基于单片机的录音播放系统设计.doc

大庆石油学院本科生毕业设计 论文 I 目 录 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 1 课题选择与背景 1 1 2 录音播放系统的发展综述 1 1 3 课题研究的内容 3 第第 2 章章 录音播放系统总体设计方案录音播放系统总体设计方案 4 2 1 方案对比与选择 4 2 2 录音播放系统中 SPCE061A 单片机特性 5 第第 3 章章 录音播放系统的硬件设计录音播放系统的硬件设计 10 3 1 按键部分硬件连接 10 3 2 音频录音器件的组成 12 3 3 音频输出器件的组成 12 3 4 系统中 SPCE061A 的功能应用 13 第第 4 章章 录音播放系统的软件设计录音播放系统的软件设计 16 4 1 录放音频数据编码算法 17 4 2 集成开发环境 IDE 21 4 3 系统的录放主程序设计 22 第第 5 章章 录音播放系统的测试录音播放系统的测试 29 5 1 录音播放系统的程序调试 29 5 2 录音播放系统的功能测试 30 结结 论论 31 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 33 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 课题选择与背景 语音录音播放设备在人们的生活娱乐中一直以各个不同种类为人们提供各 种各样的服务 例如 复读机的出现为学习外语提供了便利 它不仅仅是一 种学习工具 它更是一种科学的学习方法 录音播放电话机 用来记录通话 双方的谈话内容以备参考 并在主人外出时 可在录音电话中留言并收录呼叫 方的留言以便事后处理 大大的减少的一些不必要的麻烦 从老式的晶体管录 音机到今天的微型录放机不断发展的过程 说明在人们的生活娱乐中语音录音 播放设备占有越来越重要的地位 通过录音播放享受生活已经成为人们不可缺 少的生活方式 如今 随着消费类电子的兴起和繁荣以及各类芯片的发展 人们对录音播 放设备的要求也不断曾多 录音播放设备应用的领域也不断增加 从以往在生 活中的应用渐渐发展到语音识别 语音控制方面的应用 传统的录放解决方案 存在电路体积大 录放效果差 稳定性欠佳等弊端逐渐展现出来 为满足人们 的需求 从事消费类电子设计的厂商都不忘在诸如 MP3 智能手机 便携式 Video 播放器等产品中嵌入播放录音部分 语音录音播放系统也在不断的改进 传统的录放解决方案存在弊端 并向着体积小 录放效果好 稳定性强 系统 更完善的方向发展 本次的语音录音播放系统设计正是符合了录音播放设备的 这种发展大环境 满足了人们的需要 1 2 录音播放系统的发展综述 录音播放技术经历了漫长的发展过程 它随着科学技术的不断发展创新 不断的发展完善 录音播放技术大体可分为以下几个阶段 1 2 1 录音播放机问世 话说当年丹麦有位年轻电机工程师 Valdemar Poulsen 他利用磁性变化的 原理 以钢琴线制造了一部录音播放机 1898 年获得专利 这就是 1930 年代 钢线录音机的前身 1900 年巴黎的世界博览会中 Poulsen 展出了他的录话机 虽然早十年前就已经有著名歌唱家的录音圆筒出售 科学家仍对录话机大感兴 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 2 趣 Franz Josef 皇帝还留下一段谈话 成为现存最早的磁性录音数据 1927 年 Fritz Pfleumer 成功的以粉状磁性物质涂布在纸带或胶带上进行录音 希望能 取代当时的钢线录音机 当时英国 BBC 广播公司使用由录话机改良的巨型 Blattnerphone 钢带录音机 这种录音机可切断钢带重新焊接来进行剪辑 但焊 接点总会有轰然巨响 操作时又怕焊点断裂而钢片横飞 所以德国人发展的磁 带安全又理想 1932 年著名的 BASF 成功开发出可大量生产的录音带 他们与 德国最大的电机制造商 AEG 合作 希望在 1934 年的柏林无线电展览中推出 Magnetophon 磁音机 BASF 并先行制造了五万公尺的录音带 在塑料材料 还未普遍运用前 这是个很惊人的成就 1 2 2 磁性录音播放 1936 年英国指挥家毕勤爵士率领伦敦爱乐访问德国 应 BASF 邀请 11 月 19 日在该公司 Ludwigshafen 的大礼堂中进行了一场演奏 曲目包括莫扎特 第 39 号交响曲 等 这是音乐史上第一次大型的磁性录音 在大西洋彼岸 指挥家史托考夫斯基 1931 年的立体声实验录音 以及同年 RCA 示范的 33 又 1 3 转长时间录音 都还是直接将声音刻在蜡盘上 美国人也进行磁性录音研 究 像是 Marvin Camras 把交流偏压技术引进钢丝录音机 使其频宽与杂音都 达到可收录音乐的水平 另一家 Brush 公司也发展出录音带 他们委请 3M 制 造一种有光滑表面 厚度为千分之三寸的薄胶带 柔软防潮 在上面可涂布磁 性铁粉 这些规格后来持续用了三十年 不过 Brush 所设计的录音机 Soundmirror 却没有形成气候 二次大战期间 德国广播电台已经开始大量运用磁带录音机 播出重要军 事将领的录音 美国人常搞不清楚为什么希特勒可以同时出现在好几个地方 直到二次大战后 终于诞生了第一台可供录音室用的美国磁带录音机 不过在 推销时却遭遇了一些困难 Mullin 想到何不请天王巨星平克劳斯贝所主持的广 播节目试用 1947 年夏天 Ampex 提供的录音机派上用场 平克劳斯贝对于剪 接方便的磁带录音机非常满意 于是预定秋天起都改用磁带录音机 不过工程 人员心里怕怕的 把磁带的内容又在唱片上刻了一次 再以唱片播出 如此持 续了半年多 没想到这居然是后来音乐唱片制作的标准模式 1 2 3 匣式录音带的出现 Ampex 的录音机是使用录音带的全部宽度 单方向录一次 每次录完后就 要回卷 这样的方式称为全轨式 Full Track 不久就出现了每次只用磁带一 半宽度的半轨式录音机 录完后相反的方向可再录一次 时间也增加了一倍 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 3 嘿 对了 既然可以用两轨 就可以录两种不同的讯号 1949 年美国的 Magnecord 公司就开发出一种双轨式的立体声录音机 比第一张商用的立体声 唱片足足早了近十年 有了立体声录音机之后 1952 年纽约的 WQXR 电台开 始立体声的 FM 广播 1954 年 Audiosphere 也发行了第一卷商业性的立体声录 音带 音响世界正式进入立体声时代 并间接推动了立体声唱片的发展 Ampex 则在磁带录音的基础上 1953 年成功开发出彩色录像机 此后廿年间独 霸市场 1 2 4 数码录音播放设备 随着新技术 新电路不断涌现 数码录音播放设备涌现出来 数字 电子技术的发展和集成电路技术的进步 诸如选曲系统 数字调谐系统 自动偏磁均衡等新技术在录音座中的广泛应用 使录音播放设备的性能 和功能达到了前所未有的水平 录音播放设备不断 向高性能 多功能 和自动化方向发展 1 3 课题研究的内容 本课题研究的是以 SPCE061A 单片机为核心部件来设计一个语音录音与播 放系统 要求该系统可以录入存储时间为 20 秒语音数据 并具有播放质量良 好语音数据的播放功能 本课题研究的主要内容有 进行语音录音播放的机理分析 研究 SPCE061A 单片机体系结构与集成开发环境 IDE 给出合理的基于 SPCE061A 单片机语音录音播放系统方案 设计语音录音播放系统的硬件电路并编写操作程序 通过对硬件电路的连接和程序的下载测试设计录音播放系统 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 4 第 2 章 录音播放系统总体设计方案 2 1 方案对比与选择 在本次毕业设计中 要实现完成本次设计可以采用三种不同的方案 它们 分别为 方案一基于 80C51 的语音录音播放系统 在我国单片机的市场中 51 单片 机曾经占据着绝对的主导地位 但在科技不断发展的当今 嵌入式系统正在不 断流行开来 对单片机的处理速度以及处理功能的要求不断提高 在此背景下 51 所能完成的功能越来越显得捉襟见轴 在当今比较高端应用场合 51 因其速 度不够快以及集成度不高 51 单片机的身影越来越难看见 1 方案二基于 DSP 的语音录音播放系统 在数字信号处理方面 处处可见 对于本系统中的语音采集 数据处理存放 语音回放 DSP 可以轻而易举的完 成 DSP 强大的数据处理能力更是让众多的单片机都望尘莫及 但 DSP 开发的 成本过高 而且在短短的几个月的毕业设计中 要完成从原理的学习到实物的 调试成功 难度太大 方案三基于 SPCE061A 的语音录音播放系统 SPCE061A 是台湾凌阳公司 生产的十六位单片机 具有体积小 集成度高 易扩展 可靠性高 功耗低 结构简单 中断处理能力强 有 DSP 功能 有很强的信息处理能力 最高时钟 可达到 49M 具备运算速度高的优势等 2 对上述三种方案进行对比可知 随着录音播放系统的发展方案一基于 80C51 的语音录音播放系统已经渐渐的满足不了设计的要求 方案二基于 DSP 的语音录音播放系统虽然能满足设计的需要 但在实际应用中因其太过复杂和 成本他高 给设计带来了一些困难 而方案三基于 SPCE061A 的语音录音播放 系统不仅从理论上既可以较好的完成本次毕业设计 在现实中因其的操作简单 和较低的成本也可以很容易的完成实物的设计 3 另外 凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成 开发环境 在此环境中 支持标准 C 语言 可以实现 C 语言与凌阳汇编语言的 互相调用 并且 提供了各种关于语音录放的库函数 只要了解各种编程语句 和库函数的用法就可以容易的编辑出语音录音播放系统的软件程序来完成语音 录放 综合以上观点 方案三基于 SPCE061A 的语音录音播放系统具备前两个方 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 5 案的有点 是最适合这次课题要求的方案 因此在本次的设计中我选择了方案 三来完成这次毕业设计的要求 2 2 录音播放系统中SPCE061A单片机特性 本次的设计选择了基于 SPCE061A 的语音录音播放系统方案来完成这次毕 业设计的要求 在这次的方案中 SPCE061A 单片机是本次设计的核心部件 是 本次设计的基础 4 2 2 1 SPCE061A 单片机简介 所谓单片机是指在一块芯片中集成中央处理器 CPU 存储器 RAM 和 ROM 基本 I O 接口以及定时器 计数器等部件 并具有独立指令系统的智能 部件 即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能 5 随着微电子技术的 迅速发展 电子系统设计进入了片上系统时代 使其真正成为系统单片机 故 SOC 为单片机的应用提供了更为广阔的应用前景及更强的生命力 6 随着单片机功能集成化的发展 其应用领域扩展为控制处理 数据处理以 及数字信号处理等领域 凌阳的 16 位单片机就是为适应这种发展而设计的 它的 CPU 内核采用凌阳最新推出的 nSP 16 位微处理器芯片 围绕 nSP 所形成的 16 位 nSP 系列单片机 又称为 nSP 家族采用的是模块式集成 结构 它以 nSP 内核为中心集成不同规模的 ROM RAM 和功能丰富的各 种外设接口部件 nSP 内核是一个通用的核结构 此外的其它功能模块均为可选结构 亦 此结构可大可小或可有可无 便可形成各种不同系列派生产品 以适合不同的 应用场合 这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本 nSP 内核特点 体积小 集成度高 可靠性好且易于扩展 具有较强的中断 处理能力 高性能价格比 低功耗 低电压 功能强 效率高的指令系统 7 台湾凌阳科技股份有限公司就是在这样的背景下推出了基于 SOC 的新型的 数 模混合的 16 位 SPCE061A 型单片机系统级芯片 它采用 nSP 内核 有 DSP 功能 主频为 49MHZ 内嵌 32K 字的闪存 FLASH ROM 内置有 2 路 DA 转换 8 路 AD 转换 32 位可编程的多功能 I O 端口 两个 16 位定时器 计数 器 32768Hz 实时时钟 低电压复位 监测功能 具有内置自动增益控制功能的 麦克风输入方式 双通道 10 位 DAC 方式的音频输出功能 支持多种语言 开 发系统提供了高性能的 C 语言编译器 Gcc 它采用符合 ANSI 标准的 C 语言编 程 并提供了 C 语言的编程函数库 CLib 以上种种证明 SPCE061A 是数 字声音和语音识别产品的一种最经济的应用 在本次设计中该语音录音播放系 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 6 统主要采用 SPCE061A 单片机 单片机是本系统的核心器件 随着微控制器 面向对象的用于实时测控领域的发展 单片机以体积小 集成度高 易扩展 可靠性高 功耗低 结构简单 中断处理能力强等特点成为当今电子的热门 8 无论在工业 通讯 医疗 教学 家庭等社会的方方面面都显示出先锋的作用 2 2 2 结构概览 SPCE061A 的结构如图 2 1 所 16 位微控 制器 nSP ICE FLASH RAM 双 16 位定时器 计数器 时基 中断控制 32 引脚通用输入输出端口 锁相环 振荡器 CPU 时钟 实时时钟 7 通道 10 位 ADC 单通道 ADC AGC 低电压监测 低电压复位 双通道 10 位 DAC 串行输入输出接口 Vcp XO IOB0 SCK IOB SDA IOA15 IOA0 IOB15 IOB0 图2 1 SPCE061A结构 ICE EN ICE SCK ICE SDA XI R MIC IN AUD1 AUD2 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 7 2 2 3 芯片的引脚和说明 SPCE061A有两种封装片 一种为84个引脚 PLCC84封装形式 另一种为 80个引脚 LQFP80封装 在PLCC80封装中有15个空余脚 用户使用时这15个 空余脚悬浮 在LQFP80封装中有9个空余脚 用户使用这9个空余脚接地 可将 PFUSE接5V PVIN接GND并维持1s以上即可将内部保险丝熔化 此后就无法读 取和加载数据 表2 1 管脚表 管脚名称管脚编号类型描述 IOA 15 8 46 39输入输出IOA 15 8 双向 IO 编口 IOA 7 0 34 27输入输出IOA 7 0 通过编程 可设置成唤醒管脚 IOA 6 0 与 ADC Line In 输入共用 IOB 15 11 IOB10 IOB9 IOB8 IOB7 IOB6 IOB5 IOB4 IOB3 IOB2 IOB1 IOB0 50 54 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 IOB 15 11 双向 IO 端口 IOB10 0 除用作 普通的 IO 端口 还可作为 IOB10 通用异步串行数据发送管脚 Tx IOB9 TimerB 脉宽调制输出管脚 BPWMO IOB8 TimerA 脉宽调制输出管脚 APWMO IOB7 通用异步串行数据接收管脚 Rx IOB6 双向 IO 端口 IOB5 外部中断源 EXT2 的反馈管脚 IOB4 外部中断源 EXT1 的反馈管脚 IOB3 外部中断源 EXT2 IOB2 外部中断源 EXT1 IOB1 串行接口的数据传送管脚 IOB0 串行接口的时钟信号 DAC112输出DAC1 数据输出管脚 DAC213输出DAC2 数据输出管脚 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 8 表2 2 SPCE061A系统表 2 2 4 性能 16 位 nSP 微处理器 工作电压 CPU VDD 为 2 4 3 6V I O VDDH 为 2 4 5 5V CPU 时钟 0 32MHz 49 152MHz 内置 2K 字 SRAM 内置 32KFLASH 可编程音频处理 晶体振荡器 系统处于备用状态下 时钟处于停止状态 耗电仅为 2 A 3 6V 2 个 16 位可编程定时器 计数器 可自动预置初始计数值 2 个 10 位 DAC 数 模转换 输出通道 32 位通用可编程输入 输出端口 32 位通用可编程输入 输出端口 14 个中断源可来自定时器 A B 时基 2 个外部时钟源输入 键唤醒 特性参数SPCE061A 工作电压2 6V 3 6V 最大工作速率49 152MHZ CPU16 位 nSPTTM SRAM 容量 字 32K 闪存 ROM 并行 I O 端口 AIOA15 0 并行 I O 端口 BIOB15 0 音频输出方式DAC 2 中断源 TimerA B 时钟信号发生器 外部中断 触键唤醒 唤醒源IOA7 0 其它中断源 定时器 计数器 双 16 位加计数定时器 计数器 双通道 PWM 输出 UART具备 ADC 7 通道 10 位电压模 数转换器 ADC 和 单通道声音模 数转换器 ADC 串行 SRAM 接口具备 凌阳格式 麦克风放大器和自动增益控制单通道 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 9 使用凌阳音频编码 SACM S240 方式 2 4K 位 秒 能容纳 210 秒的语音数 据 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号 32768Hz 实时时钟 7 通道 10 位电压模 数转换器 ADC 和单通道声音模 数转换器 声音模 数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制 AGC 功能 具备串行设备接口 具有低电压复位 LVR 功能和低电压监测 LVD 功能 内置在线仿真电路 ICE In Circuit Emulator 接口 具有保密能力 具有 WatchDog 功能 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 10 按键 SPCE061A 单片机 MIC喇叭 第 3 章 录音播放系统的硬件设计 本系统是由按键 音频录入 音频输出和 SPCE061A 单片机主体等四个主 要部分通过硬件电路的连接组合在一起而组成 并通过一系列的操作来完成对 语音数据的录音播放功能 9 系统的主要器件结构框图如图 3 1 所示 各部分 实现的功能为 按键部分 完成对系统的手动控制 按键 K1 开始语音录入 按键 K2 停止 录音 按键 K3 播放语音 音频录入部分 完成对外来语音数据的采集录入 通过 MIC 采样语音数据 并经内置自动增益电路处理 AD 转换后 编码并存储到存储器中 音频输出部分 主要是将 SPCE061A 两路音频输出端通过语音集成放大器 SPY0030 放大 经喇叭播放 SPCE061A 单片机主体 录音播放的系统主要部件 并实现录音编码后的 数据存储功能 图 3 1 语音录音播放系统结构框图 3 1 按键部分硬件连接 该系统按键部分由三个按键开关组成 他们为 K1 K2 K3 通过这三个 按键对系统的录音播放停止进行控制 这三个按键实现的功能分别为 通过按 键 K1 系统开始录音 按键 K2 停止录音或播放 按键 K3 开始播放已储存数据 电路图如图 3 2 所示 按键 K1 与 SPCE061A 单片机 I O 口 A0 连接 按键 K2 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 11 与 SPCE061A 单片机 I O 口 A1 连接 按键 K3 与 SPCE061A 单片机 I O 口 A3 连接 从而实现对系统的控制 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date 16 Jun 2009Sheet of File C Docum ents and Settings Adm inistrator 件件 件件件件件 M yDesign1 ddbDrawn By K 1 I O A 0 K 2 I O A 1 K 3I O A 2 V D D 图 3 2 系统按键电路图 输入 输出接口 也可简称为 I O 端口 是单片机与外设交换信息的通道 输入端口负责从外界接收检测信号 键盘信号等各种开关量信号 输出端口负 责向外界传送由内部电路产生的处理结果 显示信息 控制命令 驱动信号等 nSP 内有并行和串行两种方式的 I O 口 并行口线路成本较高 但是传输速 率也较高 与并行口相比 串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成 本 SPCE061A 有两个 16 位的通用并行 I O 口 A 口和 B 口 这两个端口的每 一位都可通过编程单独定义成输入或输出口 A 口的 IOA0 IOA7 作为输入端口时 具有唤醒功能 即当输入电平发生 变化时 会触发 CPU 中断 在电池供电 追求低耗电的应用场合 可以让 CPU 进入睡眠模式 利用软件控制 以降低功耗 需要时才以按键来唤醒 CPU 使其进入工作状态 例如 手持遥控器 电子字典 PDA 计算器 无 线电话等 SPCE061A 提供了位控制结构的 I O 端口 每一位都可以单独用于数据输 入或输出 每个独立的位可通过以下 3 种控制向量来作设定 数据向量 Data 属性向量 Attribution 方向控制向量 Direction 每 3 个对应的控制向 量组合在一起 形成一个控制字 用来定义相对应 I O 端口位的输入输出状态 和方式 例如 假设需要 IOA0 是下拉输入引脚 则相对应的 Data Attribution 和 Direction 的值均被设为 0 如果需要 IOA1 是带唤醒功能的悬浮式输入引脚 则 Data Attribution 和 Direction 的值被设为 010 与其它的单片机相比 SPCE061A 除 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 12 了每个 I O 口可以单独定义其状态外 每个对应状态下的 I O 端口性质电路都 是内置的 在实际的电路中不需要再外接 3 2 音频录音器件的组成 在 SPCE061A 单片机中的 A D 转换器有 8 个通道 其中有 1 个通道是 MIC IN 输入 它专门用于对语音信号进行采样 语音信号经 Mic 转换成电信 号 由隔直电容隔掉直流成分 然后输入至 SPCE061A 内部前置放大器 SPCE061A 内部自动增益控制电路 AGC 能随时跟踪 监视前置放大器输出的音 频信号电平 当输入信号增大时 AGC 电路自动减小放大器的增益 当输入信 号减小时 AGC 电路自动增大放大器的增益 以便使进入 A D 的信号保持在 最佳电平 又可使削波减至最小 A D 转换器对输入的音频信号进行 8kHz 采样 并按照凌阳音频编码格式 进行编码 每秒将占用 16kBits 的存储器空间 音频录入部分详细电路图如下图 3 3 所示 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 16 Jun 2009Sheet of File C Documents and Settings Administrator 件件 件件件件件 MyDesign1 ddbDrawn By X 1 MICROPHONE C 1 200 u C 2 4 7 u C6 22u AVSS1 R 1 1 K R 4 3 K R8 3 K R5 10 K VMIC C 11 224 C13 224 AVSS1 1 2 R6 10 K R 3 470 K R 7 5 1 K C 9 104 VCM AVSS1 MICP MICN A G C AVSS1 C 4 104 C 46 502 MICOUT OPI AVSS1 图 3 3 音频录入部分电路原理图 3 3 音频输出器件的组成 语音集成放大器 SPY0030 是凌阳公司的一款语音放的芯片 相当于 LM386 是一种音频集成功放 对语音数据起到放大作用 但要比 LM386 音质 好 具有自身功耗低 电压增益可调整 电源电压范围大 外接元件少和总谐 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 13 波失真小等优点 广泛应用于录音机和收音机之中 他可以工作在 2 4 6 0V 范围内 最大输出功率可达 700mW 系统的音频输出部分是将 SPCE061A 中储存的音频数据通过 SPCE061A 中 两路音频输出端 DAC1 DAC2 并经过语音集成放大器 SPY0030 放大 在经喇 叭播放 图 3 4 为 DAC1 放输出电路原理图 DAC1 音频输出通道与语音集成放大 器 SPY0030 连接电路如图所示 DAC2 音频输出通道与语音集成放大器 SPY0030 连接电路与 DAC1 音频输出通道相同 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 16 Jun 2009Sheet of File C Documents and Settings Administrator 件件 件件件件件 MyDesign1 ddbDrawn By C 20 104 C 25 104 C 26 104 C 23 224 C 21 100 u 1 2 J SPL R 9 1 K 0 0 DAC 1 2 3 U 2 VDD 8 76 3 5 4 2 1 SPY0030 SPH Speaker 图 3 4 DAC1 放输出电路原理图 3 4 系统中SPCE061A的功能应用 SPCE061A 单片机是本系统的核心器件 他的 CPU 内核采用凌阳最新推 出的 nSP 内核 nSP 内核是一个通用的核结构 除此之外的其它功能模 块均为可选结构 亦即这种结构可大可小或可有可无 借助这种通用结构附加 可选结构的积木式的构成 便可形成各种不同系列派生产品 以适合不同的应 用场合 这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本 从而 适应各种应用环境的需要 nSP 家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里 内部采用总线结 构 因而减少了各功能部件之间的连线 提高了其可靠性和抗干扰能力 另外 模块化的结构易于系统扩展 以适应不同用户的需求 nSP 家族把各功能 部件模块化地集成在一个芯片里 内部采用总线结构 因而减少了各功能部件 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 14 之间的连线 提高了其可靠性和抗干扰能力 另外 模块化的结构易于系统扩 展 以适应不同用户的需求 nSP 家族片内带有高寻址能力的 ROM 静态 RAM 和多功能的 I O 口 另外 nSP 的指令系统提供具有较高运算速度的 16 位 16 位的乘法运算指 令和内积运算指令 为其应用增添了 DSP 功能 使得 nSP 家族运用在复杂 的数字信号处理方面既很便利 又比专用的 DSP 芯片廉价 3 4 1 SPCE061A 最小系统 SPCE061A 最小系统接线如图 3 5 所示 在 OSC0 OSC1 端接上晶振及 谐振电容 在锁相环压控振荡器的阻容输入 VCP 端接上相应的电容电阻后即可 工作 9 其它不用的电源端和地端接上 0 1 F 的去藕电容提高抗干扰能力 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 17 Jun 2009Sheet of File C Documents and Settings Administrator 件件 件件件件件 MyDesign1 ddbDrawn By 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 33 2 OSCI OSCO XTE ST V DD ICE EN ICE SCK ICE SDA VSSA PVIN DAC1 DAC2 VREF2 VSSA AGC OPI MICOUT MICN PFUSE C CAP C 3 3300 pF C 4 10000 pF R 1 3 3 K V ss Vssp Vcp 20 pF C 25 20 pF C 6 10000 pF C 23 10 uF 16V 1 J 8 CON1 Y 1 32768 Hz V SSA Vss OSCO OSCI MICP V CM V RT V DD A V SS IOA0 IOA1 IOA2 IOA3 IOA4 IOA5 IOA6 IOA7 V SS V SS V DDH V DDH IOA8 V MIC C 7 10000 pF C 27 100 uP 16V C 11 10000 pF 12 10000 pf V SSAV SS MICP VCM VRTPAD V DD VMIC VSS NC NC IOA0 IOA1 IOA2 IOA3 IOA4 IOA5 IOA6 IOA7 VSS VSS VDDH VDDH IOA8 NC NC VSS VCP VDD XRESB IBO0 IBO1 IBO2 IBO3 IBO4 IBO5 IBO6 IBO7 NC NC NC IBO9 IBO8 IBO10 VDDH NC NC NC NC NC PVPP IOB11 IOB12 IOB13 IOB14 IOB15 XSL EEP VSS XROMT IOA15 IOA14 IOA13 IOA12 IOA11 IOA10 IOA9 OSC32O OSC32I XTE ST VDD XICE XICECLK XICESDA VSS DAC1 DAC2 VREF2 VSS AGC OPI MICOUT MINC PVIN PFUSE NC NC NC IOB11 IOB12 IOB13 IOB14 IOB15 SL EEP VSS IOA15 IOA14 IOA13 IOA12 IOA11 IOA10 IOA9 VSSP VCP V DO P PES B IBO0 IBO1 IBO2 IBO3 IBO4 IBO5 IBO6 IBO7 IBO8 IBO9 IBO10 VDDH C 9 10000 pF C 10 10000 pF VSS 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 15 图 3 5 SPCE061A 最小系统原理图 3 4 2 闪存 Flash 在本次毕业设计中使用 SPCE061A 中的 Flash 闪存来存贮通过录音得到的 最长 20 秒数据 SPCE061A 是一个用闪存替代 mask ROM 的 MTP multi time programmable 芯片 闪存可以进行多次的擦除与写入 可用来存储程序与数据 SPCE061A 具有 32K 字 32K 16 位 闪存容量 这 32K 字的内嵌闪存被划分 为 128 个页 每个页存储容量为 256 个字 它们在 CPU 正常运行状态下均可 通过程序擦除或写入 全部 32K 字闪存均可在 ICE 工作方式下被写入或被擦 除 为了安全起见 不对用户开放整体擦除功能 它有读取 写入 擦除操作 我们必须通过向 P Flash Ctrl 写 7555H 单 元写入 0 xAAAA 来启用闪存的存取功能 然后 向 P Flash Ctrl 写 7555H 单 元写入 0 x5511 来擦除页的内容 写入 0 x5533 对闪存写入 这些指令不能 被任何其它的操作打断 包括中断 ICE 的单步跟踪动作 这是因为闪存控制 器必须保证闪存处于写入状态 如果其它的操作打乱了这个顺序 闪存的状态 将发生改变 擦除页和写入的操作不能再继续进行 此外 为保证数据的正确写入 用户必须在写入之前擦除页的内容 页大小 为 0 x100 第一页地址范围 0 x8000 0 x80FF 最后一页的地址范围 0 xFF00 0 xFFFF 0 xFC00 0 xFFFF 范围内的地址由系统保留 用户最好不要用 本范围内的地址 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 16 第 4 章 录音播放系统的软件设计 总体思路把系统分为录音 停止和放音三种状态 状态的改变用按键控制 录放音都放在中断服务程序里处理 主程序只处理键盘事件 主程序先对系统 进行初始化 然后只处理键盘事件 判断按键值 并据此设置相应的系统状态 中断服务程序是通过定时器中断进入的 在中断服务程序中 先判断系统当前 状态 根据系统状态进行相应操作 如果是录音状态 就去取 ADC 结果进行 数字滤波 把滤波结果保存到 SPR1024 FLASH 芯片中 最后清中断标志退出 中断服务 如果是放音状态 就从 SPR1024 FLASH 芯片中读出数据 进行 DAC 最后清中断标志退出中断服务 如果是停止状态 就不进行其它操作 直接清中断标志就退出中断服务程序 其主流程图如图 4 1 所示 初始化 扫描键 录音状态设置 停止状态设置 播放状态设置 系统状态判断处理 录音键停止键播放键无键 图 4 1 主程序流程图 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 17 本系统软件录放音的编解码是靠调用库函数完成 由于厂家提供了丰富的库 函数 只需了解库函数的使用并对其进行灵活运用 就能完成语音录放 在 nSP 单片机的汇编程序设计中 用户可以不用考虑程序代码在实际物理存储 器中的存储地址 而是通过伪指令 如 CODE TEXT RAM 等 来通知 编译器把程序代码定位在什么类型的存储空间即可 至于具体的存储地址则由 编译器管理 对于数据存储器的管理同样由 IDE 的编译器来完成 当用户想在 数据存储区内定义一个变量时 只需通过伪指令 如 RAM IRAM 等 来 通知编译器在数据存储区内建立一个变量即可 nSP 单片机的汇编指令针 对 C 语言进行了优化 所以其汇编的指令格式很多地方直接类似于 C 语言 另 外其开发仿真环境 IDE 也直接提供了 C 语言的开发环境 C 函数和汇编函数可 以方便地进行相互调用 本系统采用凌阳公司提供的音频格式 SACM A2000 其压缩编码率是 16Kbit s 因此 1M bit 的存储器可存放播放 1M 16K 64 秒的语音数据 本系统 底层驱动程序包括 I O 口初始化 SPR1024 的读写擦除程序用汇编语言编写 上层程序包括语音的录放采用 C 语言编写 程序以函数的形式封装对 SPR1024 芯片进行操作 上层程序调用这些函数 实现对 SPR1024 读写 擦除操作 上述 工作可以利用厂家提供的效率较高的集成开发环境和指令系统 在该环境中 支 持标准 C 语言 可以实现 C 语言与汇编语言的互相调用 4 1 录放音频数据编码算法 4 1 1 音频概述 我们所说的音频是指频率在 20 Hz 20 kHz 的声音信号 分为 波形声音 语音和音乐三种 其中波形声音就是自然界中所有的声音 是声音数字化的基 础 语音也可以表示为波形声音 但波形声音表示不出语言 语音学的内涵 语音是对讲话声音的一次抽象 是语言的载体 是人类社会特有的一种信息系 统 是社会交际工具的符号 音乐与语音相比更规范一些 是符号化了的声音 但音乐不能对所有的声音进行符号化 乐谱是符号化声音的符号组 表示比单 个符号更复杂的声音信息内容 4 1 2 音频格式的介绍 音频文件通常分为两类 声音文件和 MIDI 文件 声音文件 指的是通过 声音录入设备录制的原始声音 直接记录了真实声音的二进制采样数据 通常 文件较大 MIDI 文件 它是一种音乐演奏指令序列 相当于乐谱 可以利用 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 18 声音输出设备或与计算机相连的电子乐器进行演奏 由于不包含声音数据 其 文件尺寸较小 1 声音文件格式 1 WAVE 文件 wav WAVE 文件使用三个参数来表示声音 分别是采样位数 采样频率和声道 数 在计算机中采样位数一般为 8 位和 16 位两种 而采样频率有 11025Hz 22050H 和 44100Hz 三种 一般 WAVE 文件的波特率可达到 88 704KB S WAVE 格式是 Microsoft 公司开发的一种声音文件格式 它符合 RIFF 文件 规范 它使用保存 Windows 平台的音频信息资源 Windows 平台及其应用程序 均支持 WAVE 格式 WAVE 格式支持多种压缩算式 支持多声道 多种音频位数和采样频率 是 PC 机上最流行的声音文件格式 但其文件较大 多用于存储简短的声音片 段 2 AIFF 文件 AIF AIFF AIFF 是音频交换文件格式的英文缩写 是苹果计算机公司开发的声音文件 格式 Macintosh 平台及其应用程序 Netscape Navigator 浏览器中的 LiveAudio SGI 及其其他专业音频软件包均支持 AIFF 文件格式 AIFF 支持 ACE2 ACE8 MAC3 和 MAC6 压缩 支持 16 位 44 1KHZ 立体声 另外还有 Audio 文件 au MPEG 文件 mp1 mp2 mp3 RealAudio 文件 ra rm ram 2 MIDI 文件 mid rmi MIDI 是乐器数字接口的英文缩写 是数字音乐电子合成乐器的国际标准 它定义了计算机音乐程序合成器及其电子设备交谈音乐信号的方式 还规定了 不同厂家的电子乐器与计算机连接的电缆和硬件及设备间的数据传输协议 用 于为不同乐器创建数字声音信号 可以模拟大提琴 小提琴 钢琴等常见乐器 在 MIDI 文件中 只包含产生某种声音的指令 这些指令包括使用什么 MIDI 设备的音色 声音的强弱 声音持续时间等 计算机将这些指令发送给 声卡 声卡按照指令将声音合成 MIDI 在重放时可以有不同的效果 相对于保存真实采样数据的声音文件 MIDI 文件显得更加紧奏 其文件 大小比声音文件小得多 4 1 3 语音压缩编码基础 1 语音压缩编码中的数据量 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 19 语音压缩编码中的数据量表达式 数据量 采样频率 x 量化位数 8 字节数 x 声道数目 压缩编码的目的 通过对资料的压缩 达到高效率存储和转换资料的结果 即在保证一定声音质量的条件下 以最小的资料率来表达和传送声音信息 2 压缩编码的必要性 实际应用中 压缩编码的音频资料量很大 进行传输或存储资料量是不现 实的 所以要通过对信号趋势的预测和冗余信息处理 进行资料的压缩 这样 就可以使我们用较少的资源建立更多的信息 10 例如 没有压缩过的 CD 品质的资料 一分钟的内容需要 11MB 的内存容 量来存储 如果将原始资料进行压缩处理 在确保声音品质不失真的前提下 将数据压缩一半 5 5MB 就可以完全还原效果 而在实际操作中 可以依需要 来选择合适的算法 3 常见的几种音频压缩编码 1 波形编码 将时间域信号直接变换为数字代码 力图使重建语音波形保 持原语音信号的波形形状 波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一 定的速率抽样 然后将幅度样本分层量化 并用代码表示 译码是其反过程 将收到的数字序列经过译码和滤波恢复成模拟信号 如 脉冲编码调制 增量调制 DM 以及它们的各种改进型自适应差分编码 ADPCM 自适应增量调制 ADM 自适应差值脉冲编码调制 ADPCM 自适应传输编码 Adaptive Transfer Coding ATC 和子带编码 SBC 等都 属于波形编码技术 波形编码特点 高话音质量 高码率 适于高保真音乐及语音 2 参数编码 参数编码又称为声源编码 是将信源信号在频率域或其它正 交变换域提取特征参数 并将其变换成数字代码进行传输 译码为其反过程 将收到的数字序列经变换恢复特征参量 再根据特征参量重建语音信号 具体 说 参数编码是通过对语音信号特征参数的提取和编码 力图使重建语音信号 具有尽可能高的准确性 但重建信号的波形同原语音信号的波形可能会有相当 大的差别 如 线性预测编码 LPC 及其它各种改进型都属于参数编码 该编码比 特率可压缩到 2Kbit s 4 8Kbit s 甚至更低 但语音质量只能达到中等 特别是 自然度较低 参数编码特点 压缩比大 计算量大 音质不高 廉价 3 混合编码 混合编码使用参数编码技术和波形编码技术 计算机的发展 为语音编码技术的研究提供了强有力的工具 大规模 超大规模集成电路的出 现 则为语音编码的实现提供了基础 80 年代以来 语音编码技术有了实质性 的进展 产生了新一代的编码算法 这就是混合编码 它将波形编码和参数编 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 20 码组合起来 克服了原有波形编码和参数编码的弱点 结合各自的长处 力图 保持波形编码的高质量和参数编码的低速率 如 多脉冲激励线性预测编码 MPLPC 规划脉冲激励线性预测编码 KPELPC 码本激励线性预测编码 CELP 等都是属于混合编码技术 其 数据率和音质介于参数和波形编码之间 总之 音频压缩技术之趋势有两个 1 降低资料率 提高压缩比 用于廉价 低保真场合 如 电话 2 追求高保真度 复杂的压缩技术 如 CD 4 1 4 凌阳音频压缩算法的编码标准 表 4 1 列出了不同音频质量的编码技术标准响应频率 凌阳音频压缩算法 处理的语音信号频率范围为 200HZ 3 4khz 表 4 1 不同音频质量等级的编码技术标准 表 4 1 不同音频质量等级的编码技术标准 信号类型频率范围 Hz 采样率 kHz 量化精度 位 电话话音200 340088 宽带音频 AM 质量 50 70001616 调频广播 FM 质量 20 15k37 816 高质量音频 20 20k44 116 压缩分无损压缩和有损压缩 无损压缩一般指 磁盘文件 压缩比低 2 1 4 1 有损压缩则是指 音 视频文件 压缩比可高达 100 1 凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种 具体可参见语音压缩工 具一节内容 SACM A2000 压缩比为 8 8 1 25 8 1 5 SACM S480 压缩比为 80 3 80 4 5 SACM S240 压缩比为 80 1 5 音质排序为 A2000 S480 S240 凌阳的 SPCE061A 是 16 位单片机 具有 DSP 功能 有很强的信息处理能 力 最高时钟可达到 49M 具备运算速度高的优势等等 这些都无疑为语音的 播放 录放 合成及辨识提供了条件 凌阳压缩算法中 SACM A2000 SACM S480 SACM S240 主要是用来放 音 可用于语音提示 而 DVR 则用来录放音 对于音乐合成 MS01 该算法较 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 21 繁琐 而且需要具备音乐理论 配器法及和声学知识 所以对于特别爱好者可 以到我们的网站去了解相关内容 这里只给出它的 API 函数介绍及程序代码的 范例 仅供参考 4 1 5 语音录入使用介绍 SACM DVR 具有录音和放音功能 并采用 SACM A2000 的算法 录音时 采用 16K 资料率及 8K 采样率获取语音资源 经过 SACM A2000 压缩后存储 在扩展的 SRAM 628128A 里 录音录满后自动开始放音 其相关 API 函数如下所示 int SACM DVR Initial int Init Index 初始化 void SACM DVR ServiceLoop void 获取资料 填入译码队列