电子信息工程技术专业毕业论文--数字化语音存储与回放系统设计.doc

电子信息工程技术专业毕业论文-数字化语音存储与回放系统设计 摘 要 本文介绍了一种以单片机为核心控制单元的数字化语音存储与回放系统的组成以及系统软硬件的设计该系统的基本原理是对语音信号的录制和回放的数字化控制该系统以at89c52单片机为微处理器实现对系统的控制以及数据的处理系统采用闪存28f512作为外部数据存储器来存放语音数据以满足能够较长时间存储语音信息语音采集部分采用adc0809进行模数转换语音回放部分采用dac0832实现数模转换并通过键盘等接口电路实现人机交互单片机工作在中断查询模式能够快速响应按键要求以控制信号的采集存储和回放等同时外围电路辅以带通滤波器和增益功率放大等电路对信号进行滤波放大以保证信息的高质量存储与回放关键词数字化存储回放数字滤波采样模数转换目 录1绪论111课题背景112课题研究的意义113数字化处理的前景114课题任务要求215本文的主要内容32系统总体方案设计43硬件部分设计731拾音器732放大器的设计7com益放大器7com率放大器833滤波器设计934单片机选型12com9c52介绍12com介13com能及其特性14com1435采样保持电路1536 da转换器dac083215com dac0832内部结构及引脚16com dac0832工作方式1637 a d转换电路设计18com a d转换的常用方法18com adc0809的主要特性和结构18com adc0809管脚功能及定义19com adc0809工作方式2038键盘电路2239存储器的选取234软件设计2641编程工具软件keil c512642 protrus软件设计2643软件程序的设计27com体流程图27com设计28com真305结论326致谢33参考文献34附录36外文资料41外文翻译481绪论11课题背景语音信号处理信息科学的一个重要分支大规模集成技术的高度发展计算机技术的飞速前进推动了语音信号处理的发展12课题研究的意义数字化的点数字信号模拟信号是加工信号加工信号对于有杂波的外部环境易产生失真电路来说具有较好的稳定性可以说数字信号适用于易产生杂波和波形失真的远距离传送使用数字信号传送具有稳定性好可靠性高的优点数字信号需要使用集成电路和大规模集成电路计算机易于处理数字信号数字信号还适于数字特技和图像处理 数字信号处理电路简单它没有模拟电路里的各种调整因而电路工作稳定技术人员能够从日常的调整工作中解放出来13数字化处理的前景数字化和信息化有着密不可分的联系进而影响着科技进步的现代化进程在在新经济时代推动时代发展的根本力量仍必将是信息化和科技进步推动的全球经济一体化对科技进步的现状 包括数字技术 与经济发展前景的联系会引起人们的各种思考一方面数字技术对推动科技进步 以新颖性创造性实用性为标准 带来的机遇不容忽略另一方面人类综合能力实践能力和创新能力的提高也会推动数字信息化在更宽阔 的领域里有新的创造25人类通过对信息的处理来认识客观的世界又是通过对信息的应用实践来改造世界的人们可以认为信息处理的数字化技术一定和其他任何事物的发展规律一样只是信息处理的一个阶段反映了从模拟到数字的飞跃但是在这个阶段将会停留很长时间让我们去发展它去完善处理它的方法数字处理绝不是信息处理方法的终极方案也不是没有缺陷的方案 比如不适合用它处理频率很高的信号等 数字化处理技术对人类的贡献已经十分明显而信息处理的数学方法对科学技术的推动作用更是不可估量的数字化革命已经渗透到了人类生活和工作的各个方面而且人类正以信息处理主宰者的姿态不断实践绘制着自己更加丰富多彩的光明未来28 数字化已经成为了时代的主流发展的趋势14课题任务要求本次设计的主要目的是将单片机信息处理技术应用到数字化语音存储与回放系统15本文的主要内容本课题主要利用da和数据存储研究工作包括软件的编程为了实现本文主要研究工作如下首先进行系统方案的分析与设计主要介绍统的性能指标原理等设计系统使之具有功能然后进行系统的硬件设计主要包括的分析与设计根据范围及要求选择传感器设计系统使之具有进行系统的软件设计主要图21系统框架图系统组成如图21所示由输入通道at89c52单片机和输出通道三部分组成先分析输入通道部分图22输入通道结构图输入通道由拾音器前置放大电路和带通滤波器组成拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20-25mv后级ad转换输入信号的动态范围为0-5v因为此电信号太小所以不能够进行采样语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右此处将信号通过一增益为46db的放大器将其放大到伏特量级输出通道由带通滤波器后级放大电路组成信号由拾音器拾起经由用ne5532设计放大电路的进行放大增益可调这样满足了存储放大器增益46db要求滤波电路采用带通滤波电路将带通滤波器设计为典型的200hz-34khz输出级带通滤波器也为200hz-34khz这样既可滤掉低频分量又可滤掉da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知欲使采样信号无失真抽样频率最低为68khz考虑到留有一定的余地采用8khz这样就足够保证语音质量系统信号采集由模数转换器adc0809及采样保持放大器lf398完成lf398 具有高采样速率保持电压下降慢等特点语音信号经其采样后输出至adc0809分析输出通道部分图23输出通道结构图输出通道也采用滤波电路利用这种电路滤掉数字量转换的模拟量中不在所要求频率范围的波形功率放大部分由lm386组成lm386是目前颇为流行的小功率音频放大集成电路它广泛运用于各种语音电路中作为系统的核心部分即系统的处理控制中心单元选用at89c52它属于80c51增强型单片机版本集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能适合于控制等应用场合at89c52内置8位中央处理单元256字节内部数据存储器ram8k片内程序存储器rom32个双向输入输出 io 口3个16位定时计数器和5个两级中断结构一个全双工串行通信口片内时钟振荡电路at89c52完全满足要求图24信号处理结构图存储器的容量选择根据所存语音信号的时间长短而定因题目要求至少10s所以存储器的容量至少为80k可以选用2片64k的flash memory 28f512作为外部数据存储器来存放存储的数据3硬件部分设计31 拾音器拾音器本质上是一种声传感器它能够把外界声场中的声信号转换成电信号它在通讯噪声控制环境检测音质评价文化娱乐超声检测水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用它的种类按特点和频率等将它划分为超声传感器声压传感器和声表面波传感器单纯的磁性拾音器工作的电学原理当在铜丝绕制的线圈内震动切割被该线圈所缠绕的磁芯产生的磁感线时线圈内感应出电信号并流出 动圈式32 放大器的设计放大器输入的电压或功率放大的装置由电子管或晶体管电源变压器电器元件组成在通讯广播雷达电视自动控制等装置中com 前置增益放大器拾音器输出的信号实际范围约为2025mv而后级ad转换输入信号的动态范围为05v由于此电信号太小不能够进行采样通过对语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应设置在200倍左右即将拾音器输出的信号通过一增益为46db的放大器将其放大到伏特量级为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大我们采用由运放ne5532构成的高输入阻抗的放大器ne5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器特点小信号带宽10mhz输出驱动能力60010v有效值输入噪声电压5nvhz直流电压增益50000 交流电压增益2200-10khz 功率带宽140khz转换速率9vs大的电源电压范围3v-20v 单位增益补偿相大多数标准运算放大器ne5532显示出更好的噪声性能这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备仪器和控制电路和电话通道放大器ne5532作为前置放大电路的运放前置放大电路如图31所示图31前置放大器放大器的放大倍数按下式计算3-1带入数据有3-2因为设计的r4的值可以调节所以增益倍数可以满足要求的调节范围com率放大器经带通滤波器输出的声音信号其幅度为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会用到扬声器外放故在本系统中增加外放功能采用通用型音频功率放大器lm386来完成13lm386是目前颇为流行的小功率音频放大集成电路它广泛运用于各种语音电路中它的突出优点是频响宽功耗低电源电压适应范围宽外接元件少等lm386集成功率放大器的性能及特征额定工作电压416v额定电流当电源电压为6v时静态工作电流为4ma适合用电池供电增益脚与脚之间不接外部阻容元件时电压增益为20接元件时可提供增益到20200之间的任何值 频响可达数百khz最大允许功耗为25600ma使用时不用散热片负载电阻4时输出功率失真为10为300malm386有两个信号输入端当信号从脚输入时构成反相放大器从脚输入时构成正相放大器本设计中信号从脚输入为正相放大器每个输入端的输入阻抗都为50k而且输入端对地的直流电位接近为零即使对地短路输出直流电平也不会产生大的偏离图32 lm386引脚图在音频放大电路中输出信号的放大倍数由lm386的引脚和的外接的情况来决定一般情况下这两个引脚通过串联一个电阻r1和一个电容c2连接起来正是这个rc网络决定了电路的增益当脚和脚开路时电路电压增益为40通过调节r1的值可以改变增益的大小通过滑动rv1的触头即可调节后置功率放大的大小进而控制调节音量电路如图33所示图33输出功率放大33滤波器设计滤波器的作用是让一定频率范围内的信号通过同时将此频率范围之外的信号加以抑制或者使其急剧衰减当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内使用滤波器可以非常有效的抑制干扰实际信号除有用信号外常常带有干扰这些干扰有的是和有用信号同时产生的有的则是在信号传输与处理过程中由于不同系统间的相互作用而引起的在信号处理中从带有干扰的信号中能够分离出有用信号的装置被称为滤波器滤波器在日常生活中运用非常广泛例如在电子工程通信工程自动控制遥测控制测量仪器仪表和计算机等技术领域经常需要用到各种各样的滤波器随着集成电路的迅速发展用集成电路可很方便地构成各种滤波器用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比其波形质量幅度和频率稳定性等性能指标都有了很大的提高23声音信号通过动圈拾音器转为电压信号通过前级放大进行放大在对其进行数据采集之前并经过带通滤波器滤除所需频率以外的杂波按本题目要求选定带通滤波器滤波器的通带范围为200hz34khz滤波器的作用是1保证2003400hz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3便于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3000hz左右带通滤波器按品质因数的大小为窄带滤波器和宽带滤波器两种本题中上限频率通带滤波器中心频率为 3-3品质因数为 3-4因为故该带通滤波器为宽带带通滤波器本宽带带通滤波器设计由高通和低通滤波器级联构成滤波器的实现我们采用低通-高通级联方式实现即将带通滤波器的技术指标分成低通滤波器和高通滤波器两个独立的技术指标分别设计出低通滤波器和高通滤波器再级联即得带通滤波器1计算高通滤波器的电阻电容值根据经验取选取 3-5将数据带入式3-5有2计算低通滤波器的电阻电容值根据经验取选取将数据带入3-5有根据计算所得的参数值计算所设计的带通滤波器的传递函数低通传递函数 3-6高通传递函数计算 3-7两个传递函数相乘得到总的传递函数图34 滤波器幅频曲线matlab中观察滤波器的滤波效果如下 图35 滤波效果图34单片机选型单片微型计算机简称单片微机或单片机它是一种把芯片中集成中央微处理器随机存取存储器只读存储器定时计数器以及io接口电路等部件构成了一个完整的微型数字电子计算机其具有很多优点高性能高速度体积小价格低廉稳定可靠等也正是由于单片机具有上述显著的特点使得单片机的应用范围日益扩大单片机的应用打破了人们的传统设计思想原来很多用模拟电路脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能现在均可以使用单片机采用软件编程来实现同时使用单片机所做的产品还具有体积小可靠性高性能价格比高和容易产品化等优点com at89c52介绍at89c52是一种8 位通用微处理器采用工业标准的c51内核在内部功能及管脚排布上与通用at89c52一种带k字节高性能cmos8位微处理器单片机at89c52能够满足8k flash程序存储器的要求at89c52是采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中atmel的89c5一种高效微控制器为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案其主要用于会聚调整时的功能控制功能包括对会聚主ic 内部寄存器数据ram及外部接口等功能部件的初始化会聚调整控制红外遥控信号ir的接收解码及与主板cpu通信等p0口p0口为双向io口每脚可吸收8ttl门电流p0能够用于外部程序数据存储器为双向io口在fiash编程时p0 口作为原码输入口当fiash进行校验时p0输出原码p1口p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向io口p1口管脚写入1后被内部上拉为高可用作输入p1口被外部下拉为低电平时将输出电流这是由于内部上拉的缘故p10 和p11 还可分别作为定时计数器2 的外部计数输入p10t2和输入p11t2excom功能引脚号功能特性p10t2时钟输出p11t2ex定时计数器2p2口p2口8个引脚一般可作为准双向io口p2口缓冲器可接收输出4个ttl门电流当p2口被写1时其管脚被内部上拉电阻拉高且作为输入并因此作为输入时p2口的管脚被外部拉低将输出电流这是由于内部上拉的缘故p2口当用于外部程序存储器或外部数据存储器进行存取时p2口地址高八位在给出地址1时它利用内部上拉优势当对外部八位地址数据存储器进行读写时p2口输出其特殊功能寄存器的内容p3口p3口8个引脚除了作为准双向io口当p3口写入1后它们被内部上拉为高电平并用作输入作为输入由于外部下拉为低电平p3口将输出电流ill这是由于上拉的缘故p3口作为89c5的一些特殊功能口rst复位输入当振荡器复位器件时 rst脚两个机器周期的高电平aleprog当访问外部存储器时地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的位字节在flash编程期间此引脚脉冲在平时ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号此频率为振荡器频率的16因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的psen程序存储器的选通信号在由外部程序存储器取指期间每个机器周期但在访问外部数据存储器时这两次有效的psen信号将不出现ea当ea保持低电平时外部程序存储器xtal1振荡放大器的输入xtal2振荡放大器的输入1兼容mcs51指令系统8kb的可复擦写flash闪速存储器双向io口256个字节的片内ram63个16位可编程定时计数器中断时钟频率0-24mhz8低功耗空闲和掉电模式2个外部中断源共8个中断源10具有强位寻址位处理能力中断at89c52 共有6 个中断向量两个外中断int0 和int13 个定时器中断定时器012和串行口中断这些中断源可通过分别设置专用寄存器ie 的置位或清0 来控制每一个中断的允许或禁止ie 也有一个总禁止位ea能控制所有中断的允许或禁止 定时器2 的中断是由t2con 中的tf2 和exf2 逻辑或产生的当转向中断服务程序时这些标志位不能被硬件清除 事实上服务程序需确定是tf2 或exf2 产生中断而由软件清除中断标志位 定时器0 和定时器1 的标志位tf0 和tf1 在定时器溢出那个机器周期的s5p2 状态置位而会在下一个机器周期才查询到该中断标志然而定时器2 的标志位tf2 在定时器溢出的那个机器周期的s2p2 状态置位并在同一个机器周期内查询到该标志图36 lf398的引脚图图中input和output分别为模拟量输入和输出offset voltage为偏置调整引脚ch为外界保持电容引脚v和v-为电路电源logic和logic referen ce分别为逻辑电平和逻辑参考电平用于控制其工作方式当logic为低电平时开关k闭合电路工作在采样状态反之k断开电路工作在保持状态36 da转换器dac0832 da转换芯片也种类繁多本课题选用应用非常广的dac0832它是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率双通道ad转换芯片由于它体积小兼容性强性价比高接口简单和控制方便等特点而广泛应用adc0832 具有的特点8位分辨率双通道ad转换输入输出电平与ttlcmos相兼容电源供电时输入电压在05v之间工作频率为100khz转换时间为10s一般功耗仅为15mwcom dac0832内部结构及引脚图37 dac0832的引脚dac0832内部结构资料芯片内有两级输入寄存器使dac0832具备双缓冲单缓冲和直通三种输入方式以便适于各种电路的需要 如要求多路da异步输入同步转换等 da转换结果采用电流形式输出要是需要相应的模拟信号可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能运放的反馈电阻可通过r端引用片内固有电阻可以外接dac0832外部di0di7数据输入线tll电平 ile数据锁存允许控制信号输入线高电平有效cs片选信号输入线低电平有效 wr1为输入寄存器的写选通信号 xfer数据传送控制信号输入线低电平有效 wr2为dac寄存器写选通输入线 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 rfb反馈信号输入线芯片内部有反馈电阻vcc电源输入线 5v15v vref基准电压输入线 -10v10v gnd模拟地摸拟信号和基准电源的参考地 com dac0832工作方式dac0832的工作方式有单缓冲工作方式双缓冲工作方式和直通工作方式三种类型1单缓冲方式单缓冲方式是控制输入寄存器和dac寄存器同时接收资料或者只用输入寄存器而把dac寄存器接成直通方式此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形2双缓冲方式双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料再控制输入寄存器的输出资料到dac寄存器即分两次锁存输入资料此方式适用于多个da转换同步输出的情节3直通方式直通方式是资料不经两级锁存器锁存即wr1wr2xfercs均接地ile接高电平此方式适用于连续反馈控制线路不过在使用时必须通过另加io接口与cpu连接以匹配cpu与da转换图38单缓冲方式连接示意图在不要求多相da同时输出时采用单缓冲方式此时只需一次写操作就开始转换可以提高da的数据吞吐量mov ar1movx r0a片内ram30h单元的内容送往dac0832进行转换在实际应用中经常需要用到一个线性增长的电压去控制某一个检测过程或者作为扫描电压去控制一个电子束的移动执行下面的程序段利用da转换器产生一个锯齿波电压实现此类控制作用dacmov r0 0dfh选通dac0832mov a 0ffhloopmovx r0 a输出acall delay调延时程序dec asjmp loop图39锯齿波图形37 ad转换电路设计由信号处理电路输出的信号是模拟信号但是单片机只能处理数字信号所以首先必须将模拟量经过一定的电路转换为数字信号只有这样单片机才能处理这种电路被称为ad转换电路com ad转换的常用方法ad转换的常用方法有双积分式ad转换逐次逼近型ad转换计数型ad转换等双积分式ad转换的工作原理是将对输入电压的测量转换成对基准源积分时间的测量再测量时间脉冲宽度信号或频率脉冲频率然后由定时器计数器获得数字值这种方法的主要优点是分辨率高精度高抗干扰性强主要缺点是转换速度慢逐次逼近型ad转换由一个比较器和da转换器通过逐次比较逻辑构成顺序的增加内部da的输入值并将其输出电压与ad测量输入电压比较当二者相等时内部da的输入值就是ad转换的结果这种方法的主要优点是速度快功耗低主要缺点是抗干扰性差com adc0809的主要特性和结构本设计采用adc0809大规模集成电路芯片它是一种具有8路模拟量输入的8位ad转换器采用逐次逼近式ad转换器输出的数字信号有三态缓冲器可以和单片机直接接口它有模拟多路转换开关和ad转换两大部分 模拟多路转换开关由8路模拟开关和3位地址锁存与译码器组成地址锁存允许信号ale将三位地址信号addcaddb和adda进行锁存然后由译码电路选通其中一路摸信号加到ad转换部分进行转换ad转换部分包括比较器逐次逼近寄存器sar256r电阻网络树状电子开关控制与时序电路等另外具有三态输出锁存缓冲器其输出数据线可直接连cpu的dbadc0809内部结构如下图所示它由8路模拟开关地址锁存与译码器比较器8位开关树型da转换器图310 adc0809的原理框图adc0809的主要技术指标为1它的分辨率为8位2单电源供电5v3最大不可调误差小于1lsb4转换时间为100s时钟频率为640khz5 模拟输入范围单极性05v6不必进行零点和满刻度调整7功耗为15mwcom adc0809管脚功能及定义adc0809芯片有28条引脚采用双列直插式封装下面说明各引脚功能如图所示首先输入3位地址并使ale 1将地址存入地址锁存器中此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器start上升沿将逐次逼近寄存器复位下降沿启动 ad转换之后eoc输出信号变低指示转换正在进行直到ad转换完成eoc变为高电平指示ad转换结束结果数据已存入锁存器这个信号可用作中断申请当oe输入高电平 时输出三态门打开转换结果的数字量输出到数据总线上转换数据的传送 ad转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理数据传送的关键问题是如何确认ad转换的完成因为只有确认完后才能进行传送为此可采用下述三种方式1方式 cpu执行一条输出指令启动adc转换然后cpu执行延时程序延时时间大于所选用的adc芯片转换时间延时结束cpu执行输入指令打开三态门获取adc转换好的数据如adc0809转换时间为128s相当于mhz的mcs-51单片机共个机器周期可据此设计一个延时子程序ad转换启动后即调用此子程序延迟时间一到转换肯定已经完成了接着就可进行数据传送参见图 2查询方式 3中断方式 把表明转换完成的状态信号eoc作为中断请求信号以中断方式进行数据传送图314 中断adc接口电路不管使用上述那种方式只要一旦确定转换完成即可通过指令进行数据传送首先送出口地址并以信号有效时oe信号即有效把转换数据送上数据总线供单片机接所用的指令为movx 读指令则有mov dptr fe00hmovx a dptr该指令在送出有效口地址的同时发出有效信号使0809的输出允许信号oe有效从而打开三态门输出是转换后的数据通过数据总线送入a累加器中这里需要说明的示adc0809的三个地址端abc即可如前所述与地址线相连也可与数据线相连例如与d0d2相连这是启动ad转换的指令与上述类似只不过a的内容不能为任意数而必须和所选输入通道号in0in7相一致random access memoryram用于存放可随时修改的数据信息单片机使用的主要是静态rammcs-51系列单片机片外数据存储器的空间可达64kb而片内数据存储器的空间只有128b或256b如果片内的数据存储器不够用时则需进行数据存储器的扩展存储器扩展的核心问题是存储器的编址问题所谓编址就是给存储单元分配地址由于存储器通常由多个芯片组成为此存储器的编址分为两个层次即存储器芯片的选择和存储器芯片内部存储单元的选择18 1地址线的译码存储器芯片的选择有两种方法线选法和译码法所谓线选法就是直接以系统的地址线作为存储器芯片的片选信号为此只需把用到的地址线与存储器芯片的片选端直接相连即可所谓译码法就是使用地址译码器对系统的片外地址进行译码以其译码输出作为存储器芯片的片选信号译码法又分为完全译码和部分译码两种 完全译码地址译码器使用了全部地址线地址与存储单元一一对应也就是1个存储单元只占用1个唯一的地址部分译码地址译码器仅使用了部分地址线地址与存储单元不是一一对应而是1个存储单元占用了几个地址238译码器74ls13838译码器74ls138为一种常用的地址译码器芯片其中g1g2ag2b为控制端只有当g1为1且g2ag2b均为0时译码器才能进行译码输出否则译码器的8个输出端全为高阻状态译码输入端与输出端之间的译码关系如下表33所示表33 译码表cba编码000001010011100101110111输出有效位3读片外ram操作时序89c52单片机若外扩一片ram则应将其wr引脚与ram芯片的we引脚连接rd引脚与芯片oe引脚连接ale信号的作用即锁存低8位地址以便读片外ram中的数据在第一个机器周期的s1状态ale信号由低变高读ram周期开始在s2状态cpu把低8位地址送到p0口总线上把高8位地址送上p2口 在执行movx adptr指令阶段时才送高8位若是movx ari指令则不送高8位 ale的下降沿用来把低8位地址信息锁存到外部锁存器74hc373内而高8位地址信息一直锁存在p2口锁存器中在s3状态p0口总线变成高阻悬浮状态在s4状态rd信号变为有效是在执行movx adptr 后使rd信号有效rd信号使得被寻址的片外ram略过片刻后把数据送上p0口总线当rd回到高电平后p0总线变为悬浮状态至此读片外ram周期结束4写片外ram操作时序向片外ram写 存 数据是89c52执行movx dptra指令后产生的动作这条指令执行后在 89c51的wr引脚上产生wr信号的有效电平此信号使ram的we端被选通开始的过程与读过程类似但写的过程是cpu主动把数据送上p0口总线故在时序上cpu先向p0总线上送完低8位地址后在s3状态就将数据送到p0总线此间p0总线上不会出现高阻悬浮现象在s4状态写控制信号wr有效选通片外ram稍过片刻p0上的数据就写到ram内了在数字化语音存储与回放的设计中可用2片28f512 flash存储器 flash具有在线可擦写非挥发性信息保存可靠存储容量大等优点每片的容量为64k字节它是国外最新产品该产品的读写一般与ram相同由于89c52一般能寻址64k字节2片28f512构成64k的外部数据存储器满足存储10s的要求图315 系统原理图4 软件设计41 编程工具软件keil c51keil 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常用的单片机应用系统的软件编写语言有汇编cbasicc等对51单片机而言使用最广泛的还是汇编语言和c语言采用keil c开发51单片机应用程序一般需要以下步骤1在开发环境中创建一个新项目并为该项目选定合适的单片机型号2利用vision3的文件编辑器编写汇编语言源程序文件并将文件添加到项目中去3通过vision3的各种选项配置cx51编译器ax51宏汇编器bl51lx51连接定位器以及debug调试器的功能4利用vision3的构造功能对项目中的源程序文件进行编译链接生成绝对目标码和可选的hex格式的可执行文件如果出现编译连接错误则返回2步修改源程序中的错误后重新构造整个项目5将没有错误的绝对目标代码装入vision3调试器进行仿真调试调试成功后用编程器将可执行文件写入到单片机的程序存储器或单片机内部的rom中汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互它优点能够直接访问与硬件相关的存储器或io端口能够不受编译器的限制对生成的二进制代码进行完全的控制提高运行速度能够最大限度地发挥硬件的功能42 proteus软件简介proteus软件是英国labcenter electronics公司出版的eda工具软件该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司它不仅具有其它eda工具软件的仿真功能还能仿真单片机及外围器件它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具proteus主要由isis和ares两部分组成isis的主要功能是原理图设计及与电路原理图的交互仿真ares主要用于印制电路板的设计 proteus可仿真数字和模拟交流和直流等数千种元器件有30多个元件库proteus可提供的仿真仪表资源 示波器逻辑分析仪虚拟终端spi调试器i2c调试器信号发生器模式发生器交直流电压表交直流电流表proteus可提供的调试手段 proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试这些测试信号包括模拟信号和数字信号43 软件程序的设计com 程序总体流程图单片机at89c52通过片选方式扫描键盘有录音键按下则录音同时录音过程中若有暂停键按下则暂停录音返回检测键盘若录音键按下则继续录音存储器满则自动返回当有放音键按下则开始播放播放过程中若检测到暂停键则暂停播放在检测到播放键按下则继续播放图41 主程序流程图主程序功能如下系统初始化赋定时器t0初值ram指针清零等语音采样程序定时读ad转换结果存入ram中修改ram指针放音程序da数据输出程序输出ram中的存放值并修改ram等com 子程序设计1利用at89c52的int0和int1设置录音放音两种按钮int0即外部中断0完成语音存储功能int1即外部中断1完成语音回放功能录放音子程序流程图如下图42 录放音子程序流程图2定时器t0中断流程图为了以满足采样频率8khz的要求在设计时对t0定时为125s当定时时间到时启动adc0809进行模数转换完成一次转换之后关闭adc0809然后重新计时经过125s后再次启动adc0809再进行一次采样图43 定时器t0中断程序流程图2键盘查询程序流程图图44 键盘查询流程图通过扫描键盘判断并确定哪个按键按下并做出相应的响应如果录音按键按下则启用录音子程序对信号进行模数转换处理并存入片外ram在该过程中按下暂停则停止录音同时扫描键盘判断有无按键按下如果按下放音键则启用放音子程序读取ram数据进行数模转换还原为模拟信号该过程暂停键按下则停止放音等待键盘的按下并做出相应的反应com 系统仿真图45 ad da模块仿真电路图采样信号为以正弦波状的电压信号经adc0809进行模拟量的数字化转换通过单片机处理并传送给dac0832再由dac0832进行数字量的模拟量转换还原为正弦波状的电压信号图46 输入输出通道仿真效果图图中第一条曲线为输入到adc0809的正弦波信号中间的曲线为数字量经过dac0832还原后的模拟信号的波形最后一条曲线为经过滤波器处理的模拟信号通过图形分析可知系统能够达到所要求的语音存储与回放的要求图47 键盘仿真效果图通过仿真键盘验证键盘的管理当按下启动按钮时系统开始计时当按下停止按钮时系统停止计时等待命令如此时再按下启动按钮则系统继续计时按下清除按钮系统停止计时5 结论本文所设计的数字化语音存储与回放系统采用了at89c52单片机为处理器因为该单片机的价格低廉且功能能够满足我的设计所需所以我选择它作为我设计的系统的核心模块在系统中为了保证语音信息存储及回放的质量增加了放大滤波电路环节同时对系统扩展了外部数据存储器这样就可以存储较长时间的语音信息通过设计语音存储与回放系统我较以前更深刻的了解单片机学会了如何应用protel设计电路应用proteus进行仿真本次设计收获很大对电子系统设计有了更深刻的了解在设计之前必须仔细分析题目并进行深入的研究分析所要设计的系统的类型并针对系统进行方案的论证然后模块化处理系统最后将各个模块组合并进行总体调试本文对数字化语音存储与回放系统的研究还不够深入还有很多地方未进行深入的分析论证本系统还可以进行改进与拓展可以将其与计算机通过串口进行连接通过计算机对语音信息进行深层次的分析处理等路漫漫其修远兮吾将上下而求索参考文献1 刘金华李宗福单片机在语音存储与回放中的作用j黄石高等专科学校学报200016 1 3-72 黄恩魏炜邹鋆涛向海飞数字化语音存储与回放系统硬件设计中国仪器仪表2003031-1 3 高海春任开达数字化语音存储与回放系统华东船舶工业学院学报2000031-34 梁文海徐玲语音数字化存储回放系统设计极其应用 四川大学学报2002011-45 张智杰ad574在数据采集中的应用国外电子元器件20030654-576 张晶曾宪云闪速存储器at29c040与单片机的接口设计半导体技术200192-47 刘焕平韩树新adc0809与at89c51 的一种接口方法石家庄师范专科学校学报200268 林敏简易数字化语音存储与回放系统j仪表技术20089 10 9 曹卫芳基于mcs-51系列单片机的通用控制模块的研究d青岛山东科技大学200510 王炜刘峰吴淑珍rasta 滤波在语音通信质量客观评价中应用的研究北京大学学报20039 11 江明单片机控制多功能信号发生器d长春吉林大学200412 卢文汐单片机语音存储与回放系统的设计武汉大学电子信息学院13 刘欣安欣赏isd语音器件分段地址的获取j电子技术应用19991064-6514 包丽萍单片机控制系统的抗干扰措施j牡丹江大学学报20089 12 103-10415 王南阳单片语音录放电路模块及其应用j电子世界1999741-4316 门赫开发运用音乐集成电路的潜在功能j常州工学院学报2004638-41 17 hai jin guang r gao zhiwei xu a pervasive sersor node architecture volume 3222 2004 october 18-20 200456-5718 atmel at29c040 user s guide199619 kitawaki nhonda m itoh k speech quaity assessment methods for speech coding systems ieee communicationsmagazine 1984 22 10 26 3320 a book on cprogramming in cfourth edition 美al kelleyira pohl addison wesleypearson 200421 susan a r garrod robort j borns digital logic-analysis application and design holt rinehart and winston inc 199122 张毅刚单片机原理及应用高等教育出版社2003 23 谢自美电子线路设计com524 姚晓亮刘春河杨林杰一种数字化语音存储与回放系统的设计芯片应用20076127-12925 康华光电子技术基础 第四版 北京高等教育出版社199926 张雄伟编著现代语音处理技术及应用北京机械工业出版社2003827 沈红卫基于单片机的智能系统设计与实现m北京电子工业出版社200528 丁元杰单片微机原理及应用 m北京机械工业出版社2009229 何利民主编单片机外围器件实用手册北京北京航空航天大学出版社2003附录系统总程序adc equ 0a000h dac equ 0c000h key bit 01h record bit 02h replay bit 03h stop bit 04h org 0000hljmp startorg 0003h 外部中断0键盘中断入口 clr ealjmp record org 000bh 定时器计数器0中断入口ljmp int_time0org 000bhljmp replayorg 0100hstart mov 8eh04h clr ea mov sp60h 堆栈初始值setb key clr recordclr replay clr stop setb ea setb ex0 开外部中断0main jb record 判别录音标志 jb replay 判别放音标志 setb key 按键标志复位ajmp mainrecord mov amode cjne a01hrc1 ljmp record_pcm ljmp mainreplay mov amode cjne a01hrp1 ljmp replay rp_exit ljmp mainrecordclr stop 停止标志复位setb ea setb et0 setb tr0 mov dptradc movx dptra 启动ad转换 mov dptr0000h 外部ram首地址rc_pcm push dph push dpl 保护外部ram当前存储地址 mov dptradc lcall delay_125us 采样频率125us movx adptr 读取转换结果 movx dptra