和技术将更多，更先进从而促使存储技术日益进步。 语音处理技术的主要发展方向是结合了单芯片的数字信号处理技术，嵌入式技术。嵌入式技术可以大规模电路集成在一个小芯片微控制器，具有体积小，且具有强大的功能，能够处理的数字信号。数字信号处理技术是模拟语音信号被数字化，以便进行处理的微控制器。科学技术的不断进步，人类文明的不断更新，在信息社会中的语音处理技术已取得更加辉煌的成就。人人之间的交流将更加频繁，语音处理技术将变得越来越重要。使用集成芯片中进行处理时，可以发现在整个过程中的语音处理技术的发展，已在数字化的语音信号处理技术的方向移动。因此，可以预见的是语音信号处理技术将成为朝着更小的体积和更多的增强功能，更方便使用。我们的生活将越来越简便。2 课题研究任务要求及方案 2.1、本文的主要工作内容通过采用89C51单片机作为控制芯片,语音信号经过滤波放大后,通过D/A转换后存储并回放,以此实现数字化存贮于回放功能。为了提过语音存储时间，采用语音压缩算法，使用该技术能够有效地提高语音存储时间。具体的设计的过程：使用麦克风对语音信号采集，将声音信号转换成电信号。然后这个信号由运算放大器放大。通过一个带通滤波器，后使用A / D转换将其转换成数字信号，微控制器上的信号经过压缩编码处理后存储到存储器。语音播放是正好相反，解码后的数字 - 模拟转换，滤波和放大输出转换成声音信号。硬件这方面的工作的内容，主要是放大滤波电路的设计。软件方面主要是语音压缩算法的设计，将两者综合起来，才能完成系统设计流程图。基本要求如下：（1） 语音采集部分放大器有46dB增益，音频播放部分放大器有40dB增益，两个放大器增益都是可以被调整的。（2） 带通滤波器通带要求在300Hz3400Hz范围内。（3） A/D：采样频率（fs）为8kHz,有8位字长。（4） D/A：变换频率（fs）为8kHz,有8位字长。（5） 语音信号进行存储的时间长度大于等于10秒。发挥部分：在保证通话质量的前提条件下：（1）降低系统噪声电平。（2）语音存储时间提高到20秒以上。（3）使用语言压缩技术，提高内存利用率（原始存储容量不变的前提下，提高语音存储时间）。（4）增加显示部分，用于显示当前的状态和时间。2.2、系统设计方案对比 该系统的设计方法主要有以下几种：一；语音采集部分用专用的语音采集芯片，例如ISD系列芯片，它内部集成了各种元器件，包括振荡器，话筒前置放大，自动增益控制等，可以直接采集声音信号，并在内部对声音信号进行转换，输出单片机能够识别的优质的数字信号 。二；采用分立的元器件搭建电路，完成声音信号的采集和转换。 方案一的优点是语音采集方便，音质效果好，外围电路很少，但芯片的成本比较高；而方案二虽然是用独立的元器件搭建的，外围器件比较多，但该方案经济适用，对设计者的专业知识以及动手能力要求都比较高，可以将所学的各种知识综合运用起来，因此决定采用第二种方案。3 系统基本设计方案通过前面的分析,可以画出系统的主要框图,如图3.1所示。麦 克 风外部存储器 MSC-51 带通滤波器语音采集放大器A/D LCD显示 扬 声 器功率放大器带通滤波器D/A按键 图3.1 系统框图系统组成如图3所示,由输入通道、AT89C51 单片机和输出通道三部分组成。输 入通道部分由麦克风、语音采集放大电路、带通滤波器和A/D转换器组成；输出通道由D/A转化器，带通滤波器、 功率放大电路和显示部分。麦克风输出的信号太小约为20-25mV，不能够进行采样，由于A/D 转换需要的信号的范围在05V之间，语音信号与采样信号的比较可知放大倍数应为200 倍左右，所以用一个增益为 46dB 的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路也可以采用这种电路，放大电路都使用增益可以调节的电路。鉴于到语音信号的固有特点， 将低于 300Hz 和高于 3.4kHz 的信号过滤掉后语音质量依旧良好。这里将其通过一个增益为 46dB 的放大器，因此，把滤波器设计为 300Hz3.4kHz,把输出级的滤波器也设计为一样的电路,这样既可以过滤掉低频信号，同时又可滤掉D/A转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理可以得出，要使信号的采集无失真， 抽样频率至少为 6.8kHZ，为了留有一定的余地，这样就保证语音质量。 经量化后，MCU将数据存到存储器，需要播放时再将其回放，存入与放出由按键通过单片机控制来实现。存储器的容量选择视所存语音信号的时间长短而定。 为了使 A/D 的输入信号稳定在其动态范围内，在输入级加上了自动增益控制电 路，同时也使音量稳定。 4 硬件设计4.1、语音输入与放大器一 麦克风，学名为传声器，是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，由Microphone翻译而来。也称话筒、微音器。被系统采用的是驻极体麦克风。由于麦克风输入的信号的是毫伏级,其范围约为2025Mv，而A/D转化器能采集的输入信号是0-5V，因此需要对该信号进行放大200倍左右,根据公式:电压增益=20lg|Av|dB,可以计算出增益约为46dB,与实际的要求相符合。具体的电路如图4.1所示，采用的是NE5532运算放大器，增益可达46dB,可以手动调节，通过调节电位器可以使增益连续可调。电路图如下：图4.1语音输入和放大器一的原理图 4.2、滤波器的设计声音信号经动圈拾音器转有源滤波器换成电压信号，通过前级放大，在对其进行数据采集之前，有必要经过带通滤波器除带外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz3.4KHz，其作用是：（1）保证3003400Hz的语音信号不失真的通过滤波器；（2）滤除通带外的低频信号，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影响，该下限频率可下延到270Hz左右；（3）滤除通带外的高次谐波，以减少因8kHz采样率而引起的混叠失真，根据实际情况，该上限频率可在2700Hz左右，带通滤波器按品质因数Q的大小为窄带滤波器（10）和带通滤波器（10）两种，本题中，上限频率fh=3400Hz,通带滤波器中心频率f0与品质因数分别为f0=1010Hz Q=显然，Q10，故该带通滤波器为宽带带通滤波器。宽带带通滤波器由高通和低通滤波器级联构成，鉴于Butterworth滤波器带内平坦的响应特性，我们选用二阶Butterworth带通滤波器,电路图如4.2所示。 图4.2 带通滤波器电路原理图实验证明，该滤波器能有效的滤除低频分量，大大减少噪声干扰，与之同时也绿除了多余的高频分量，消除了高频失真，性能足以满足要求。4.3、A/D模块 放大滤波后的语音信号已经可以满足A/D装换的要求，接下来便可以进行转换。根据要求采样频率fs=8KHZ，字长=8位，可选择转换时间不超过125s的八位A/D转换芯片。ADC0809均可以满足这些要求。它包括一个 8 位的次数无限逼近型的 AD 部分，而且还提供一个 8 通道的地址通道寻址逻辑口和多路开关，因而有理由可以把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接对输入的8个单独的模拟信号进行分析然后分时进行 A/D 模数转换，在多点式巡回检测以及过程控制和运动控制中应用比较广泛。主要技术指标和特性（1）分辨率： 8 位。（2）累积不可调误差：AD0809 为1LSB。（3）单一电源： +5V。（4）转换时间： 取决于芯片时钟频率。（5）模拟量输入电压范围： 单极性电压05V；双极性电压5V,10V。（6）可控三态输出缓存器。（7）启动转换控制为正脉冲，上升沿表示将所有内部寄存器内部清零，下降沿表示 A/D转换开始。（8）使用过程中不需进行零点和满刻度调节。ADC0809引脚图如图4.3所示。图4.3 ADC0809引脚（1）VR(+)、VR(-)参考电压输入端口，主要用于提供片内电阻网络的基准电压。当单极性输入时，VR(+)=5V，VR(-)=0V；双极性输入时，VR(+)、VR(-)分别接分别与参考电压的正负极相接。（2）IN0IN7 为8 路模拟量输入，并且通过 3 根地址译码线 ADDA、ADDB、ADDC来根据要求来选通一路。（3）D7D0数模转换后的数据输出端口，一般为三态可控输出，一般可直接和微机数据线端口相连。 D7为最高位，D0为最低位。（4）ADDA、ADDB、ADDC通道选择的地信号，ADDC为高位，ADDA为低位。（5）ALE地址锁存允许信号，高电平时为有效。当此信号为高电平时，A、B、C 地址信号将被锁存，此时译码选通对应模拟通道。通常在使用时，该信号一般和 START 信号连接在一起，以便同时锁存通道地址和启动 A/D 转换。（6）EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在 A/D 转换过程中为低电平，其余时间为高电平。EOC可为 CPU 的状态查询信号，同时也可作为对 CPU 的请求中断请求信号。在对某个模拟量连续进行采样和数据转换的情况下，它也可作为一个启动信号通过反馈通路接到 START 端口，但在刚上电时必须由外电路启动。（7）START模数转换启动信号，上升沿有效。加于该端的脉冲的上升沿能使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始 A/D 转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。（8）OE输出允许信号，高电平有效。当处理器送出该允许信号时，AD0809的输出三态门打开，转换结果经由数据总线被读取。一般在中断工作方式下，OE信号通常是CPU 发出的请求中断响应信号。4.4、单片机模块 这里采用的单片机是AT89C51，主要具有较低的功耗和掉电模式等特点。包括单片机片内振荡器和时钟电路、32根I/O线、外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K、两个中断优先级和2个16位的定时器/计数器、具有5个中断源。工作电压一般为5.5V3.4V（适用于5V单片机）.该器件主要采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，并且与工业标准的MCS-51指令集以及各输出引脚相兼容，非常利于在工业上开发和控制。其管脚图如图4.4所示:图4.4 AT89C51引脚图（1）最小系统设计单片机最小系统由电源电路、晶振电路、复位电路以及外围扩展电路部分组成。设计最小系统也就是设计上述各部分电路。其中设计电源电路是为了防止外部电源系统对本系统引入干扰，为89C51配置一个可靠稳定的电源供电模块。通常外接电源都为+5V直流压。晶振电路是用于产生89C51最基本的时间单位的电路。复位电路是用来产生复位信号，使单片机能从固定的初始状态开始工作。(2)晶振电路时钟脉冲由时钟振荡器产生,MCS-51的时钟振荡器是由单片机内部的反相放大器和外接晶体振荡器及微调电容三分部组成的一个三点式的振荡器，将微调电容和晶体振荡器接。到8051的XTAL1和XTAL2端，即可产生自激振荡。通常振荡器输出的时钟频率fosc为617MHz，调节微调电容就可以调节振荡频率。如图4.5所示。 4.5 晶振电路（3）复位电路 复位电路的基本原理是：当系统上电时能自动提供一个复位信号，直至系统的电源达到稳定以后，再自动撤销复位信号。但是为保证复位可靠，在电源稳定后一般还要经一定的延迟之后才撤销复位信号，这是防止电源开关或电源插头在分-合过程中引起的开关抖动而影响复位信号的提供。如下图4.4.3所示复位电路，电容接高电平，电阻接地，中间为RST。此复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是将其短路，于是在RST引脚上为高电平有效，然后电源通过电阻对电容进行充电，RST端的电压将会慢慢下降，当下降到一定程度时，RST端将变为低电平，而此时单片机开始正常工作。其中Sm为复位开关，按下Sm 将产生一个复位脉冲。而 C6可避免高频谐波对电路形成干扰。 4.6晶振电路4.5、显示模块 为了能方便的显示系统当前的工作状态，以及录音和放音的时间，本系统增加了显示模块。采用的是lcd1602液晶显示器。该显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，具体介绍如下。（1）引脚功能说明：1602LCD采用标准的16脚（有背光）或14脚（无背光）接口，各引脚接口说明如表:表4.1引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极引脚1：电源地。引脚2：接+5V正电源。引脚3：LCD液晶显示器对比度调整端，接+5V正电压时对比度最弱，接地时对比度最高，当对比度比较高时会产生“阴影”，使用时可以通过增加一个10K的滑动变阻器来调整对比度。引脚4：选择寄存器，为高电平时表示选择数据寄存器、低电平时表示选择指令寄存器。引脚5：为读写线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。RS和R/W共同为低电平时表示可以执行写指令或者显示数据地址，当RS为低电平时而R/W为高电平时表示可以读取信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。引脚6：为LCD使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块开始执行命令。引脚714：为LCD8位双向数据线。引脚15：LCD背光源正极端口。引脚16：LCD背光源负极端口。 （2）LCD（1602）引脚与单片机的连接图从上述对LCD1602的简介中了解到了它的引脚功能，下面是根据本设计要实现的功能来将其各引脚与单片机进行连接。连接图如下图4.7所示。 图4.7 1602 LCD与单片机连接图4.6、D/A模块本次设计采用的是DAC0832芯片，此芯片是使用非常普遍的8位D/A转换器，工作电压为+5V至+15V。同时使用两个寄存器时可以进行两级的缓冲操作，灵活性很大，一般此芯片输出为电流，当需要电压输出时可以外接放大器件。在本次设计中由于输出控制量不是确定的，故我们在设计时接一个转换开关，可随时根据需要来进行调整输出量。各引脚对应功能可以参考ADC0809对应引脚功能。 图4.8 DAC0832 4.7、功率放大器模块经带通滤波器输出的声音回放信号，其幅度为05V，足以用耳机来收听，可不接任何放大器。但考虑到实际中经常回用到扬声器外放，故在本系统中增加外放功能，前端放大器采用通用型音频功率放大器LM386来完成13。电路如图4.7所示：通过调节滑动变阻的大小，可以实现功率的大小调节。 图 4.9 功率放大电路4.8、外部存储器当采样频率fs=8KHZ，字长为8位时，一秒钟的语音需要8KB的存储空间，所以存储10s至少需要有80KB的容量。在这里我们选用闪速存储器AT29C1024作为存储器，容量为128KB。它有512个page，每一页有256Byte，一片该芯片可存储16秒钟的语言。本系统采用的是带IIC接口的可编程存储器,，IIC接口是由飞利浦公司推出的一种内部总线接口，总线上可以挂接很多的设备，设备有主从之分，一般起始信号是由主设备发出的。它的接口非常简单，只有两根线，一根时钟线，一根数据线，如电路图4.8所示。对于IIC接口的器件 ,我们必须遵循IIC协议对器件进行操作，它包括起始信号，停止信号，应答信号，非应答信号等。由于51单片机没有 IIC接口，因此我们可以用I/O口输出不同的高低电平来模拟IIC时序，具体的操作如下： 图4.10 AT24C1024（1）起始信号和停止信号在空闲状态，时钟线和数据线都会被上拉电阻拉高，使其处于高电平状态。因此，当时钟线为高电平时，如果将数据线电平从高电平拉为低电平，则表示I2C总线的起始信号。相反，当时钟线保持高电平时，将数据线电平从低拉高，则表示I2C总线的停止信号。 （2） 设备选址 由于总线上可以挂载很多的设备，因此每个设备必须要有地址，才能被主控器选中用于本次通信。每个设备的地址是由它的引脚A0、A1等决定的，因此一旦硬件连接好，地址随之确定。具体的设备选址如下：主器件首先发送1个起始信号建立本次通信过程，然后将从设备的地址发送过去，8位从器件的 高5位地址一般固定为10100，之后两位（A0，A1）是器件的地址位，所以最多可以把4个AT24C1024连接到同一IIC总线上。最低位表示读写操作，0表示写操作，1表示操作，由此便可以确定从设备的地址。从器件地址字节内容如表4.8所示。 表4.2 从设备地址字节101 0 0A0 A1R/W（3）应答信号 当主设备发出从设备的地址之后，总线上的从设备会将该地址与自己的地址相比较，如果相同，则会发出一个应答信号，表示该地址的器件存在。IIC总线在进行传送数据时，每传送1个字节成功后，接受设备都必须发出1个应答信号，应答信号是这样的：在第9个时钟周期将SDA线拉低，则为应答信号。如果从设备处于写操作，则在每收到1个字节的数据后也要发出1个应答信号，表示它还要继续接受数据，如果不发应答信号，则表示本次通信结束。当从设备处于读模式时，在发送1个字节的数据后，便要释放SDA线并监测1个应答信号，如果接收到应答信号，则表示继续发送数据，若主器件没有返回应答信号，则表示停止传送数据并等待1个停止信号。 （4）写操作 写操作可分为字节写和页写两种写入方式。通常EEPROM的写入会消耗写入时间，但AT24C1024里面设有128字节的页写缓存，使得操作该设备和操作SRAM一样方便，页面缓存技术使得两种写入方式的操作过程相同，区别在于写入数据的多少。下面以字节写入为例介绍写操作过程。 如果是字节写操作模式，主设备首先发送起始信号和从设备地址，在从设备送回应答信号后，主器件在收到从器件的应答信号后，再发送1个字节的数据到被寻址的存储单元，从器件在此应答，并在主器件产生停止信号后开始内部数据擦写，在内部擦写过程中，从器件不再应答主器件的任何请求。在写页方式时，AT24C1024可以一次性写入一页256Byte。其初始化过程与字节的方法基本相同。不同的是：当写入一个数据字节后，单片机不发停止状态，而是在应答信号后接着输入255Byte；每接收到1字节数据后，AT24C1024输出一个应答信号。（5）读操作 读操作分为立即读、随机读和连续读。其初始化过程基本与写操作相同，只需将从设备的最低位要改成读即可。在立即读操作方式时，内部数据的地址将保持在最后的读写操作地址加1上，直到读到最后字节后又回到最开始的位置。而随机读操作之前先要向AT24C1024写入1Byte地址，然后才能读。读串操作既可以是当前地址读，也可以是随机地址读。当单片机接收到一个数据字后，会回应一个应答信号。AT24C1024在接收到应答信号后会将地址加1，接着输出下1Byte.当单片机接收到数据但不送应答信号时，读过程结束。5 软件设计5.1、语音压缩技术 由A / D转换的语音信号可以被转换成线性编码器直接存入到RAM中，然后再返回到音频信号由D / A转换器播放。这种方法是简单的，但每一个模拟采样需要一个字节的存储空间，存储利用率是低的，对小信号的量化噪声大，采用语音压缩技术可以弥补上述缺点。语音压缩编码方式种类比较多.增量调制(M )和差分脉冲调制(DPCM)是两种常用的语音压缩编码方式,分别可以达到8倍和2倍的压缩比。增量调制的基本原理是用一个阶梯波去逼近一个模拟信号,M信号是按台阶来量化的，如果抽样频率足够高，台阶电压足够小，就可以使阶梯波无限接近原来的模拟信号，在解压缩时，就可以很真实低还原声音信号。该方法只使用一个代码之前和之后记录的语音采样值S（n），S（n-1个）的结果的比较，若S（n）大于S（n-1）被编码为一个代码“1”码，与此相反的“0”码。这种技术可以数字语音转化率下降到存储时间可以延长至128秒，但噪声的信号失真是显而易见的。差分脉冲调制(DPCM)与PCM不同。它并不是对每个抽样值进行独立的编码,而是先根据前一个抽样值计算出一个预测值,再取当前抽样值和预测值之差作编码。此差值称为预测误差。抽样值和预测值非常接近(因为相关性强),预测误差的可能取值范围比抽样值变化范围小。所以可用少几位编码比特来对预测误差编码,从而降低其比特率。这是利用减小冗余度的办法,降低了编码比特率。本系统采用的是DPCM压缩编码方式,虽然压缩比低一些.但语音的失真比较小.背景噪音也比较小.可实现存储容量不变的情况下.将语音存储的时间提高一倍.5.2、录音部分的算法思想基于上述分析，采样频率约为8kHz，所以设置定时器中断周期T1为0.124ms（频率为1/0.12410-3 =8064.5Hz）。在中断服务程序中，由于在这两种模式下的记录存储从键盘的不同选项的存在需要进行分别处理。具体方法如下：一个T1中断之前，设置一个字节的缓冲区大小的缓冲区字节BUFFER，前值PREVIOUS VALUE（PV）,PV值默认为0，在每一个T1中断，读CURRENT值（CV）的ADC的值，把CV和PV比较，差异称为为DIEF。DIEF为一个4位的值。第一个位是符号位，后三个代表差异的绝对值。如果绝对值大于7，统一值为7，写缓冲PV样的组装时，分页存储在RAM中（实际上是每两个中断，写RAM），空缓冲（觉得时间是缓冲区不再有效DIFF值），等待下一T1中断。5.3、放音部分的算法思想与录音部分相似，定时器中断T1期间被设置为0.124ms，在中断服务程序中，对数据进行解压缩。具体方法如下： 每两个中断一次RAM值读取存储在缓冲区中。每个中断（备用）从缓冲区中读出四个中断DIFF高或低4位。根据最高位DIFF判定值是正还是负，PV相应的加上或减号上DIFF值，PV值作为此次输出值和下一次中断PV的值。 压缩录音和播放程序第一次中断的PV值0不影响的实际语音质量。因为如果两次采样值差为最大，即255，每个存储DIFF7跟踪实际的语音信号之间的差异，采样周期后跟踪上实际的语音信号，36.40.124ms=4.5ms，这短短的时间为人类耳朵是难以分辨。5.2.1、流程图 (1)主流程图 系统初始化只要是对定时器,ADC0809,DAC0832以及LCD1602进行初始化,之后进入循环,对按键进行扫描,只要有按键按下,就会调用不同的按键子程序,进行不同的处理，具体的程序见附录。开始 系统初始化按下停止 键？按下播放 键？按下录音键？ N N Y 播放子程序录音子程序Y Y N返回结束（2）读写EEPROM流程图起始信号是否继续写入？结束信号结束写入数据存储单元地址应答信号从设备地址NYN应答信号NYY应答信号Y（3）播放子程序流程图启动定时器等待中断是否到定时时间？NY从ADC读数据计算差值，压缩数据，写入Buf的高（低）4位 Buf满 ？ NY把Buf的值写入EEPROM是否溢出？ 结束 Y （4）播放子程序流程图启动定时器等待是否到定时时间？NY从EEPROM读数据，解压缩 DA转换并输出数据 还有数据 ？YN结束结论本主题中的语音信号处理领域具有相当的理论和实用价值，是一个非常有趣的研究课题。单片机为核心处理器，主要是基于数字处理技术，语音录音功能。主要内容和结论包括：（1）基于实际应用的角度出发，双向价格和性能因素考虑，系统设计方法，建立了一个完整的系统框图，从整体分析系统的设计过程。（2）系统的流程图的各个部分的具体的分析，选择适当的组件来创建一个电路图，据系统的设计要求被满足，以保证语音质量，设计的自动增益控制电路和幅频校正电路。（3）在理论上，详细讨论了语音存储与回放系统的设计原则，并给出了软件设计。但也有一些不足之处：首先，系统设计失败使实际的项目并不能够实施，这是最大的缺陷之一。理论到实践，才能经得起考验，所以，必须加以改进。其次，系统在设计过程中的一些地方一些寻找到的细节，进一步改善和扩大范围。最后，在实用PROTEUS绘制原理图操作不够熟练，有的地方需要加强，线路布局不够简洁。 总之，在本次毕业设计中，我学到了很多知识。设计了一个系统，使用多课程知识，使我能够更好地串联在学习专业知识的大学。本科期间，模拟电子技术，数字电源，单芯片，计算机理论和数字信号处理知识配合使用，综合程度高于以往的设计设计，更困难，但效果更好。本文设计严格按照征文标准，这样我就可以更从容征文回应。参考文献：1 电子设计竞赛组委会编，数字系统与自动控制系统设计，电子工业出版社,2007.2 马忠梅等编，单片机应用设计，北京航天大学出版社,1999.1.3 张培忠主编，MCS-51单片机原理与应用，清华大学出版社，2003.1.4 杨帮文编，新编传感器实用宝典，机械工业出版社，2005.4.5 丁镇生编，传感器及传感技术应用，电子工业出版社，1999.10.6 陈杰著，传感器与检测技术，高等教育出版社，2004.4.7 高吉祥主编，数字电子技术,电子工业出版社，2003.8.8 郭维编，现代通信系统集成电路手册,电子工业出版社，1995.10.9 赖金岩编，线性与接口集成电路手册,电子工业出版社，1996.6.10 阮秋琦编，数字图像处理学,电子工业出版社，2001.111 程德福编,智能仪器，机械工业出版社,2005.12 赵全利，单片机原理及应用教程，机械工业出版社，2007.713 Shinskey F G.虚拟仪器，清华大学出版社，2004.14 SIEMENS Lta.445 Wincc V5 System, 2002.致谢 通过这次对多路数据采集系统的设计使我对单片机的知识有了更深的了解。同时也了解到了自己的许多不足之处。此次设计使我认识到自己的知识没有形成系统，不能够灵活运用所学知识解决相应问题。这次毕业设计不仅培养了我的设计能力，更重要的是培养了我全面思考问题的能力，让我学会从细节方面把握问题。学习的过程是痛苦的但是收获成功的喜悦更是让人激动。通过这次毕业设计，我学到了很多书本上学不到的知识，这将对我以后的学习及工作产生积极的影响。首先，衷心感谢我的指导老师老师。陆老师在本论文的选题、构思以及撰写过程中都给予了很多的建议和指导，使得论文的研究和撰写工作都得以顺利完成。老师严谨求实的治学作风、认真负责的工作态度永远值得我学习。在此谨向导师表示诚挚的谢意。同时，我也要感谢所有给予我很多帮助的同学。在设计展开过程中，由于知识没有形成系统，不够全面，我举步维艰，陷入了困境。正是由于他们的诸多帮助，才使我得以克服重重困难，顺利完成此次设计，为自己的大学生涯画上一个圆满句号。最后，衷心感谢学院的老师在我求学期间给予的关心和帮助。老师们的教育和培养，使我掌握了机械电子专业的相关知识，锻炼了动手实践的能力，这将使我受益终生。 附录附录1:系统完整电路图 附录2:程序（1） 主程序#include#include#include#include#include#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit key_recorde=P10;sbit key_play =P11;sbit key_stop =P12;volatile uchar buffer=