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数字存储与语音回放系统设计,毕业设计论文
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毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 35 页 引言 语言在人类发展史中起到了至关重要的作用， 它的作用并不亚于直立行走和工具的使用 ，怎样能把人类的语言丝毫不差地记录下来也是人们一直思考的问题。 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许多限制。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的数字控制。 使用单片机以及外部电路的配合完全可以达到语音存储与回放的目的。本系统采用了美国 ISD 公司的专利产品ISD2590（录音 90秒）语音芯片，此芯片具有音 质自然、使用方便、单片存储、反复录放、低功耗、抗断电等特点。该芯片采用模拟数据直接在半导体存储器中存储的技术，不需经过 A/D或 D/A转换。因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和 金属声 。片内信息可保存100年（无需后备电源），存储单元可反复录音十万次。语音芯片的使用大大简化了本系统的设计过程。该芯片的一大特点就是可分段录制声音并分段播放出来，通过 89C51单片机对语音芯片进行控制完成录放。 随着科学技术的飞速发展，仅仅存储和回放语音是不够的 。语音技术正朝着语音合成和语音识别的方向发展。 智能翻译机、语音拨号、语音查询、语音自动定票系统、语音工业控制等等，可以想见，凡用计算机的地方都会有语音识别。在计算机辅助教育方面，计算机就成为专业的家庭辅导教师；在幼儿进行启蒙教育的玩具中，语音识别也将倍受欢迎。电脑语音合成技术即 CTI（ Computer Telephone Integration），是用计算机技术处理电话语音。通常是建一个信息呼叫中心，用户打来电话时计算机会自动地一层层地转给相关部门，一直到为用户解决问题为止。 可想而知， 随着语音合成技术研究的 突破，其对计算机发展和社会生活的重要性日益凸现出来。其应用和经济社会效益前景非常良好 。 时至今日，语音技术产品的市场日益升温，语音识别技术已经成为计算机进一步在亿万百姓中普及的关键技术，也必将成为信息产业的标志性技术和未来计算机的重要特征。 1 概述 1.1 系统要求 工程设计并制作一个数字化语音存储与回放系统。 要求： （ 1） 、放大器增益可调。 （ 2） 、带通滤波器：通带为 300Hz-3.4KHz。 （ 3） 、 ADC采样频率 8kHz，字长 8位。 （ 4） 、语音存储时间不少于 90秒。 （ 5） 、 DAC变换频率 8kHz，字长 8位。 （ 6） 、回放语音质量好。 nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 35 页 1.2 课题基本要求 （ 1）掌握单片机的基本原理并应用于该毕业设计课题中； （ 2）熟悉对数字化语音系统的存储与回放； （ 3）掌握语音芯片 ISD2590 工作原理； （ 4）设计制作语音存储与回放系统； （ 5）掌握单片机软件编程方法。 1.3 课题相关背景 目前语音技术的研究现状来讲，技术已经有了很大发展。语音识别和语音合成技术是实现人机语音通信及建立一个有听和讲能力的口语系统所必需的两项关键技术。使电脑具有类似于人一样的说话和听懂人说话的能力。 语音识别技术主要包含几个 方面：语音控制、电子发声、连续语音识别、非连续语音识别和语音学习。目前主要是在支持中英文，实现中英文混合识别问题上，存在一些障碍。同时在识别大量词汇和个别发音方面还很难做到准确。作为语音识别技术新方向的语音学习，它则要求人模仿标准发音，其面临的困难是如何衡量人模仿的好坏。 和语音识别相比，语音合成技术相对说来要成熟一些，是该领域中近期最有希望产生突破并形成产业化的一项技术。语音合成技术是计算机 开口说话 的关键，现阶段语音合成的最大进展是已经能够实时地将任意文本转换成连续可懂的自然语句输出，相应技术通常称为 文语合成或文语转换 (TTS)。 TTS 使得数据通信和语音通信在终端一级实现交融，人们将有望在获取 Internet 信息时，使短消息服务、电子邮件等多数以文本方式提供的信息也用语音的方式输出。语音合成的主要功能是：根据韵律建模的结果，从原始语音库中取出相应的语音基元，利用特定的语音合成技术对语音基元进行韵律特性的调整和修改，最终合成出符合要求的语音。 回到我们的语音存储与回放系统，其在现实生活中一个具体使用的例子就是公车报站系统。 公共汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务，而公共汽车的报站直接影响服务的质量。传统由 乘务人员人工报站，该方式因其效果太差和工作强度太大，在很多大城市已经被淘汰。近年来，随着科学技术的日益发展和进步，微型计算机技术已经在许多领域得到了广泛的应用。在声学领域，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得汽车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化的服务。 2 基本设计原理 2.1 语音采集与生成原理 人耳能听到的声音是一种频率范围为 20Hz 20000Hz ,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高频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 8kHz。 单片机语音生成过程 ,可以看成是语音采集过程的逆过程 ,但又不是原封nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 35 页 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。 2.1.1 数摸转换电路 所谓 A/D转换器与单片机的接口，就 是 8位 A/D芯片，可直接采用连接方法（即将ADC芯片的数据输出线直接挂单片机 的数据线上）；而对于不具备数据输出三态缓冲功能或者数据位多于 8位的 ADC芯片，则需要采用间接连接法（即通过并行 I/O接口芯片如8255后再与单片机的数据总线 DB相连）。 ADC0809 与单是如何实现 A/D 转换芯片的启动转换、转换结束和数据输出三组引脚与单片机构造总线的对接问题。对于具备通道地址锁存、读 /写同步控制逻辑和数据输出三态缓冲 单 片机的连接一般采用前一种方法实现。由于 0809 具有锁存和三态输出缓冲功能而且数据字长为 8 位，故 ADC0809 的数据输出线能与单片机构造总线的 DB（ P0.0 P0.7）直接相连。 2.1.2 存储器 MCS-51单片机只有 16根地址线 A0 A15，其中 P0口提供地址线的低 8位， P2口提供地址线的高 8位，但偏激的这种物理结构决定了它的应用系统外扩的 RAM可达 64KB。但是，如果需要大容量的 RAM 存储空间的应用场合，即需要的 RAM 空间超过 64KB 的应用系统，这就需要考虑扩大外部 RAM的方法。由于 MCS-51单片机只有 16条地址线，而要扩大 RAM空间就必须增加地址线，因此，可以采用增加虚拟地址线的方法来扩展超过64Kb的外部 RAM空间，每增加一条地址线，空间增大一倍。增加虚拟地址线的办 法有两种：一种是用 P1 口线作为虚拟地址线；另一种是用扩展 I/O 口的办法增加地址线。两种方法的特点分别为：对于 P1 口扩展虚拟地址方法简单，但需占用 I/O 口， HM628128为 128KB 空间，需增加一根地址线及一根片选线，利用单片机的 P1 口可直接对 7 片HM628128 寻址，容量为 896K 字节。由于单片机的 WR 和 RD 控制线不可能同时为 “0”电平、显然正好作为 HM628128 的 WE 和 E 0 线， CS 及 CS2 两个片选信号中任一个可全部连接在一起接成 “0” 电平或 “1” 电平。但确定占用了单片机的 I/O 口。而用扩展 I/O口 的 方法是一种逻辑方法。扩展 I/O 的方法是利用 P0 口操作先送入地址后送数据的特点来实现扩展的。其原理为利用单片机 MOVX 指令写外部 RAM 的， P0 口先送入外部 RAM的低 8位地址，在送入数据，如果将数据存储起来，并转换为相应的外部地址数据，则可实现 “ 时间 ” 上增加地址线的目的。数据的存储和转换的功能可以由一个转换 器实现，数据转换器可以当作一个外部 I/O而分配一个地址，再向转换器写入一个数据，这个数据通过转换可以与外部地址一一对应，这样实现了和单片机的原来的 16 位地址线和控制线共同确定外部唯一的地址空间。缺点如用 0FFFFH 作为转换器地址，则扩展的所有的 RAM芯片的 0FFFFH地址都不能作为地址空间使用。 2.1.3 滤波器电路 带通滤波器的设计，其首要的问题是根据题目的基本要求 及 给定的条件，推算出该滤波器的频响参数，即滤波器高频端的 -3dB截至频率，阻带频率和该频率处的衰减，以nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 35 页 及过渡带的变化斜率。根据这些参数就可以 采用任何一中成熟的设计方法去设计该滤波器。 为防止混叠失真及提高信噪比， 300-3400Hz的带通滤波器显得十分重要。由于上下截止频率之比为 3400/300=11.32，因此这是一个带通滤波器，无法采用一般的带通滤波器的设计方法来实现，但可以采用低通滤波器级联高通滤波器的方法来实现。可以采用专用的滤波器芯片，其主要问题是专用滤波器芯片的技术参数相对固定，调节范围比较小，可能无法完全吻合系统的设计要求。如果采用分立元件来实现，分为有源滤波器和无源滤波器。无源滤波器要求有电感元件，体积庞大。有源滤波器采用集 成运放和阻容元件构成，具有体积小，工作频率范围宽、对信号没有衰减甚至还可以放大，输入阻抗高，输出阻抗低等优点，最后一个优点使得多个有源滤波器之间便于级联。缺点是干扰稍大，阻容元件的查表计算值一般都不是标称值因而元器件的选购有一定的困难。所以使用有源滤波器实现。购买阻容元件时精心挑选与测试，以保证可以实现性能。另外，有源滤波器可能引起输出失调，且随温度变化而漂移。由于有源滤波器有正负电源，它的输入端与电源和地都有联系，因此不能像无源滤波器那样完全浮地使用，但是这些缺点在本系统中的应用不大。 2.2 电路控制原 理 （ 1）控制器可采用单片机或可编程逻辑控制器实现。可编程逻辑控制器具有速度快的特点，但其实现较复杂，且做到有好的人机界面也不太容易。单片机实现较容易，并且具有一定的可编程能力。对于 89C51，如果选择 12MHz的时钟，则指令周期为 1-4s。对于 8 KHz采样频率（采样周期为 125s），在每个采样周期当中，可执行多达几十到上百条指令，足以完成对采集点上的语音信号的存储和处理。 本设计主控系统采用 AT89C51单片机实现对 A/D，外部 RAM及 D/A 的同步和控制操作，同时利用相应的按键模块和显示模块，以达 到和方便对系统的操作，显示系统的参数。 （ 2）本设计中单片机主要通过中断方式来实现对 A/D， D/A和数码管的控制。其中用到了外中断 0，外中断 1和定时器 0。系统采用中断方式，具有很多优点： 中断系统提高了 CPU对外界异步事件的处理能力，解决了快速 CPU 与慢速 CPU的定时器、串行口以及外部设备之间的矛盾，大大提高了 CPU的工作效率。 中断系统使用 CPU 能够及时处理实时测、控中许多随机的参数和信息。在实时测、控中，现场的各个参数、信息在任何时刻均可以发出中断请求，要求 CPU 及时处理。有了中断系统， CPU就可以 及时处理瞬息变化的现场信息。 中断系统 CPU具有了处理故障的能力，提高了机器本身的可靠性，在计算、运行过程中，出现一些事先无法预知的故障是难免的，如电源突跳、存储出错、运算溢出等。有了中断能力，这些故障均可由计算机自行解决，不必停机。 可见，引进中断技术以后，大大提高了机器的效率和处理问题的实时性、灵活性 。nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 35 页 因此，计算机中断系统的功能强弱、先进与否是衡量它的实时处理能力和应用范围的重要标志。 3 设计前的准备知识 3.1 主要芯片介绍 3.1.1 AT89C51 芯片介绍 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁 可编程可擦除只读存储器 FPEROM 的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用 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 AT89C51 是一种高效微控制器，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。 （ 1） 主要特性： 与 MCS-51 兼容； 4K 字节可编程闪烁存储器；寿命： 1000 写 /擦循环；数据保留时间： 10年；全静态工作： 0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定； 128*8位内部 RAM； 32可编程 I/O 线；两个 16 位定时器 /计数器； 5 个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路 。 （ 2） 管脚说明： AT89C51芯片管脚如图 3.1所示。 图 3.1 AT89C51芯片管脚 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口： P0口为一个 8位漏级开路双向 I/O口，每个脚可吸收 8TTL门电流。当P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于 外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在编程时， P0 口作为原码输入口，当进行校验时，P0输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向 I/O口， P1口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。 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。在 FLASH编程和校验时， P1口作nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 35 页 为第八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8位双向 I/O 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。当P2口用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。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。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口： P3口管脚是 8个带有内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL门电流。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口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 。 P3口管脚的备选功能： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0外部输入） P3.5 T1（记时器 1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：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地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。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 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止 ALE的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE只有在执行 MOVX， MOVC指令是 ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN有效。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/VPP：当 /EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA端保持高nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 35 页 电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （ 3） 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2应不接。有余输入到内部 时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 （ 4） 芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写 “1” 且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在 掉电模式下，保存 RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.1.2 ISD2590 语音芯片简介 美国 ISD公司的 2500芯片，按录放时间 60秒、 75秒、 90秒和 120秒分成 ISD2560、 2575、2590和 25120四个品种。 ISD2560 90 120内部框图如图 3.2所示。 ISD2500系列和 1400系列语音电路一样，具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内 EEPROM容量为 480K(1400系列为 128K)，所以录放时间长；有 10个地址输入端 (1400系列仅为 8个 )，寻址能力可达 1024位；最多能分 600段；设有 OVF（溢出）端，便于多个器件级联。芯片采用 CMOS技术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及 EEPRIM阵列。 nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 35 页 图 3.2 ISD2560 90 120 内部框图 ISD2500 系列具备微控制器所需控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，实现复杂的信息处理，如信息的组合，连接，设定固定的信息段，信息管理等。 ISD2500可不分段，也可按最小段长为单位任意组合分段。 芯片采用多电平直接模 拟量存储专利技术，每个采样值接存储在片内单个 EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率从 4.0， 5.3， 6.4到 8.0KHz,同一系列的产品采样频率越低 ,录放时间越长 , 但通频带和音质有所降低。片内信息可保存 100 年 (无需后备电源 )， EEPROM单元可反复录音十万次。 3.1.3 引脚描述 ISD2560 90 120 硬封装引脚图如图 3.3 所示。 图 3.3 ISD2560 90 120 硬封装引脚图 电源（ VCCA， VCCD） 芯片内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装上，这样可使口若悬河最小。模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近芯片。 地线（ VSSA， VSSD） 芯片内部的模拟和数字也可使用不同的地线，这两脚最好在引脚焊盘上相连。 节电控制（ PD） 本端拉高使芯片停止工作， 进入不耗电的节电状态，芯片发生溢出，即 /OVF端输出低电平后，要将本端短暂变高复位芯片，才能使之再次工作。 片选（ /CE） 本端变低后（而且 PD为低），允许进行录放操作。芯片在本 端的下降沿锁存地直线和 P/-R端的状态。 nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 35 页 录放模式（ P/-R） 本端状态在 /CE的下降沿锁存。高电平选择放音，低电平选择录音。录音时，由地址端提供起始地址，录音持续到 /CE或 PD变高，或内存溢出；如果是前一种情况，芯片自动在录音结束处写入 EOM标志。放音时由地址端提供起始地址，放音持续到 EOM标志。如果 /CE一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音会忽略 EOM，继续进行下去。 信息结尾标志（ /EOM） EOM标志在录音时由芯片自动插入到该信息的结尾。放音遇到 EOM时，本端输出低电平脉冲。芯片内部会检测电源电压 以维护信息的完整性，当电压低于 3.5V时，本端变低，芯片只能放音。 溢出标志（ /OVF） 芯片处于存储空间末尾时本端输出低电平脉冲表示溢出，之后本端状态跟随 /CE端的状态，直到 PD端变高。本端可用于级联。 话筒输入（ MIC） 本端连至片内前置放大器。片内自动增溢控制电路（ AGC）将置增益控制在 -15至 24dB。外接话筒应通过串联电容耦合到本端。耦合电容值和本端的 10K输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。 话筒参考（ MIC REF） 本端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。 自动增益控制（ AGC） AGC动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量（从耳语到喧嚣声）时失真都能保持最小。响应时间取决于本端的 5K输入阻抗外接的对地电容（即线路图中 C2）的时间常数。释放是取决于本端外接的并联对地电容和电阻（即线路图中 R2和 C2）的时间常数。 470K和 4.7uF的标称值在绝大多数场合下可获得满意的效果。 模拟输出 (ANA OUT)前置放大器的输出 .前置电压增益取决于 AGC端电平。 模拟输入 (ANA IN )本端为芯片录音信号输出 .对话筒输入来说 ANA OUT端应通过外接电容连至本端 .该电容和本端的 3K输入阻抗给出了芯片频带的附加低端截止频率。其它音源可通过交流耦合直接连至本端 (绕过了 TER的前置 )。 喇叭输出（ SP+、 SP-） 过对输出端级驱动 16以上的喇叭（内存放音时功率为12.2mW,AUX IN 放音时功率为 50mW） .单端使用时必须在输出端和喇叭间接耦合电容 ,而双端输出既不用电容又不能将功率提高至 4 倍 .录音和节电模式下 ,它们保持为低电平。注意多个芯片的喇叭输出端绝对不能并联 ,否则可能损坏芯片；还有，不用的喇叭输出端绝对不能接地。 辅助输入 (AUX IN)当 /CE和 P/-R为高 ,放音不进行 ,或处入放音溢出状态时 ,本端的输入信号过内部功放驱动喇叭输出端 .当多个 2500 芯片级联时 ,后级的喇叭输出通过本端连接到本级的输出放大器 ,为防止噪声 ,建议在放内存信息时 ,本端不要有驱动信号 外部时钟 (XCLK)本端内部有下拉元件 ,不用时应接地。芯片内部的采样时钟在出厂前已调节器校 ,误差地 +1%内 .商业级芯片在整个温度和电压范围内 ,频率变化在 +2.25%内 .工业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在 +5%内，建议使用稳压电源。若要nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 35 页 求更高精度或系统同步，可从本端输入外部时 钟，由于内部的防混淆及增滑滤波器已设定，故上述推荐的时钟频率不应改动。输入时钟的占空比无关紧要，因内部首先了进行分频。 地址 /模式输入（ AX/MX） 地址端有个作用，取决于最高两位（ MSB，即 2532/2548的 A7和 A8，或 2560/2590/25120 的 A8和 A9）的状态。当最高两位中有一个为 0时，所有输入均解释为地址位，作为当前录入操作的起始地址。地址端只作输入，不输出操作过程中的内部地址信息。地址在 /CE的下降沿锁存。 3.1.4 芯片操作模式 ISD2560/90/120系列内置了若干操作模式，可用 最少的外围器件实现最多的功能。操作模式也由地址端控制；当最高两位都为 1时，其它地址端置高就选择某个（或某几个）模式。因此操作模式和直接寻址相互排斥。操作模式可由微控制器也可由硬件实现。使用操作模式有两点要注意：一是所有操作最初都是从 0地址，即存储空间的起始端开始。后续操作根据选用的模式可从其它地址开始。但是，电路由录转为放，或由放转为录时（ M6模式除外），或执行了掉电周期后，地址计数器复位为 0。二是当 /CE变低，最高两地址位同高时，执行操作模式。这种操作模式一直有效，除非 /CE 再次由高变低，芯片重新锁存当前 的地址 /模式端电平，然后执行相应操作。如表 3.1 所示。 表 3.1 操作模式简表 模式 功能 典型应用 可组合使用的模式 M1 信息检索 快进入信息 M4、 M5、 M6 M2 删除 WOM 在最后一条信息结束处放 EOM M3、 M4、 M5、 M6 M3 循环 从 0 地址连续放音 M1、 M5、 M6 M4 连续寻址 录放连续的多段信息 M0、 M1、 M5 M5 /CE 电平有效 允许暂停 M0、 M1、 M3、 M4 M6 按键模式 简化外围电路 M0、 M1、 M3 M0（信息检索） 快速跳过信息而不必知道其确切地址。 /CE每输入一个低脉冲，内部地址计 器就跳到下一条信息，此模式仅用于放音，通常与 M4同时使用。 M1（删除 EOM标志） 使分段信息变为一条信息，仅在信息后保留一个 EOM标志 .这个模式完成后， 录入的所有信息就变成一条连续的信息。 M3（信息循环） 循环重入位于存储空间起始处的那条信息。一条信息可以完全占满存储空间，那么循环就从头至尾进行，这时 /OVF不变低。 M4（连续寻址） 正常操作中，重放遇到 EOM 标志时， 地址计数器会复位。 M4禁止地址计数器复位，使得信息可连续录放或重放。 M5（ /CE电平有效 ） 通常，录音时 /CE 为电平触发，放音时 /CE 为边沿触发。本模式将放音时 /CE设置为电平触发，特别适用于需用 /CE终止放音的场合。操作为： /CE变低扣，芯片从内存起始放音， /CE 变高放音即刻停止。 /CE 再变低后，仍从内存起处开始放音，除非 M4也是高。 nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 35 页 M6（按键模式） 本模式的外围电路最简，成本大为降低；在录放结束， /CE 变高后，芯片自动进入节电模式。而且， /CE、 PD、 /EOM的作用重新定义如下： /CE（开始 /暂停，低脉冲有效） /CE 端的下降沿控制操作的开始和暂停。当芯片不录不放时， /CE端的下 降沿就启动录 /放操作。之后，如果在芯片没遇到 EOM标志（放音时）或没发生溢出疥，再来一个 /CE 下降沿将暂停当操作。暂停后，地址并不复位，再来一个 /CE下降沿后从暂停处继续操作。 PD（停止 /复位，高脉冲有效） PD端的上升沿停止目前的录 /放操作，并复位地址。 /EOM（运行指示） /EOM变高表示录 /放操作正在进行，可驱动 LED等。 当最高位地址 (MSB)A8、 A9都为高电平时，地址端 就作为操作模式选择端 （高电平有效）。地址操作模式如表 3.2所示。 表 3.2 地址操作模式简表 模式控制 功能 典型应用 A0/M0 信息检索 快速检索信息 A1/M1 删除 EOM标志 在全部语音录放结束时，给出 EOM标志 A2/M2 未用 当工作模式 操作时，此端应接低电平 A3/M3 循环放音 从 0地址开始连续重复放音 A4/M4 连续寻址 可录放连续的多段信息 A5/M5 CE电平触发 允许信号中止 A6/M6 按钮控制 简化器件接口 3.1.5 使用操作模式时需要注意 （ 1）、所有操作模式下的操作都是从 0地址开始，以后的操作根据模式的不同，而从相应的地址开始工作。当电路中录音转放音或进入省电状态时，地址计数器复位为 0。 （ 2）、操作模式位不加锁定 ，可以在 MSB（ A8、 A9）地址位为高电平时， CE电平变低的任何时间执行操作模式操作。如果下一片选周期 MSB（ A8、 A9）地址位中有一个 (或两个 )变为低电平，则执行信息地址，即从该地址录音或放音，原来设定的操作模式状态丢失。 3.1.6 分段录放音 2500系列最多可分为 600段，只要在分段录 /放音操作前 (不少于 300纳秒 )，给地址A0A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（ EOM）；而放音时芯片遇到 EOM标志即自动停止放音。如图 3.4、 3.5所示。 2500系列地址空间是这样分配的：地址 0599作为分段用，见表 3.3，地址 600767nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 35 页 未使用，地址 7681023为工作模式选择。 表 3.3 2500系列地址空间分配表 十进制 二进制 信息时间 (秒 ) A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 2560 2575 2590 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 5.0 6.25 7.50 100 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 10.0 12.50 15.00 250 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 25.0 31.25 37.50 300 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 30.0 37.50 45.00 400 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 40.0 50.00 60.00 500 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 50.0 62.50 75.00 599 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 59.9 74.87 89.85 图 3.4 ISD2560 90 120 录音时序 nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 35 页 图 3.5 ISD2560 90 120 放音时序 4 相关元件介绍 4.1 LED 的基础知识介绍 半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称 LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。 4.1.1 半导体发光二极管工作原理、特性、分类及应用 （ 1） LED发光原理 ： 发光二极管是由 - 族化合物，如 GaAs（砷化镓）、 GaP（磷化镓）、 GaAsP（磷砷化镓）等 半导体制成的，其核心是 PN 结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由 N区注入 P区，空穴由 P区注入 N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。 假设发光是在 P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的 复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近 PN结面数 m 以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长 与发光区域 所采用 的半导体材料有关，即 1240/Eg （ mm） 式中 Eg的单位为电子伏特（ eV）。若能产生可见光（波长在 380nm紫光 780nm红光），半导体材料的 Eg应在 3.26 1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。 （ 2） LED的特性 极限参数的意义 ： 允许 功耗 Pm:允许加于 LED 两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值， LED发热、损坏。 最大正向直流电流 IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。 最大反向电压 VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 工作环境 topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。 电参数的意义 正向工作电流 IF：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择 IF在 0.6IFm 以下。 nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 35 页 正向工作电压 VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压 VF在 1.4 3V。在外界温度升高时， VF将下降。 （ 3） LED的分类 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 按发光管出光面特征 分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为 2mm 、 4.4mm 、 5mm 、 8mm 、 10mm 及 20mm 等。国外通常把 3mm 的发光二极管记作 T-1；把 5mm 的记作 T-1（ 3/4）；把 4.4mm 的记作T-1（ 1/4）。 由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类： 高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为 5 20 或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 标准型 。通常作指示灯用，其半值角为 20 45 。 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 45 90 或更大，散射剂的量较大。 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度 100mcd）；把发光强度在 10100mcd间的叫高亮度发光二极管。 一般 LED的工作电流在十几 mA至几十 mA，而低电流 LED的工作电流在 2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的 方法。 （ 4） LED的应用 由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。 由于发光二极管具有最大正向电流 IFm、最大反向电压 VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流 IF应在 0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压VR。 LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 35 页 之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。 4.1.2 发光二极管的检测 （ 1） 用万用表检测 利用具有 10k 挡 的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至 200k, 反向电阻的值为 。如果正向电阻值为 0 或为 ，反向电阻值很小或为 0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为 10k 挡不能向 LED 提供较大正向电流。如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的 “+” 接线柱与另一块表的 “ -” 接线柱连接。余下的 “ -” 笔接被测发光管的正极（ P 区），余下的“+” 笔接被测发光管的负极（ N区）。两块万用表均置 10 挡。正常情 况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至 1 若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于 1 ，以免电流过大，损坏发光二极管 。 （ 2） 外接电源测量 用 3V 稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。如果测得 VF 在 1.4 3V 之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得 VF=0或 VF3V ，且不发光，说明发光管已坏。 4.1.3 LED 显示器结构 通过发光二极管芯片的适当 连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。 4.2 驻极体电容话筒介绍 驻极是电容话筒（简称 ECM）是一种价廉、提体积小、频带宽、噪声小和灵敏度高的语音传感器。目前成品 ECM的内部结构主要由利用驻极体高分子材料制作的振动膜及低噪音场效应管两部分组成。由于驻极体与后极板间阻抗高达数百兆欧以上，不能与前置放大器直接相连，故 须在 ECM内加入场效应管齐阻抗变换作用，二极管的作用是当 ECM受到强音冲击时保护场效应管。驻极体电容话筒的主要技术参数有灵敏度：典型值为-60 -56dB或 5 15mV/Pa，频率响应：典型值为 50Hz 12KHz输出阻抗：典型值 2k ，工作电压： DC 1.5 12V。 抵消语音输入背景噪声的原理：采用两个特性相同的驻极体电容话筒，将它们在空间上背对背安放，并在电气上通过适当的连接，使它们的输出信号幅度相等、相位相反地叠加起来，就能将两个话筒在所处环境下 收 入的背景噪声抵消掉，由于说话人只对其中一个话筒讲话 ，因而有用的语音信号并不会被抵消掉。 双话筒语音输入极： ECM1和 ECM2分别为两个特性相同的驻极体电容话筒。 ECM1和nts 毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 35 页 ECM2分别采用了两种不同的接法， ECM1为源极（ S）输出方式接法，其输出为同相信号；ECM2为漏极（ D）输出方法，其输出为反向信号。当 ECM1和 ECM2同时拾到同源声波时，它们就会输出波形一样而相位相反的两个信号，起到了互相抵消的作用。调节电位器 W就可以使输出端的背景噪声电压为最小。 5 方案设计 5.1 系统设计框架 对于一个相对较为复杂的系统， 应采用自顶向下、逐步细化与求精的方法 ，在着手进行具体的设计之前，应从总体上，暂时不考虑细节问题，对所要完成的任务有一个全面的了解。对于本系统，其核心是要设计一个语音的存储与回放系统。 首先把本系统的整体框图画出来再对每一个模块进行设计和处理。由整体框图再把整个系统设计分为软件设计和硬件设计。系统框图如图 5.1
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