基于单片机的数码录音与播放系统-

I基于单片机的数码录音与播放系统学生指导教师内容摘要随着语音处理技术在工业、交通、通信等不断应用和消费类电子不断繁荣，人们对具有数码录音与播放功能的产品的需求也在不断的增加。为了更好的满足人们日常生活、工作，选用凌阳单片机为核心，通过麦克风接收语音信号，使用存储器来存储语音信息从而实现录音和播放功能。基于该功能的系统应用于录音较长的场合。如自录语音提示、温度检测储存播放系统等方案。本次设计的硬件电路主要包括MIC录音电路、DAC放音电路、按键电路、复位与时钟电路、外部W29C040储存器扩展电路组成。把语音信号经过搭建电容、电阻，送入前置放大器和内部集成的自动增益（AGC）处理，作为录音部分；而DAC放音部分，经过语音集成放大器SPY0030A放大，再接上扬声器，实现了语音的录放功能。芯片体积小、集成度高、易扩展、中断处理能力强等特点。关键词凌阳单片机W29C040储存器数码录音与播放IITHEDIGITALVOICERECORDINGANDPLAYINGSYSTEMBASEDONSCMABSTRACTWITHSPEECHPROCESSINGTECHNOLOGYINTHEINDUSTRIALAPPLICATIONSUCHASTRAFFICCOMMUNICATIONANDCONSUMERELECTRONICSRISINGPROSPERITY,PEOPLEONTHEDEMANDOFTHEPRODUCTSWITHDIGITALRECORDINGANDPLAYBACKFUNCTIONSHAVEBEENINCREASEDINORDERTOBETTERMEETPEOPLESDAILYLIFEWORK,CHOOSESUNPLUSSINGLECHIPASTHECORE,THROUGHAMICROPHONERECEIVESTHEVOICESIGNAL,USINGTHEMEMORYTOSTORETHEVOICEINFORMATIONSOASTOREALIZETHERECORDINGANDPLAYBACKFUNCTIONSBASEDONTHEFUNCTIONOFTHESYSTEMISAPPLIEDINTHETAPELONGEROCCASIONSSUCHASTHERECORDEDVOICEPROMPTTEMPERATUREDETECTIONSTOREBROADCASTSYSTEMTHEDESIGNOFTHEHARDWARECIRCUITMAINLYINCLUDESTHEMICRECORDINGDACPLAYBACKCIRCUITRESETBUTTONCIRCUITANDCLOCKCIRCUITEXTERNALW29C040STORAGEEXTENDEDCIRCUITOFTHESPEECHSIGNALAFTERSTRUCTURES,CAPACITANCERESISTANCE,INTOTHEPREAMPLIFIERANDINTERNALINTEGRATIONAUTOMATICGAINAGCPROCESSING,ASTHERECORDINGPARTANDSOUNDPARTISPUTDAC,SPY0030AVOICEINTEGRATEDAMPLIFIERAMPLIFICATIONPROCESS,THENCONNECTTHESPEAKER,TOREALIZETHEFUNCTIONOFVOICERECORDERSCHIPSMALLVOLUMEHIGHINTEGRATIONEASYEXTENSIONINTERRUPTHANDLINGABILITYKEYWORDSSUNPLUSSINGLECHIPW29C040PACKETDIGITALRECORDINGANDPLAYBACKIII目录前言11单片机的数码录音与播放的概述111录放音的背景和意义112录放音的发展前景213录放音的设计思想22单片机的录放音方案选择221单片机的发展222方案选择33单片机的录放音硬件设计现431凌阳SPCE061A单片机概述4311凌阳SPCE061A单片机介绍4312凌阳SPCE061A单片机性能4313凌阳SPCE061A单片机的内部结构532凌阳NSP内核结构633系统时钟和复位电路6331时钟电路6332锁相环电路7333复位电路734按键电路835MIC录音电路836DAC放音电路937外部储存器W29CO40电路1038单片机与外部储存器连接电路134单片机的录放音软件设计14IV41凌阳音频的介绍14411音频概述14412数字音频的采样和量化14413音频格式14414语音压缩编码基础1442凌阳音频编码算法15421压缩编码的标准16422压缩分类16423常用的音频形式和压缩算法16424程序接口介绍17425相关API介绍1743录音MIC设计流程图2044DAC放音设计流程图2145单片机与外部储存器系统软件设计225系统调试和功能实现2351硬件调试2452软件调试24521SPCE061A的开发方式24522开发环境256结束语25附录1系统原理图27附录2源程序28参考文献38V11基于单片机的数码录音的播放系统前言随着科技发展，社会的进步，语言的处理在各领域变得越来越重要。生活中也变得广泛，例如智能手机,电脑诸如此类变得很多。过去，我们用磁带来对我们需要的信息进行记录，储存。具有这样功能的电子产品很多，但它们的体积都比较大，给我们带来诸多不便。而单片机录音系统帮我们改变了这一点，它体积小，以数字电路为基础与微处理器连接，用数字语音电路实现录音播放的功能。目前的数字录音系统，只能简单的进行数据采集，播放和储存，目前对设备储存的需求越来越大，所以在未来语音编码会变得越来越重要，方便减少储存空间的需求。本次设计是设计一套包含数码录音与播放的单片机系统。以凌阳16位单片机SPCE061A为核心与W29C040外部储存器相连达到实现的目的。系统包含DAC放音电路，MIC录音电路，复位与时钟电路，按键电路和W29C040储存器扩展电路。通过以上设计，可以达到录放音效果。1单片机的数码录音与播放的概述伴随着然门对语言处理的不断研究，越来越多的数码录音产品受到人们的青睐。从使用磁带到现在的微处理器外加语音芯片的技术成长，使语音更加趋向完美。国内外研究的不断成熟，预示着语音功能的重要性。因此，基于单片机的数码录音与播放系统变得非常有意义。我们可以通过凌阳单片机SPCE061A和外部储存器W29C040来实现。11录放音的背景和意义随着科学技术与经济的发展，语音的录音与播放越来越普遍。诸如，学校，公安，铁路等单位对语音的需求量也变得更多。目前，应用在家用电器、生活娱乐、安保系统、办公自动化、多媒体系统等等的语音录放音技术如果能在适当的时候实施其功能对系统发出警告、工作状态、提示等信息，不但提高了通信能力、人们的生活质量还给我们带来了方便。在研究录放音的过程中，过去人们用磁带。用磁带进行语音录放储存的方法已经有很长时间了，介于这种方式的产品随处可见，但体积大，使用范围小。而数字录音2却是将模拟信号转换成数字信号，并储存在相关介质中的一种数字语音处理技术。这种技术具有占用空间小、保存时间长、录音时间久、效率高等优点。单片机凭借其低电压、低功耗、稳定性高等特点广受研究者与消费者的喜爱，并被广泛应用在诸多领域，充分实现了其语音录放的价值，具有很高的发展前景。12录放音的发展前景日常生活中指示灯、按键开关、广告显示屏，我们随处可见。相较语音无疑没有办法更有效更人性化的跟我们实现互动。语音对话方式是我们发展的最终目标，但距离真正意义上的对话方式还相距很远，还有待继续努力突破。我相信随着信息的发展，网络通信的不断完善等一系列相关技术的发展与实现，这一梦想的实现总有一天会成真。尽管语音系统集成电路发展历史较短，但其凭借电体系庞大、应用范围广、发展前景广等优点发展迅速，成为新一代宠儿。目前，语音系统集成电路从过去单一的功能向微型化、多功能、智能化发展。伴随着微电子技术的突飞猛进，语音合成技术也受益匪浅，并产生很多新领域的新技术，朝着大容量、优音质、高智能、高灵活性方向发展。而凌阳单片机SPCE061A的语音系统符合以上发展前景。13录放音的设计思想基于单片机的数码录音与播放系统的设计，是基于单片机为核心，选择在语音系统方面优秀的凌阳单片机，无需语音芯片。用凌阳单片机为核心，并连接外部储存器W29C040来扩展其存储空间，实现数码录音和播放功能。设计MIC录音电路时，先分析其原理，通过MIC电路采集语音资源把语音信号转换成电信号，然后采集数据，将模拟数据信息变成数字信号，这是AD过程，然后将信号输送到SPCE0611A单片机的前置放大器，通过前置放大器的数据信息到达其内部增益控制电路，并自动跟踪前置放大器音频信号的电平，根据跟踪结果进行自动调节，达到平衡。由于凌阳单片机内部储存有限，所以需要一款外部存储器来存储此数据信息，达到更长的录音时间，因而选用外部存储器W29C040。设计DAC放音部分时，因为语音资源储存到储存器当中时，需要把语音资源从储存器W29C040取出解压，进行数据解码，在定时中断的情况下进行数模转换，录放音过程中需要用定时器进行均匀采集数据，模拟语音信息滤波、放大，并用扬声器进行放音。关于程序设计，使用汇编语言对录音部分进行编程，使用C语言对放音部分进行编写，整体过程需要使用凌阳单片机的库函数、相应的API应用程序接口来编程。32单片机的录放音方案选择随着集成电路不发展和半导体技术的不断提高，单片机的功能也在逐渐加强，其在社会的需求量也在不断的增加。单片机的种类繁多，所以需要选择正确的单片机用来实现录放音的功能。21单片机的发展在人们的日常生活和现代社会的生产活动中，单片机有着其广泛应用。单片机价格低、功能强、价格低、使用灵活等特点，具有非常明显的优势和广泛的应用前景。显然现代电子技术领域包含单片机这一非常重要的技术。单片机（ONECHIPMICROCOMPUTER或SINGLECHIPMICROCOMPUTER）将CPU和具有一定容量的随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器（TIMER/COUNTER）、并行输入输出接口和串行通信接口等多个功能部件利用半导体集成技术集成一个芯片上，形成具有完整计算机功能的大规模集成电路，并具备独立的指令系统智能器件。就是将一台微型计算机的基本功能在芯片上实现。利用单片机作为控制中心，简单控制对象，无需增加外部设备；而复杂的控制对象，也只需扩上一些器件在单片机的基础上就能完成。随着计算机和单板机的发展，单片机在智能测控系统中发展起来。单片机处理能力得到了提高是伴随着数据传输能力的提高，运算能力的提高和处理系统指令速度的提高；程序加密和储存容量加大使存储器更加优化；接口编程能力增加改进了接口、增加并行口的驱动能力；采用外围集成电路和串行总线结构使结构得到简化；再加上体积不断减小和降低功耗。综上所述，单片机的性能得到不断地提高和完善。并且单片机的市场需求量也在日益增长。时至今日，在后PC时代，基于嵌入式系统单片机得到广泛使用。伴随着微电子技术的不断发展，单片机的功能也越来越强大，电子系统设计也进入片上系统（SOC，SYSTEMONCHIP）时代。凌阳公司研发的NSP单片机就是基于SOC的新型数/模混合的系统芯片。该系统芯片具有集成度高，功能全面，数/模混合，易扩展等特点，也顺应了单片机的发展趋势。22方案选择在工业技术不断革新和集成电路大规模的影响下，单片机片内不断扩展外围电路功能和片上系统（SOC）发展，也包含数字逻辑电路部分，既有数据采集和控制系统常用模拟部件，也包含数字逻辑电路部分，实现了应用系统在片内的集成。凌阳公司研发的NSP单片机就是基于SOC的新型数/模混合的系统芯片。以NSPCPU为内核，4根据功能模块需求为选择合适的结构。对不同应用需求和不同领域，形成不同体系，进而实现更低成本和更强的功能的优化，体现凌阳16位单片机基于SOC的结构特点。凌阳16位单片机能够提供了特殊指令，并在应用添加上DSP功能，充分在语音处理能力方面有发挥着它的优势。80C51方案51单片机是目前我国应用最广的单片机，并且我们学习也是51单片机。虽然它在功能上也在不断提高，但51单片机的DSP处理能力方面比较弱，处理复杂数据的能力的有待提高，集成化程度不高，处理复杂数据的能力的有待提高。凌阳方案凌阳单片机集成度高，内部集成了2路DA转换和8路的AD转换，该芯片具有DSP处理能力,而且AD转换中专门用于声音的数/模转换，并且凌阳单片机在语音的处理能力方面有优势。W29C040的储存器是台湾华邦公司生产的W29C040的储存器是一款FLASH储存芯片，利于它储存的语音数据资源，可以播放几分钟的声音。凌阳16位单片机易学易用的，包含一套指令系统和集成开发环境效率较高。此环境提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，很容易完成语音录放，并且支持C语言，可实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用。凌阳是51单片机和DSP之间的优劣互补。通过比较，选用凌阳单片机SPCE061A和外部存储器W29C040来实现基于单片机数码录音与播放系统的设计。3单片机的录放音硬件设计现根据选择的方案，设计一套具有录放音功能的系统，选用凌阳单片机因为具有体积小、集成度高、易扩展等优点。为了实现录放音的功能，需要对其进行硬件的设计。31凌阳SPCE061A单片机概述311凌阳SPCE061A单片机介绍随着集成电路功能日渐成熟，单片机也由单纯的控制扩展到控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP）等领域。凌阳单片机SPCE061A应运而生。SPCE061A是继NSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的16位微处理器。凌阳科技设计的NSP单片机具有集成度高、可靠性好、易于扩展、体积小、中断处理能力强等特点，并且集成在一个芯片里，内部采用总线结构设计，提高了可靠性和抗干扰能力，还减5少了各功能部件之间的连线。凌阳单片机内嵌32K字的FLASH存储器，具有较高的处理能力，使NSP单片机可以简单、快速地处理复杂的数字信号。312凌阳SPCE061A单片机性能SPCE061A单片机的主要性能电源电压范围较宽26V55V系统时钟范围较广032MHZ4915MHZ内部设置32K字FLASH和2K字SRAM中断处理能力强具有可编程音频处理功能两个16位可编程T/C两路10位数/模转换（DAC）输出通道七通道10位电压模/数转换器（ADC）内部设置自动增益控制（AGC）电路和MIC麦克风放大器内部设置在线仿真ICE接口313凌阳SPCE061A单片机的内部结构图3131和图3131是SPCE061A单片机内部模块结构。主要包含有模/数转换器（ADC）、数/模转换（DAC）、WATCHDOG、定时器/计数器、定时器/计数器T/C（脉宽调制输出PWM）、并行输入输出I/O、设备串行口SIO、低电压检测LVD、异步串行通信口等。ADC并行I/ODACNSP内核WATCHDOGAOPWM输出串行口低电压检测和复位RAMUNSIGNEDINTREADDATA0UNSIGNEDINTG_TESTVALUE0UNSIGNEDINTWRITE256BYTESFLAG0/UNSIGNEDINTADDR_COUNTER0UNSIGNEDINTADDR_COUNTER_TMP0UNSIGNEDINTKEY,MODE,STATUS30UNSIGNEDLONGINTADDR,ADDR_SAVEUNSIGNEDLONGINTADDR_LONGUNSIGNEDLONGINTYXH0UNSIGNEDINTWRITE_W29C040_STATUS_CHECKUNSIGNEDLONGINT,UNSIGNEDINTINTMAINUNSIGNEDINTABIN0UNSIGNEDINTI0,J0MODEMANUAL/手工方式SYSTEM_INITIALSACM_DVR_INITIALMODE/DVR初始化STATUSSTOPWHILE1/KEYKEYGETKEYSCANVALUEIFKEY0SWITCHKEYCASE0X00BREAKCASE0X01/录音键STATUSRECORDADDR0ADDR_COUNTER_TMP0/SP_INITWRITESRAM/写初始化SP_INITW29C040FLASH31SP_INITWRITEW29C040FLASHSACM_DVR_INITQUEUESACM_DVR_INITENCODERRCEMONITORONBREAK/CASE0X02/停止键CASE0X04/停止键/SWITCHSTATUSCASERECORDSACM_DVR_STOPWHILESACM_DVR_TESTQUEUEEMPTYRETSACM_DVR_FETCHQUEUE/SP_WRITESRAMADDR,RET/将队列中的数据写入W29C040/SP_INITWRITEW29C040FLASHSP_WRITE_W29C040_ONE_WORDADDR,RETADDR2/SP_WRITESRAMADDR,0XFFFF/写结束标志连续三字节FF/SP_INITWRITEW29C040FLASHSP_WRITE_W29C040_ONE_WORDADDR,0XFFFFADDR2/SP_WRITESRAMADDR,0X00FF/SP_INITWRITEW29C040FLASHSP_WRITE_W29C040_ONE_WORDADDR,0X00FFBREAK32CASEPLAYSACM_DVR_STOPBREAKSTATUSSTOP/BREAK/CASE0X04/播放键CASE0X02/播放键SACM_DVR_STOPIFSTATUSRECORD/如果处于录音状态，执行关闭录音处理WHILESACM_DVR_TESTQUEUEEMPTYAWRITEDATAADDR_COUNTER_TMPSACM_DVR_FETCHQUEUEADDR_COUNTER_TMP/SP_WRITESRAMADDR,RET/SP_INITWRITEW29C040FLASHIFADDR_COUNTER_TMP128IFWRITE256BYTESFLAG1WHILEWRITE_W29C040_STATUS_CHECKADDR,G_TESTVALUE0FORI0I0SWITCHSTATUSCASERECORDIFADDRSRAM_SIZESACM_DVR_ENCODE/IFSACM_DVR_TESTQUEUEEMPTY/SP_WRITESRAMADDR,RET/SP_INITWRITEW29C040FLASHAWRITEDATAADDR_COUNTER_TMPSACM_DVR_FETCHQUEUEADDR_COUNTER_TMPIFADDR_COUNTER_TMP128IFWRITE256BYTESFLAG1WRITE256BYTESFLAG1WRITE256BYTESFLAG1WRITE256BYTESFLAG1WHILEWRITE_W29C040_STATUS_CHECKADDR,G_TESTVALUE0WRITE256BYTESFLAG1WRITE256BYTESFLAG1WRITE256BYTESFLAG1SP_INITWRITEW29C040FLASH36FORI0I128ISP_WRITE_W29C040_ONE_WORDADDR,AWRITEDATAIADDR2G_TESTVALUEAWRITEDATA127WRITE256BYTESFLAG0X0001ADDR_COUNTER_TMP0/IFADDR_COUNTERI128ISP_WRITE_W29C040_ONE_WORDADDR,RETIADDR2ADDR_COUNTER_TMP0/FORJ0J0X500J/BREAKCASEPLAYIFSACM_DVR_STATUS/SP_INITREADW29C040FLASHREADDATASP_READ_W29C040_ONE_WORD