基于单片机的语音录音与播放系统的设计

本科生毕业论文设计题目基于单片机的语音录音与播放系统的设计学生姓名游娜学号200615020127专业班级通信06101班指导教师王立完成时间2010年5月6日目录摘要ABSTRACT第1章绪论111研究背景112研究主要内容和目的3第2章硬件系统的设计与实现421方案的选择4211方案一4212方案二4213方案三522凌阳单片机的简介5221综述7222性能7223结构概览8224芯片引脚排列和说明9225SPCE061A最小系统11226SPCE061A开发方法1223SPCE061A的外部存储器（MEMORY）的扩展14231综述14232SPR4096的介绍14233SPR4096的BMI接口方式16234SPR4096的SIF接口方式1924系统原理21241系统结构图21242语音输入模块22243语音输出模块23244复位模块23245键控模块24246液晶显示模块24247电源模块25第3章软件系统的设计与实现2731凌阳音频的介绍27311音频的概述27312数字音频的采样和量化27313音频格式的介绍27314语音压缩编码基础2732凌阳音频编码算法29321压缩分类29322凌阳常用的音频形式和压缩算法30323凌阳语音的播放、录制、合成和辨识30324语音录入使用介绍3133系统流程图31结论37参考文献38致谢39附录A系统总原理图40附录B程序清单41基于单片机的语音录音与播放系统的设计I摘要选用凌阳16位单片机SPCE061A和外部扩展存储器SPR4096来实现基于单片机的语音录音和播放系统。其具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，特别适应于数字语音录放和语音识别等数字应用领域。SPCE061A是台湾凌阳公司生产的十六位单片机，该单片机内置有2路DA转换，8路AD转换及在线仿真等丰富的功能，SPCE061A是继NSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。该系统可以广泛应用于需求的录音较长的场合，如检测温度的存储播放系统，自录语音提示等应用方案。对一个复杂或功能强大的语音图像处理系统需要很大的，不同的存储器（ROM,FLASH,SRAM）的存储空间。为了解决I/O不够的问题，可以使用SPR4096芯片来扩展SPCE061A的存储器来实现更大空间的存储。关键词SPCE061A；闪存；SPR4096；语音录放基于单片机的语音录音与播放系统的设计IIABSTRACTSELECTSLINGYANG16MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSPCE061AANDEXTERIOREXPANDEDMEMORYUNITSPR4096REALIZESMANUFACTURESONEBASEDONMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSDIGITALSOUNDRECORDINGANDTHEBROADCASTSYSTEMITHASTHEVOLUMETOBESMALL,THEINTEGRATIONRATEHIGH,EASYTOEXPAND,THERELIABILITYTOBEHIGH,THEPOWERLOSSISLOW,THESTRUCTUREISSIMPLE,INTERRUPTPROCESSINGABILITYSTRONGANDSOONCHARACTERISTICS,ADAPTSSPECIALLYINDIGITALDIGITALAPPLICATIONDOMAINSANDSOONPRONUNCIATIONRECORDINGANDSENDINGOUTANDSPEECHRECOGNITIONSPCE061AIS16MONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITSWHICHTAIWANLINGYANGCOMPANYPRODUCES,THISMONOLITHICINTEGRATEDCIRCUITBUILTINHAS2GROUPDATOTRANSFORM,8GROUPADTRANSFORMATIONSANDTHEONLINESIMULATIONANDSOONRICHFUNCTIONTHISSYSTEMMAYWIDELYAPPLYINTHEDEMANDRECORDINGLONGSITUATIONIFEXAMINATIONTEMPERATUREMEMORYBROADCASTSYSTEM,FROMRECORDSAPPLICATIONPLANSANDSOONVOICEPROMPTTOONECOMPLEXORTHEFUNCTIONFORMIDABLEPRONUNCIATION,THEIMAGERYPROCESSINGSYSTEMNEEDSTOBEVERYBIG,DIFFERENTMEMORYROM,FLASH,SRAMSTORAGESPACE,TOSOLVETHEI/OINSUFFICIENTPROBLEM,WEUSETHESPR4096CHIPTOEXPANDSPCE061ATHEMEMORYTOREALIZETHEBIGGERSPATIALMEMORYKEYWORDSSPCE061A；DODGESSAVES；SPR4096；SPEECHRECORDINGANDSENDINGOU基于单片机的语音录音与播放系统的设计1第1章绪论11研究背景随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化的发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小，功能强，价格低，使用灵活等特点，显示出很强的生命力。可以认为，单片机技术已经成为现代电子技术的十分重要的技术之一，可以使设计的电子产品更具智能化和先进性。进入21世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。台湾凌阳科技公司最近推出一种新型16位单片机SPCE061A，该单片机的问世，使得16位单片机的科技含量及应用跃上一个新的台阶。在航空航天，机械加工，智能仪器仪表，家用电器，通信系统，智能玩具等领域，单片机都发挥了巨大的作用。所谓单片机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER），是指一块芯片中集成有中央处理器（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器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。如果是简单的控制对象，只需要利用单片机作为控制核心，不需要另加外部设备就能实现。对于较复杂的系统，只需对单片机进行适当的扩展即可，十分方便。归纳起来，单片机系统有以下的特点1）单片机独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分体现出来；2）系统配置以满足控制对象的需求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比；3）应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。系统规模小，本身不具有开发能力，一般需要借助专用的开发工具进行系统的开发和调试，而实际的应用系统简单实用，成本低，效益好；4）应用系统所用存储器芯片可选用EPROM，EEPROM，OTP芯片或利用掩膜形生产，便于批量开发和应用。许多单片机（如80C51系列）的开发芯片和扩展芯片都配套，降低了系统成本；基于单片机的语音录音与播放系统的设计25）系统小巧玲珑，控制功能强，体积小，便于嵌入被控设备之内，大大推动了产品的智能化。如数控机床，机器人，智能仪器仪表，家用电器等都是典型的机电一体化设备和产品。同时，随着社会和科技的不断发展，“PC”的到来已开始改善了人们的生活水平。所谓后PC时代，是英文PERVASIVECOMPUTING，翻译为渗透到各个方面的计算。因而，后PC时代的计算机都以非计算机的形式存在，将渗透到人们生活的方方面面。例如，电视机，机器人，数控设备等，其中心控制部件是计算机，但他们都是以嵌入式系统的形式存在。单片机作为计算机技术的一个重要分之，嵌入式系统的先头兵，广泛的应用于工业控制，智能仪器，机电一体化产品，智能电器，个人数字处理器等领域。随着微电子技术的快速发展，电子系统设计已进入了片上系统（SOC，SYSTEMONCHIP）时代，单片机的功能也越来越强大，使其成为真正的系统单片机。12研究主要内容和目的应用单片机进行嵌入式系统实验是现代电子技术实验的一个重要发展方向。通过充分利用处理器本身的功能特点和开发板所提供的丰富的外围电路，构造相应的测试和被测系统，对于提高电子技术综合实验的分析能力和动手能力具有积极意义。目前处理语音的专用芯片种类很多。综合现有技术比较，结合各类处理语音的芯片的优、缺点，有些芯片购买困难，有些芯片系统外围组成部分多，外围电路设计复杂，编程难，价格高。本设计是用较少的存储器资源，并且要能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号和便于程序调试，拟选定用凌阳科技公司的SPCE06LA十六位单片机作为系统核心芯片。SPCE061A是凌阳公司研发生产的一款高性能的16位单片机，目前在语音图像处理及实时控制领域都得到了广泛的应用。但是由于SPCE061A片内FLASH只有32K，很难满足大容量的需求。本设计中对SPCE061A进行了存储外扩。凌阳单片机具有集成度高、数/模混合、功能全、低功耗、低电压和易于开发等特点。单片机是随着微型计算机，单片机的发展及其在智能测控系统中的应用而发展起来的。随着微电子技术的迅速发展，目前世界上各个公司都研制出了各种应用领域的单片机，单片机芯片市场也异常活跃，从8位低端，到高性能的16位，到集成度，速基于单片机的语音录音与播放系统的设计3率，可靠性等全方位向更高水平发展的32位系列。随着微电子，半导体工艺的不断进步，单片机芯片在向高度集成化，低功耗的方向发展。目前世界上各个公司都研制出了各种应用领域的单片机，如ATMEL公司的80C9X系列，INTEL公司的MCS5X系列，MOTOROLA的68系列和ZILOG的Z8系列。目前，中国台湾的凌阳公司最新推出了16位的SPCE系列，由于其在语音功能的独特应用，得到了广大客户的认可，因此，也是我这次毕业设计所选择的单片机。本次毕业设计就是选用凌阳16位单片机SPCE061A实现语音录音及播放系统的设计。系统硬件主要包括存储外扩电路，键盘输入电路，液晶显示电路。基于单片机的语音录音与播放系统的设计4第2章硬件系统的设计与实现21方案的选择当今微型计算机技术的发展形成两大技术分支一是以微处理器MPU为核心组成的通用微机系统；另一分支是发展面向对象的用于实时测控的微控制器MCU，即单片机。随着超大规模高速集成电路的发展，现代电子技术进入了片上系统SOC（SYSTEMONACHIP）阶段，从而使单片机的设计与应用发生了深刻的变化。凌阳科技推出的NSP单片机就是基于SOC的新型数/模混合的系统芯片。凌阳单片机顺应了单片机技术的发展趋势，其系统芯片具有集成度高，数/模混合，功能全，低功耗，低电压和易于开发等特点。另外，凌阳单片机还增加了适合DSP的某些特殊指令，有的还嵌入了LCD控制/驱动和双音多频发生器功能。这些都进一步扩大了单片机的应用范围。凌阳公司为NSP单片机的应用开发提供了较为完善的开发支持工具NSPCPU系统仿真板，高性能的C语言编译器，并提供了C语言的编程函数库。211方案一89C51方案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的要求不断提高，对单片机的处理功能也要求越来越强。我个人认为，除了其速度不够快外，集成度不高是51最大的缺点。在当今比较高端应用场合，可能再也难以见到51单片机的身影，取而代之的是ARM和DSP等处理器。212方案二DSP方案在数字信号处理方面，处处可以见到DSP的身影。对于本系统中的语音录音，数据处理存放，语音回放，DSP可以轻而易举的完成这些基本功能。DSP强大的数据处理能力是让众多的单片机都望尘莫及的。213方案三基于单片机的语音录音与播放系统的设计5凌阳方案我认为，凌阳是51和DSP之间的一种良好的结合。SPCE061A是台湾凌阳公司生产的十六位单片机，该单片机内置有2路DA转换，8路AD转换及在线仿真等丰富的功能，这些都为我们实现语音录音和播放提供良好的方便条件。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，提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放。综上所述，最后我们选择了凌阳方案。22凌阳单片机的简介221综述随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DIGITALSIGNALPROCESSING）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（MICROCONTROLLERANDSIGNALPROCESSOR）16位微处理器芯片（以下简称NSP）。围绕NSP所形成的16位NSP系列单片机（以下简称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。如图21所示基于单片机的语音录音与播放系统的设计6图21NSP家族的模块式结构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。NSP家族有以下特点1）体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展；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。2）具有较强的中断处理能力；NSP家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。3）高性能价格比；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基于单片机的语音录音与播放系统的设计7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。4）功能强、效率高的指令系统；NSP指令系统的指令格式紧凑，执行迅速，并且其指令结构提供了对高级语言的支持，这可以大大缩短产品的开发时间。5）低功耗、低电压。NSP家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，NSP家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。SPCE061A在26V36V工作电压范围内的工作速度范围为032MHZ49152MHZ，较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。2K字SRAM和32K字闪存ROM仅占一页存储空间，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；8通道10位模数转换输入功能并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。SPCE061A是数字声音和语音识别产品的一种最经济的应用。SPCE061A是继NSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使NSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以NSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音应用领域产品的一种最经济的选择。222性能16位NSP微处理器；工作电压CPUVDD为2436V，I/OVDDH为2455V；CPU时钟032MHZ49152MHZ；内置2K字SRAM；基于单片机的语音录音与播放系统的设计8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2A36V；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；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；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式24K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（INCIRCUITEMULATOR）接口；具有保密能力；具有WATCHDOG功能。223结构概览SPCE061A的结构如图22所示基于单片机的语音录音与播放系统的设计916位微控制器NSPIDEFLASHRAM双16位定时器/计数器时基中断控制锁相环振荡器CPU时钟实时时钟7通道10位ADC单通道ADCAGC低电压监测低电压复位双通道10位DAC串行输入输出接口32管脚通用输入输出端口ICE_ENICE_SCKICE_SDAVCPXI/RXOMIC_INAUD1AUD2IOA150IOB150图22SPCE061A的结构224芯片的引脚排列和说明SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式，它的排列如图23所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装形式，它的排列如图24所示。基于单片机的语音录音与播放系统的设计10图23PLCC84封装形式图24LQFP80封装形式基于单片机的语音录音与播放系统的设计11图25SPCE061APLCC84实物图在PLCC84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，用户使用时这9个空余脚接地。225SPCE061A最小系统最小系统接线如图26。在OSCO、OSCI端接上32768HZ晶体振荡器及谐振电容，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，再加上复位电路即可构成一个最小系统。其它不用的电源端和地端接上01F的去耦电容提高抗干扰能力。基于单片机的语音录音与播放系统的设计12C18104C17100UC93300PC10104R1033KY132768C1520PC1420PC12104C27100UC13104C29100UD1LEDD2LEDR12330R131KVDDS4R1847KC37104VDDC8104C5100UC4100UC7104IOA1358IOA1459IOA1560XROMT61VSS62XSLEEP63IOB1564IOB1465IOB1366IOB1267IOB1168PVPP69NC70NC71NC72NC73NC74IOB878IOB779IOB680IOB581NC82NC83NC84NC11IOB41IOB32IOB23IOB14IOB05XRESB6VDD7VCP8VSS9NC10IOB977IOB1076VDDH75OSC32O12OSC32I13XTEST14VDD15XICE16XICECLK17XICESDA18VSS19PVIN20DAC121DAC222VREF223VSS24AGC25OPI26MICOUT27MICN28RFUSE29NC30NC31NC32IOA1257IOA1156IOA1055IOA954MICP33VCM34VRTPAD35VDD36VMIC37VSS38NC39NC40IOA041IOA142IOA243IOA344IOA445IOA546IOA647IOA748VSS49VSS50VDDH51VDDH52IOA853SPCE061AOSCOOSCIVDDVSSVSSVDDHVDDHVCP/RESBVDDHVDD图26SPCE061A最小系统原理图226SPCE061A开发方法SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的，它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（INCIRCUITEMULATOR）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPUSPCE061A调试、运行用户编制的基于单片机的语音录音与播放系统的设计13程序。PROBE的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。图27是计算机、PROBE、用户目标板三者之间的连接示意图，图28是实物连接图。图27用户目标板、PROBE、计算机三者之间的连接图图28实物连接图基于单片机的语音录音与播放系统的设计1423SPCE061A的外部存储器（MEMORY）的扩展231综述随着数字语音，图像处理技术的飞速发展，其在电子产品中也得到广泛应用，如语音智能玩具、PDA以及有语音、图像识别技术的机器人。一个复杂或功能强大的语音，图像处理系统需要很大的，不同的存储器（ROM,FLASH,SRAM）的存储空间。那么系统如何扩展MEMORY，解决IO口不够的问题呢这里介绍一款芯片SPR4096,它能够解决所有IO不够用的问题。SPCE061A是台湾凌阳公司生产的十六位单片机，该单片机内置有2路DA转换，8路AD转换及在线仿真等丰富的功能，这些都为我们实现数码录音和播放提供良好的方便条件，SPR4096是凌阳科技公司研发生产的性价比很高的512K8位的高性能FLASH存储器，同时内嵌4K8位的SRAM。利用它存储凌阳格式的语音资源，可以长达4分钟语音录放。该系统可以广泛应用于需求的录音较长的场合。如录音笔、自录语音提示等应用方案。SPR4096有自己的函数库，只要设计好与SPCE061A单片机的简单接口，调用函数库里的相关函数，可方便地实现SPR4096与SPCE061A之间的通信。232SPR4096的介绍SPR4096是凌阳科技公司研发生产的性价比很高的4M位的高性能FLASH存储器。其主要特点如下512KX8位的FLASH，256个扇区，每个扇区为2K字节；4KX8位的SRAM；供电要求VDDI225V275VVDDQ225V一36V最大工作频率50MHZ；具有BMI和SIF两种接口方式。SPR4096有DIP24和PLCC84两种封装模式，图29为PLCC84封装的引脚排列图。表21列出了SPR4096各引脚功能。基于单片机的语音录音与播放系统的设计15图29SPR4096的引脚排列图表21SPR4096引脚说明引脚名称引脚号功能描述CF0CF74134配置方式选择AD0AD72330总线方式的地址/数据复用I/O口MC1MC019，18总线方式中的读写信号控制引脚/RESET14低电平复位SCK15串行接口时钟线SDA21串行接口数据线VDDQ16，31，3333V电源引脚VDDI2025V电源引脚VSS,VSSQ12，17，22地NC其他引脚不需要连接SPR4096内嵌512K8位高性能FLASH存储器同时内嵌4K8位SRAM。芯片具有BMI（BUSMEMORYINTERFACE）并行接口总线与SIF（SERIALINTERFACE）串行接口总线。在SPR4096芯片中，使用两种电源供电，VDDI与VDDQ。VDDI范围在225V基于单片机的语音录音与播放系统的设计16275V，这个电源是给内部的FLASH与逻辑控制单元供电的。VDDQ范围在225V36V，只给I/O口供电。SPR4096最高工作在50MHZ频率下，最大读电流为20MA，最大编程/擦写电流60MA。233SPR4096的BMI接口方式BMIBUSMEMORYINTERFACE接口方式，具有数据传输速度快的优点，适合于对传输速度要求比较高的场合。访问时可通过SPCE061A的地址映射出SPR4096的BMI接口方式的SRAM或FLASH的地址空间。单片机地址2000H3FFFH映射到SRAM，得到SPR4096的地址为0000HFFFFH。4000HBFFFH映射到FLASH，其地址为000007FFFF。FLASH共分为16存储页，每个存储页为32K字节。在软件设置中通过存储器页开关寄存器来选择不同的页地址。在利用BMI方式对SPR4096进行读写时，首先必须正确设置寄存器的状态，根据需要设定寄存器值并送到相应地址中，完成对SPR4096的寄存器设置。SPR4096与SPCE061A采用BMI接口方式的电路连接如图210所示。基于单片机的语音录音与播放系统的设计17MC018MC119AD023AD124AD225AD326AD427AD528AD629AD730VDDI20CF734VDDQ31VDDQ33CF041CF240CF239CF338CF437CF536CF635/RESET14VSSO22VSS17VSS12IOB1267IOB1168IOA041IOA142IOA243IOA344IOA445IOA546IOA647IOA748R12K33VC2104DIN4148C110433V图210SPR4096的BMI方式硬件电路图该设计采用BMI接口方式的A模式，CF20都接为低电平，因为没有选用级联模式，CF7接高电平，CF63接低电平。AD07连接SPCE061A的双向数据口IOA的低8位，用来传输地址和数据。MC0、MC1分别接SPCE061A的IOB12、IOB11，作为控制线，用来产生地址数据及读写控制信号。VDDQ的工作电压为33V，用于I/O口供电，VDDI供电范围是225V275V，用于对内部FLASH与逻辑控制器供电。本文利用稳压二极管正向导通压降07V，通过VDDQ得到VDDI，这样简化了系统供电电路的复杂性。C1为滤波电容，用来提高电源的可靠性，R1、C2构成低电平复位电路。在PCB布线过程中，尽量缩短AD07与IOA07的长度，以减少干扰，确保数据的正确传输。本设计采用BMI接口方式完成SPCE061A的存储扩展。MC0、MC1为BMI方式的读写信号控制引脚。MC0决定操作模式读或写，MC1决定AD总线的类型地址总线或数据总线，图211为BMI方式SPR4096读写时序图。基于单片机的语音录音与播放系统的设计18高地址低地址数据MC0MC1ADA读SPR4096时序高地址低地址数据MC0MC1ADB）写SPR4096时序图211BMI方式SPR4096读写时序图图212为利用BMI方式实现SPR4096读写操作的流程图。在系统初始化之后，根据需求设置VOL，BSW，EXC，PT等寄存器的状态，然后根据编写指令时序将数据写入指定的地址中。最后从该地址将写入的数据读出来，完成对SPR4096的读写操作。基于单片机的语音录音与播放系统的设计19写VOL（000D）写BSW（000O）写EXC（000B）写PT0018将AAH写入5555H中将55H写入AAAAH中将AOH写入5555H中写数据延时4560US写数据结束读出数据延时4560US开始程序结束系统初始化图212BML方式读写操作流程图234SPR4096的SIF接口方式SPR4096的SIF模式是利用SPCE061A的SIO接口方式。通过IOB0、IOB1两个IO口完成SPR4096与SPCE061A的数据传输。该方式接口简单，占用少量IO资源，控制方便。其电路连接如图213所示。基于单片机的语音录音与播放系统的设计20R22KIOB05IOB14SCK15SDA21CF734VSS12VSS17VSSQ22CF238CF139CF041VDDQ16VDDQ31VDDQ33VDDI20/RESET14SPR4096SPCE061AC1104C2104R12K33VDIN414833V图213SPR4096的SIF方式硬件电路图CF20设置为“111”选中SIF接口方式，在实际连接中这三个引脚都接为高电平，SCK、SDA分别与SPCE061A的IOB0时钟端口、IOB1数据端口相连，需要注意的是数据线连接时需要接人2K电阻，防止烧毁芯片。CF7接低电平选中FLASH方式。在电路设计中如果需要利用SPR4096的SRAM。可将CF7通过选通开关连接到IOB口相连，当该IOB口输出高电平时选通SRAM，否则选通FLASH。SPR40096的SIF接口方式是利用SPCE061A的串行设备输入/输出端口SIO来完成串行数据的交换功能的。通过设置SPCE061A内部的串行输入/输出控制单元P_SIO_CTRL701E来实现对SPR4096的读写操作。读写操作的程序流程见图214。基于单片机的语音录音与播放系统的设计21输入写串行FLASH起始地址设置P_SIO_CTRL寄存器为写状态发送数据延时60US输入读串行FLASH起始地址设置P_SIO_CTRL寄存器为读状态读出数据延时60US开始结束系统初始化图214SIF读写操作流程图24系统原理241系统结构图本系统以SPCE061A单片机作为控制核心，外扩键盘，SPR4096存储电路，液晶显示电路等构成整个系统硬件的主要部分，利用键盘控制语音录音，播放录音，停止播放。系统的结构框图如图215所示。基于单片机的语音录音与播放系统的设计22键盘PC机SPCE061A最小系统SPR4096LCD显示SPKMIC图215系统结构框图242语音输入模块语音通过MIC输入，带自动增益AGC功能，原理图如图216所示。VMIC为MIC电源，VCM为单片机ADC参考电压输出脚，MICP和MICN分别为单片机的MIC正向和负向输人脚，MICOUT是MIC的第一运放输出脚，OPI是MIC的第二运放输出脚，AGC为语音输入自动增益控制引脚。C33和C34为隔直电容，滤除信号中直流成分。MICP和MICN将随着MIC产生的波形变化，并在两个端口处形成两路反相的波形，再经过两级运放放大。SPCE06LA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，可使进入A/D的信号保持在最佳电平，又可使削波减至最小。最后把放大的语音信号交给ADC转换为数字量。这个时候我们就可以通过单片机编程对这些数据进行处理。基于单片机的语音录音与播放系统的设计23R301KR313KX1MICC33224R3210KR3310KR343KC32104C30220UC3122UC34224C2947UR36470KC35104C36502R3551KVMICVCMAGCMIOUTOPIMICPMICN图216语音输入模块原理图243语音输出模块凌阳单片机的语音数据经过解码后直接送到DAC1口输出。也就是说，它输出的仅仅是高低正电压，只能使扬声器的振片在一个方向振动。另外，系统的输出口有可能存在高频干扰信号，所以在电路中加入了RC并联高频滤波电路。三极管用来放大DAC的输出，语音输出电路如图217所示。C11104R1124KR71K8050NPNSPEAKERDAC1VDDH图217语音输出模块原理图244复位模块复位是对“61板”内部的硬件初始化。“61”板本身具有上电复位功能，即只要一基于单片机的语音录音与播放系统的设计24通电就自动复位。另外，还具有外部复位电路，即在/RESB引脚6上外加一个低电平就可令其复位。原理图如图218所示。C37104R1847KS4VDD/RESB图218复位模块原理图245键控模块按键是通过通断控制来实现它的功能，“61”板上的按键在没按下时，它的1、3脚是断开的，当按下时这两个脚是连通的。在1脚接一个高电平，把第3脚连到一个I/O口上，这就形成了一个人机操作界面，通过编程对I/O扫描，单片机就能识别到我们的按键命令。本次设计只设定三个功能键即“录音”，“停止”，“播放”。KEYI控制录音键，KEY2控制停止键，KEY3控制播放键。原理图如图219所示。S1KEY1S2KEY2S3KEY3VDDIOB13IOB14IOB15图219键控模块原理图246液晶显示模块本系统采用液晶显示，采用凌阳提供的SPLC501液晶显示模组。SPLC501液晶显示模组采用的驱动控制芯片为凌阳科技的SPLC501A芯片，SPLC501A为液晶显示控制驱基于单片机的语音录音与播放系统的设计25动器，SPLC501A单芯片液晶驱动，该模组可以直接与其他微控制器接口总线相连。微控制器可以将显示数据通过8位数据总线或者串行接口写到SPLC501A的显存中实现信息的显示。SPLC501A内置8580位显示RAM，RAM中的一位数据控制液晶屏上的一个像素点的亮、暗状态“1”亮“0”暗，具有65行驱动输出和132列驱动输出。SPLC501与SPCE061A单片机的硬件接口电路见图220。当SPLC501液晶显示模块的VCC端外接5V电源时其接口须通过约470电阻（300510）连接，以使电平匹配。图220中采用并行通信方式，单片机的IOA8IOA15与液晶模块的DB0DB7口相连作为数据输入输出用，IOB4IOB6、IOB9与液晶模块的AOP、R/W、EP和CS相连作为单片机对液晶的控制。CS1AOP2EP4R/W3DB05DB16DB27DB38DB49DB510DB611DB712VCC15RES17GND20SPLC50133VIOB977IOB41IOB581IOB680IOA853IOA954IOA1055IOA1156IOA1257IOA1358IOA1459IOA1560SPCE061A图220液晶显示模块原理图247电源模块SPCE061A采用的是低电压供电的方式，这样可以大大降低芯片的功率损耗。其中，SPCE061A的电源分两种，即内核电源VDD和I/O口电源VDDH。I/O口电源采用5V电压，而内核电源则为33V或者更低。降低芯片内核电压的目的主要还是降低芯片的功耗，同时也可以降低芯片的工作温度，延长芯片使用寿命。尽管这种语音芯片的工作电压范围很大，但是为了使芯片内核运行更稳定，同时又保证I/O口及外部扩展部件的工作电压要求，系统采取AC220V电源通过AC10V进行整流，利用以7805稳压集成块为核心的电路产生5V电源，作为语音录音与播放模块共同使用的电源。5V电源经过RT197233得到DC33V为CPU核心供电。原理图如图221所示。基于单片机的语音录音与播放系统的设计2612POWER220V10VVIN1GND2VOUT3RT917233VIN1GND2VOUT3LM78051234C201000UFC221000UFC21104C23103C25103C241000UF5V33V图221电源模块原理图基于单片机的语音录音与播放系统的设计27第3章软件系统的设计与实现31凌阳音频介绍311音频概述我们所说的音频是指频率在20HZ20KHZ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。312数字音频的采样和量化将模拟的（连续的）声音波形数字元化（离散化），以便利数字计算机进行处理的过程，主要包括采样和量化两个方面。数字音频的质量取决于采样频率和量化位数这两个重要参数。此外，声道的数目、相应的音频设备也是影响音频质量的原因。313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。（1）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；（2）MIDI文件它是一种音乐演奏指令序列，相当于乐谱，可以利用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。314语音压缩编码基础语音压缩编码中的数据量是指数据量采样频率X量化位数/8字节数X声道数目。基于单片机的语音录音与播放系统的设计28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。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。举个例子，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，55MB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。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PULSECODEMODULATION，PCM、差值脉冲编码调制（DPCM）、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（ADAPTIVETRANSFERCODING，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。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，产生了新一基于单片机的语音录音与播放系统的设计29代的编码算法，这就是混合编码。它将波形编码和参数编码组合起来，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）。32凌阳音频编码算法表31是音频质量等级的编码技术标准（频响）凌阳音频压缩算法处理的语音信号的范围是200HZ34KHZ的电话话音。表31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200340088宽带音频（AM质量）5070001616调频广播（FM质量）2015K37816高质量音频（CD质量）2020K44116321压缩分类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2141。而有损压缩则是指音视频文件，压缩比可高达1001。凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种基于单片机的语音录音与播放系统的设计30SACMA2000压缩比为81，8125，815SACMS480压缩比为803，8045SACMS240压缩比为8015322凌阳常用的音频形式和压缩算法1波形编码SUBBAND即SACMA2000特点高质量、高码率，适于高保真语音音乐。2参数编码声码器（VOCODER）模型表达，抽取参数与激励信号进行编码。如SACMS240特点压缩比大，计算量大，音质不高，廉价。3混合编码CELP即SACMS480特点综合参数和波形编码之优点。除此之外，还具有FM音乐合成方式即SACMMS01。323凌阳语音的播放、录制、合成和辨识凌阳的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，该算法较繁琐，而且需要具备音乐理论、配器法及和声学知识。对于语音辨识主要有以下两种1特定发音人识别SD（SPEAKERDEPENDENT）是指语音样板由单个人训练，也只能识别训练人的语音命令，而他人的命令识别率较低或几乎不能识别。2非特定发音人识别SI（SPEAKERINDEPENDENT）是指语音样板由不同年龄、不同性别、不同口音的人进行训练，可以识别一群人的命令。语音识别电路基本结构如图31所示基于单片机的语音录音与播放系统的设计31滤除噪音预加重滤波器组PARCOR系数线性预测系数过零次数能量相关函数等模式匹配词典语音语音分析识别结果输出图31语音识别电路结构324语音录入使用介绍SACMDVR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SRAM628128A里，录满音后自动开始放音。33系统流程图在程序总流程图中，录音模块、停止模块和放音模块为并列关系，当键盘扫描为录音键时，进入录音模块；当键盘扫描为停止键时，进入停止模块；当键盘扫描为播放键时，进入放音模块。这三个模块完成后，就进入状态判断处理模块。状态判断处理模块也包含三部分，即录音模块处理，放音模块处理和停止模块处理。根据当前状态判断是录音，放音还是停止状态，进入相应的处理。处理完成后返回键盘扫描。程序总流程图如图32所示，录音模块流程图如图33所示，停止模块流程图如图34所示，放音模块流程图如图35所示，状态判断处理模块流程图如图36所示。基于单片机的语音录音与播放系统的设计32置为停止模式DVR初始化键盘扫描停止模块放音模块录音模块状态判断处理模块放音模块处理停止模块处理录音模块处理录音键放音键停止键系统初始化图32程序设计总流程图基于单片机的语音录音与播放系统的设计33置为录音模式ADDR首地址初始化语音队列初始化编码器状