毕业论文-数字化语音存储与回放系统

1、数字化语音存储与回放系统Design of Digital Voice Storage and Replaying System2015年 6月9日东华理工大学毕业论文 摘要摘 要本设计介绍了语音存储与回放系统的总体设计方案，系统要实现的功能，然后通过分析比较选择最佳设计方案，并完成整个系统电路的设计。该系统利用单片机STC89C52控制ISD4004语音芯片来实现语音的录制和播放，ISD4004语音芯片无须转换和压缩就可以直接储存，没有转换误差。具有可多次重复录放、存储等功能。使用时不需扩充存储器，所需外围电路简单。本设计在分析ISD4004单片语音芯片工作原理的基础上，通过系统功能模块各部

2、分的连接及软硬件设计，实现了数字化语音的存储和回放。同时通过外部设备的扩展，对功能进行优化。 关键词: 数字化；STC89C52；ISD4004；录音；放音 东华理工大学毕业论文 ABSTRACTABSTRACTThe overall designation of the voice storage and playback system is introduced and the functions is achieved. Then the optimized design through analyze and comparison is selected. The complete s

3、ystem circuit is designed in the end. In this design, STC89C52 microcontroller chip is used to control the ISD4004 voice recording and playback of voice. ISD4004 voice chip can be directly stored without A/D conversion and compression, and no conversion errors. This design contains several advantage

4、s such as recording can be repeated, store for 20 seconds, without extended memory facilities when used, and the peripheral circuits is simple, etc. In this article, beyond a simple analysis of voice chip ISD4004 chip based on the functional modules, this design realizes the digital audio storage an

5、d playback through the connection of various parts and the designations of software and hardware systems. In addition, product applications can be improved by the expansion of external devices. Keywords: Digital； STC89C52 ；ISD4004；Record； Playback东华理工大学毕业论文 目录目 录绪 论11课题背景12 语音技术的发展13 语音处理技术的发展前景2第1章

6、 系统方案设计41.1 系统设计要求41.2 系统方案论证41.3 系统总体方案确立5第2章 硬件电路设计62.1 主控电路设计62.1.1 STC89C52介绍62.1.2 时钟电路82.1.3 复位电路92.1.4 按键电路102.1.5 状态提示电路102.2 语音模块电路设计112.2.1 ISD4004的介绍112.2.2 ISD4004的SPI协议142.2.3 通信电路152.2.4 语音输入电路162.2.5 音频功放电路16第3章 软件设计183.1 软件设计思路1832 设计流程图18第4章 焊接与调试214.1电路焊接214.2问题处理214.3功能测试21第5章 结 论

7、23致 谢24参考文献25附录一26附录二27附录三28东华理工大学毕业论文 绪论 绪 论1课题背景语音，作为一种典型的非平稳随机信号，是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段之一，在人类文明和社会进步中起着重要的作用。随着电子通信业的出现和计算机技术的发展，人们开始可以从数字信号处理的角度了解语音。随着计算机技术处理和信息技术的发展，语音交互已经成为人机交互的必要手段，而语音信号的处理是人机交互的前提和基础。对于语音信号，数字处理比模拟处理具有更多的优点。第一，数字技术能够完成许多很复杂的信号处理工作；第二，通过语音进行交换的信息本质上具有离散的性质，因为语音可以看成是因素的组合，这就特别

8、适合于数字处理；第三，数字系统具有高可靠性、价廉、紧凑、快速等特点，很容易完成实时处理任务；第四，数字语音适合于在强干扰通信中传输，易于和数据一起在通信网中传输，也易于进行加密传输。因此数字语音信号处理是主要研究方向。无论是人与人之间还是人与计算机之间的语音通信，语音处理技术，特别是数字化语音处理的理论和技术，具起到了特别重要的作用。单片机的应用无处不在，利用单片机控制语音的录放也多不胜举。用单片机控制语音芯片，再把单片机和语音芯片嵌入到通信设备，智能仪器，治安报警及儿童玩具中，就可做成语音播放的机器，应用范围广泛。用单片机控制语音芯片设计语音录放系统,该系统功能多，录放音音质好，外围电路简单

9、。2 语音处理技术的发展语音信号处理技术的发展历史可以追溯到1876年贝尔发明电话，实现了人类历史上首次采用声电、电声信号转换技术实现远距离的语音通信，为人类历史做出了巨大贡献，为语音信号数字化处理做出了铺垫。20世纪中期，人类在语音发展史上取得了骄人的成绩，按照时间顺序主要有：实现能够通过使用语音参数应用于模拟电路来模仿人体发声，能够简单的进行语音处理；H.Dudley在1939年率先研制出了人类历史上的声码器，这在人类语音信号处理领域具有相当重要的分量，当时整个业界为之震动，它奠定了语音产生模型的基本思想方法；大约过了10年，美国就率先研制出由语谱图自动合成语音的“语图回放机”，虽然这种方

10、式很单调、呆板。但是它在科学研究上仍然具有很重要的意义；贝尔实验室于1952年研制出了能够识别10个英文数字Audry系统；到了1956年，第一台声控打字机诞生于世。20世纪60-80年代，随着计算机技术日益发展与壮大，数字计算机技术被引入语音识别系统，语音处理技术得以快速发展，线性预测技术被成功的应用于语音编码和语音识别。20世纪末期，超大规模集成电路技术迅速发展，个人计算机迅速普及促使了计算机技术和人工智能技术迅猛发展，人类社会进入数字时代，数字化语音处理技术得以发展。我国的语音识别研究要比国外晚一些，但是同样取得了很大的进展，语音处理技术也取得了不错的成绩。清华大学在1984年为我国汉语

11、识别方面做出了巨大贡献，它成功研制出了能够识别一千个汉字的汉字语音识别系统；四达公司等单位在几年后推出了首批汉语听些产品，实现了汉语语音技术在人们生活中的首次应用。我国在近年来的高速发展中，语音信号处理技术已经取得了丰硕的成果，而且随着科学技术的不断前进，语音识别率也不断提升，已达到95%以上。语音信号处理技术广泛应用于各个领域，小到用于玩具声音播放，打到用于电话查询服务等方面。总的来说，其作用在我们的生活中非常的广泛。3 语音处理技术的发展前景随着科学技术的不断前进与发展，音频信息不论是总量还是种类都是越来越多，能否有效地对如此庞大的信息量进行处理、管理和存储也显得越来越重要。就目前的形式看

12、来，音频处理技术已经拥有相当大的市场量并且将在未来相当长的一段时间内都拥有非常广阔的前景。从已经得以实现的技术来看，数字语音通信、高清电视、DVD、多媒体、远程通话等等都为我们的生活带来了极大的方便。从未来的发展来看，低码率高质量的音频编码技术对于未来人类实现信息化高速公路的建设具有不可估量的作用。数字化处理技术得以如此广泛的应用的根本依据是数字信号具有诸多的优点或者说是便利。数字信号处理系统具有很高的精度，可以达到10-3以上，而且数字信号可以无损的存储与传输，其灵活性、可靠性都不是模拟信号所能比拟的。除此之外，数字部件可以大规模的集成于电路上，并且数字信号处理器件可以同时处理多个通道中的信

13、号。因此，说数字化技术推动了语音处理技术是实至名归。数字信号处理技术的不断提升使得为语音信号的存储和传送创造了良好的条件，而存储器的不断更新换代使得我们对语音产品的开发变得越来越便捷。目前市场上主要使用的存储器是半导体存储器。半导体存储器经过最近几十年的快速发展，已经具有非常先进的技术水平。从静态随机存储器技术到动态存储器技术，再到嵌入式存储器技术，无不体现出一代一代人类的智慧。未来几十年，半导体存储器的发展方向将到兆兆位，并且使用更加先进的材料，如已经发现的成果有氢离子在二氧化硅结构中可以作为原始载体具有存储的功能，这种方法具有高密度、低功耗等等诸多优点，甚至能够抗辐射。可以预见的是科学技术

14、将会越来越发达，存储技术也必然越来越进步。语音处理技术目前的主要发展方向是数字信号处理技术结合单片机嵌入式技术，利用嵌入式技术能够集成大规模电路在一个很小的芯片上，而单片机具有体积小。功能强大的特性，能够处理好数字信号，数字信号处理技术则是将模拟的语音信号数字化以方便单片机对其进行处理。科学技术在不断进步，人类文明在不断更新，在这个信息化社会中，语音处理技术已经取得并将更加取得辉煌成就。人与人之间的交流将更加频繁，语音处理技术也将越来越重要。纵观语音处理技术的发展历程，可以发现语音信号处理技术一直朝着数字化方向，利用集成化芯片进行处理。因此，可以预计，语音信号处理技术将会朝着体积越来越小化、功

15、能越来越强大化、使用越来越方便化。40东华理工大学毕业论文 系统方案设计第1章 系统方案设计1.1 系统设计要求本系统以STC89C52为控制器，设计可采用中小规模集成电路实现。整个系统由采集部分、回放部分和控制部分组成。具体要求如下：（1）语音频率范围：300Hz-3.4KHz之间； （2）语音采样频率8kHz；（3）语音存储时间4.096s； （4）能够回放存储的语音信号，且回放质量好。1.2 系统方案论证人耳能听到的声音是一种频率范围为20 Hz20000 Hz ,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

16、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3003 400 Hz ,所以把语音采集的采样频率定为8 kHz。近年来，数字音频技术取得很大的发展，该技术能将声音模拟信号经过采样、量化、编码过程变为数字信号，然后再进行处理，将数据存储于存储器上；在回放语音信号的时候，数字信号变成模拟信号实现还原。数字音频技术在很大程度上丰富了我们的生活，它和嵌入式的联合让语音处理变得轻松。同时，随着语音识别算法的不断深入研究和集成电路技术的不断发展，语音识别芯片取得了巨大成功，被广泛应用于消费类电子产品中。按照性能和算法的不同，它的分类方法也不同，近

17、期较为先进的语音芯片为语音识别系统级芯片SOC，它单片机和一大堆电路集成，主要包括的电路有：A/D和D/A转化电路以及预放、功放等电路，只需要外加电源等设备就能够实现对语音信号的识别、合成和回放等功能，具有体积小、性价比高的优点。目前市场上典型的语音识别专用芯片为ISD公司开发的ISD系列的芯片。综上所述，对于数字化语音存储与回放系统的设计提出以下两种方案：方案1：我们可以将单片机作为核心控制器件，采集的声音信号经模数转换电路（A/D）转换成数字语音信号送入单片机，单片机对信号进行数据处理并储存，在语音回放时，单片机将数字语音信号读出，经数模转化（D/A）将数字语音信号转换成模拟语音信号，通过

18、扬声器输出，实现语音回放功能。其系统框图如图1-1所示声音采集A/D转换单片机D/A转换声音播放图1-1方案1基本组成框图方案2：可以采用单片机和专用的语音处理芯片结合来实现。其系统框图如图1-2所示：单片机语音模块声音播放声音采集图1-2方案1基本组成框图对比上面两种方案，方案2中具有可多次重复录放、存储时间长、使用时不需扩充存储器、所需外围电路简单等特点，语音芯片相当于把A/D转换电路和D/A转换电路集成在了一块芯片上，消除了外围数模转换和模数转换产生的金属音、噪音等，总的来说，方案2更有优越性。1.3 系统总体方案确立本系统实现的基本理论依据是对语音信号进行数字化后并进行控制，其中的核心

19、技术在于如何保证语音信号的高质量存储与还原，实现系统设计要求的功能。本次课题设计采用方案2的设计方法，其设计基本出发点就是利用现有工艺条件，采用微型计算机处理技术，提高芯片工作效率，拓展其功能，满足多方面的需求。因此总体设计方案围绕优化系统设计这个原则，尽量减少硬件电路的复杂程度，发挥单片机处理功能强大的优势，提高系统工作的可靠性。系统主要包括单片机控制模块，ISD4004 语音模块，声音采集模块，音频功放模块，按键模块，状态提示模块等。通过单片机控制模块把其它几个模块联系在一起，ISD4004 芯片语音模块实现语音录放，通过音频功放进行信号放大并再现语音状态提示模块能提示录音和放音状态，通过

20、按键可以对单片机进行控制，实现人机交互。该系统的总体设计方案如图 1-3所示。语 音 模 块声音采集单 片 机音频功放声音播放时钟电路复位电路状态电路按键电路图1-3 系统组成框图东华理工大学毕业论文 硬件电路设计第2章 硬件电路设计2.1 主控电路设计2.1.1 STC89C52介绍STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制

21、应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选单片

22、机STC89C52包含了一个独立的计算机硬件系统所必须的功能模块及扩展模块，而且还内置了八位中央处理单元、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，256字节内部随机存取数据存储器RAM、1个全双工方式的串行通信口、8k字节的片内程序存储器ROM以及32个双向输入/输出I/O口，片内时钟振荡电路。与此同时，STC89C52配备了丰富的指令系统，这使得STC89C52不仅适用于一般数据处理和逻辑控制，更适合于实时控制。STC89C52单片机采用了40引脚的双列直插封装方式。STC89C52单片机DIP封装方式的引脚见图2-1。图2-1 STC89C52的引脚根据STC89C52单片机芯片引脚的功

23、能可划分为四大类，即主电源引脚、时钟电路引脚、控制线与电源复用引脚、并行输入/输出引脚。以下对各个引脚进行简单的介绍：1、电源引脚与接地引脚(1)GND：接地，引脚号为20。(2)Vcc：接电源，在单片机正常工作的时候，供电电压为+5V，引脚号为40。2、时钟电路引脚(1)XTAL1：该引脚为振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端，引脚号为19。(2)XTAL2：该引脚作为振荡器反相放大器的输出端，引脚号为18。3、控制线与电源复用引脚(1)RST：当单片机运行时，只要有两个机器周期的高电平出现在RST引脚上，就可以对单片机执行复位操作，使其复位到初始状态。当单片机正常工作时，此引脚应该置为

24、低电平，否则无法正常工作。所以RST又叫做复位信号输入端，高电平有效。 (2)ALE：当单片机正常工作时，在ALE引脚上能周期性地、自动连续不断地输出正脉冲信号。当需要访问外部存储器时，该信号负跳沿把P0口输出的低八位地址信号线锁存在外部锁存器。所以ALE也叫做地址锁存信号输出引脚。（3）/PSEN：外部程序存储器数据读选通信号输出端，在每个机器周期内两次有效，在低电平时有效。单片机在访问外部程序存储器进行取指令或数据期间，外部存储器的选通信号选定为该引脚输出脉冲的负跳沿。（4）/EA:内部和外部程序存储器选择控制端。当该引脚为高电平的时候，单片机访问内部程序存储器，但在PC值超过片内存储器最

25、大编址时，会自动执行访问外部程序存储器的操作；当该引脚为低电平的时候，则单片机仅仅访问外部程序存储器。4、并行输入/输出引脚(1)P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口。当P0口访问外部存储器的时候，它会用做地址/数据总线复用口，以分时的方式提供八位地址总线和八位数据总线。当单片机不需要扩展外部存储器或I/O口的时候，它用做准双向8位I/O口。P0口输出缓冲级可驱动8个LS型TTL负载。(2)P1口：P1口是一组8位准双向I/O口且内部自带上拉电阻。P1口的输出缓冲级能以吸收或输出电流的方式驱动4个LS型TTL逻辑门电路。(3)P2口：P2口与P1口相似，也是一个内部带有上拉电阻的8位

26、准双向I/O口。在访问外部存储器时，用做高8位地址总线，输出高8位地址信号。P2口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型TTL负载。(4)P3口：P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，能以吸收或输出电流的方式驱动4个LS型TTL负载。除了上述功能（可称之为第一功能）之外，P3口还能够将每一位用做第二功能，而且P3口的每个引脚对于第一功能的I/O口功能和第二功能的设置都是独立的。P3口的第二功能见表2-1。表2-1 P3口的第二功能口线引脚第二功能定义P3.0RXD(串行输入端)P3.1TXD(串行输出端)P3.2INT0(外部中断0请求输入端，低电平有效)P3.3INT1(外部中断1请

27、求输入端，低电平有效)P3.4T0(定时器/计数器0计数脉冲输入端)P3.5T1(定时器/计数器1计数脉冲输入端)P3.6WR(外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效)P3.7RD(外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效)2.1.2 时钟电路系统时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。时钟电路应用十分广泛，如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路。它主要工作是产生象时钟一样准确的振荡电路。任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路,有以下两种方案。方案1：采用内部时钟方式作为时钟电路。单片机内部有一个由反相放大器构成的振

28、荡电路，芯片上的引脚XTAL1和XTAL2分别是振荡电路的输入端和输出端。在电路的实际连接过程中只需要在这两个引脚上跨接一个石英晶体振荡器和两个微调电容就能构成内部方式的振荡器电路，由振荡器产生自激振荡构成一个完整的振荡信号发生器便可以构成时钟电路。方案2：采用外部时钟方式作为时钟电路。由外部振荡器的脉冲信号作为输入，对外部振荡器没有严格的要求，一般采用石英振荡器。唯一的要求就是保证脉冲宽度，大多数选择低于12MHz的方波信号作为输入。方案2具有精度高，稳定性好等优点，本系统采用外部时钟作为时钟电路，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送

29、入内部时钟发生器，外接晶振时，C2、C3值通常选择为30pF左右； C1、C2对频率有微调作用，震荡频率范围是1.212MHz，如图2-2。图2-2 时钟电路2.1.3 复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 4.75V 低于 5.25V 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。 图 2-3 是该系统的复位电路原理图。图 2-3 复位电路2.1

30、.4 按键电路方案1：采用中断方式的独立键盘接口，选取单片机的I/O口作为键盘输入口线，每个引脚上都接一个上拉电阻，且独立接一个按键，同时将各个按键都接到一个输入与门的输入端，输入与门的输出端接到外部中断输入引脚INT1。如果有按键按下，会引发单片机外部中断，单片机响应INTI中断后，在通过读单片机的I/O口，判别式那个按键按下。方案2：采用查询方式设计独立键盘接口，直接将按键的一端接I/O口，另一端接全部接地，并且每个按键都接上拉电阻。编写程序定时查询接了按键的I/O口，进行按键的判断和处理。根据本次设计的要求，只需要大概4个左右的独立式按键即可，且对于键盘操作的实时性要求不是很高，所以选择

31、电路更简单的查询方式独立键盘，其中按键1用于单片机复位电路的控制，按键2-4接到STC89C51的P2.5-2.7口，分别用作录音键，放音键和停止键，实现与单片机的人机交互，如图2-4。图2-4按键电路2.1.5 状态提示电路状态提示电路主要完成对系统当前的工作状态进行提示，是录音还是放音，直接利用单片机的I/O来控制两个LED进行提示，其中绿色的LED指示录音，红色LED指示放音，当对应的LED亮时表示系统正处于相应的状态，两个LED分别接到单片机的 P1.0和P1.4口，如图2-5。图2-5 状态提示电路2.2 语音模块电路设计根据系统的设计要求，语音采样频率要为8KHZ，语音得到频率在3

32、00-3400HZ之间，同时录音时间要大于4.096秒。通过查找资料得知，ISD4004系列语音芯片中的ISD4004-08符合设计要求。如表2-2，ISD4004-08语音芯片的输入采样频率为8KHZ，芯片得到内置典型带宽为3.4KHZ，同时芯片的语音存储时间能达到8分钟，因此本系统设计采用的语音芯片为ISD4004-08。 表2-2 ISD4004系列数据表型 号时 间输入采样典型带宽最大段数最小段长外部钟频ISD4004-088分钟8.0kHz3.4kHz1200200ms1024.0kHzISD4004-1010分钟6.4kHz2.7kHz1200250ms819.2kHzISD400

33、4-1212分钟5.3kHz2.3kHz1200300ms682.7kHzISD4004-1616分钟4.0kHz1.7kHz1200400ms512.0kHz2.2.1 ISD4004的介绍ISD4004系列语音芯片是美国ISD公司推出的产品，该系列语音芯片采用Chip Corder专利技术，能直接将语音数据写入芯片内存储单元中。ISD4004 语音芯片内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等。因此只需要很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。芯片设计是基于所有操作由微拧制器控制，操作命令通过串行通信接口 SPI 送入。如表2-2所示

34、，ISD4004系列不同型号的语音芯片有不同的采样频率和录音时间。采样频率可为 4.0HZ、5.31HZ、6.4HZ、8.0HZ，频率越低，录放的时间越长，而音质则有所下降。片内信息存于内闪烁存储器中，可在断电情况下保存 100 年，反复录音 10万次。器件工作电压 3V，工作电流 25-39mA，单片录放语音时间 8-16min。 从图 2-6 中可知，它主要有 6 大部分组成： 1. 信号输入部分音频信号放大器和五极点抗混叠滤波器； 2. 信号输出部分五极点平滑滤波器和自动静噪处理； 3. 存储部非易失性多电平模拟存储阵列； 4. 采样时钟部分一内部时钟振荡器和调节器； 5. SPI录、放

35、、快进等操作的 SPI 接口； 6. 电源接口部分图2-6 ISD4004芯片内部框图图2-7 ISD4004引脚图ISD4004引脚图如图2-7，引脚功能描述如下：（1）电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小，芯片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的不同管脚上,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器件。（2）地线:(VSSA,VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。（3）同相模拟输入(ANA IN+) 这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时，信号由耦合电容输入，最大幅度为峰峰值32mV，

36、耦合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值 16mV，为 ISD33000 系列相同。（4）反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入，最大幅度为峰峰值16mV音频输出(AUDOUT) 提供音频输出，可驱动 5K的负载。（5）片选(/SS)此端为低，即向该 ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。（6）串行输入(MOSI)，此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供ISD输入。（7）串行输出(MISO) ISD的串行输出端。ISD未选中时，本端呈高阻态

37、。（8）串行时钟(SCLK)ISD的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在 SCLK上升沿锁存到ISD，在下降沿移出 ISD。（9）中断(/INT)本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到 EOM 或 OVF 时，本端变低并保持。中断状态在下一个 SPI 周期开始时清除。中断状态也可用 RINT 指令读取。OVF 标志-指示 ISD 的录、放操作已到达存储器的末尾。EOM 标志-只在放音中检测到内部的EOM标志时，此状态位才置1。（10）行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个 RAC 周期表示 ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004

38、 系列中的存贮器共 2400 行)。该信号 175ms 保持高电平，低电平为25ms。快进模式下，RAC 的218.75s是高电平，31.25s 为低电平。（11）外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+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-6/+4%内，此时建议使用稳压电源。若要求更高精度，可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要，因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时，此端必须接地。（

39、12）自动静噪(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱，这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接 1uF的电容，构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪功能的翻转点。大信号时，自动静噪电路不衰减，静音时衰减 6dB。1uF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接 VCCA 则禁止自动静噪。2.2.2 ISD4004的SPI协议ISD4004工作于SPI串行接口。SPI协议是一个同步串行数据传输协议，协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作。对ISD4004而言，在

40、时钟上升沿锁存MOSI引脚数据，而下降沿将数据送至MISO引脚，其时序图如图2-8所示。协议具体内容如下：（1）所有串行数据传输开始于SS下降沿；（2）SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间保持为高电平；（3）数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出；（4）SS变低，输入指令和地址之后，ISD才会开始录放动作；（5）指令格式是10位地址码加6位控制码；（6）ISD的任何操作(含快进)如果遇到EOM或OVF则产生一个中断，该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除；（7）使用读指令会使中断状态为移出ISD的MISO引脚时，控制及地址数据也同步从MOSI移入；（8）所有操作在运行位(RUN)置1时

41、开始，置0时结束；（9）所有指令都在SS上升沿开始执行。图2-8 ISD4004-08 SPI通信工作时序图对于ISD4004而言，器件延时TPUD(8kHz采样时间，约为25 ms)后才能开始操作；因此，用户发完上电指令后，必须等待TPUD.才能发出一条操作指令。下面是典型的操作。其语音的录放示意如图3-10所示。（1）发POWERUP命令；（2）等待TPUD(上电延时)；发地址值为00的SFTPLAY命令；（3）发PLAY命令；（4）器件会从00地址开始放音，当出现EOM时，立即中断，停止放音；（5）如果从00处录音，则按以下时序；（6）发POWER UP命令；（7）等待TPUD(上电延时

42、)；（8） 发POWER UP命令；（9） 等待2倍TPUD；（10）发地址值为00的SETREC命令；（11）发REC命令；（12）器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF时，录音停止。图2-9 ISD4004-08的录放时序图2.2.3 通信电路单片机STC89C52与ISD4004之间的通信采用串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式通信以交换信息。由于SPI系统总线一共只需三四位数据线和控制，即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/0器进行接口，因此，采用SPI总线接口可以简

43、化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性。由于51单片机不带SPI串行总线接口，可以使用软件来模拟SPI的操作，可以用P0口的P0.2P0.5口模拟包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于在SLCK的上升沿输入（接收）数据和下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P0.3的初始状态设置为1，而在允许接口后再置P0.3为0。这样，MCU在输出1位SCLK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至单片机的P0.2口，此后再置P0.2为1，使单片机从P0.4口，此后再置P0.2为1，是单片机从P1

44、.0口输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便完成。此后再置P0.2为0，模拟下一位数据的输入输出，以此循环8次，即可完成一次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCLK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应该串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P0.2,为1，以便外围接口芯片输出1位数据，之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据，从而完成1位数据的传送。如图2-10所示，51单片机与ISD4004连接电路。ISD4004MOSISCLKMISOSTC89C52/SSP0.1.P0.3P0.0P0.2图2-10 STC89C51与ISD

45、4004连接电路2.2.4 语音输入电路ISD4004 的输入端接的是一个模拟输入信号，通过一个驻极话筒的连接，从而达到录制声音的目的。驻极体电容话筒，是一种宽频高灵敏的话音传感器，体积小，价格低。驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜，当遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。柱极话筒输出的毫伏信号实测其范围约为2025mv，在ISD4004的输入电压范围内，所以可以把柱极话筒产生的语音信号直接接到ISD4004输入端。2.2.5 音频功放电路语音芯片ISD4004输出的电压只有毫伏级，难以驱

46、动扬声器发声。本系统采用采用LM386功率放大器，以提高扬声器的驱动能力。有时喇叭放音会出现失真现象，这是可能是运放的增益过高所致，需要在1脚和8脚之间加一个10uF电容或串联一个1K电阻进行调节。本系统的功率放大电路图如图2-11所示。图2-11功率放大电路东华理工大学毕业论文 软件设计第3章 软件设计3.1软件设计思路本次系统软件设计采用的是Keil uvision5编译软件， Keil C51是51系列兼容单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构上、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易懂。Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容

47、易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。因此本系统采用C51编程语言。在完成设计任务要求下，我对软件设计方面功能进行了扩展，使系统具备了进行多段录音和多段放音的功能，这里以四段录音为例进行设计。本系统选用的语音芯片是ISD4004-08 ，ISD4004-08录音时间为8分钟，即8*60=480S， 根据4004的资料，480秒可分为2400段，也就是1S的段数为5段，即从，00000005H的内容为1秒的时间。以下为四段60秒的录音地址：录音存放地址1 /60秒 0x0000-0x012c 录音存放地址2 /60秒 0x012d-0x0258录音存放地址3 /60秒 0x0259-0

48、x0384录音存放地址4 /60秒 0x0385-0x04B03.2设计流程图通过分析，整个系统的软件部主要分包括三个模块程序：按键扫描程序，录音程序，放音程序。系统开始时，主程序先对整个系统进行初始化，然后调用按键扫描程序进行按键扫描，并根据按键扫描读到的结果选择下一步的操作，是进行录音还是进行放音，主程序流程图如图3-1所示。本次设计按键采用的是查询方式设计独立键盘接口，直接将按键的一端接I/O口，另一端接全部接地，并且每个按键都接上拉电阻。编写程序定时查询接了按键的I/O口，进行按键的判断和处理。按键扫描程序的流程图如3-2所示。录音和放音子程序中，都先要进行两次上电，然后根据录音段位数

49、playcout或reccout确定要进行四段录音中那一段进行操作，确定了段位之后再发送指令进行操作，录音程序的流程图如图3-3所示，放音程序等待流程图如图3-4所示。开始初始化按键扫描录音、放音？调用录音子程序调用放音子程序结束录音放音图3-1 主程序流程图开始KEY=0?延时防抖While(!KEY)cout+, bit=1cout>4?cout=0结束NNNYYYY图3-2 按键扫描程序程序流程图录音结束？下一段？停止录音？上电根据reccout选择录音段位YN开始结束发送录音 命令声光提示进行录音YNNY放音结束？下一段？停止放音？上电根据playcout选择放音段位YN开始结束

50、发送放音 命令声光提示进行放音YNNY图3-3 录音程序流程图 图3-4 放音程序流程图东华理工大学毕业论文 焊接与调试第4章 焊接与调试4.1电路焊接这个系统的软件和硬件设计已经完成，在经过仿真调试成功后进行实物制作。下面是电路焊接方面要注意的一些问题，以及总结的总心得体会：（1）首先，要不要急于在电路板上连线，要把元器件的分装摆放好，以减少跳线的麻烦。其次，元器件摆放好之后，接下去就是布线，在遵循一定的规则下，手动布线更加合理美观。（2）焊接时要先焊接各芯片的电源线和地线，这样确保各芯片有正确的工作电压；同类的芯片应顺序焊接，在一片焊接并检查好之后，其他的同类芯片便可以参照第一片进行焊接。

51、这样便可大大节省时间，也可降低出错率。（3）制作完电路之后，先不要马上上电，要用万用表测量每一块电路，确保每一根走线是联通的。最后要确保电源的正负极性的是否连接在一起，这很重要，因为短接的可能造成电流过大，烧毁电路，需要硬件重新制版，这也是禁止发生的。（4）单片机的输出端口，如果有接限流电阻，这个端口尽量不要作为其他控制端口。这是因为电流流过电阻，会有一部分的电压落在电阻上，这样本来应该输出高电平，结果输出低电平，不能很好的控制其他器件。4.2问题处理下面是一些在编写的软件的过程中遇到的问题以及解决方案：if(key_rec=0) delayms(10);if(key_rec=0) .在上面的

52、程序中出现一个问题，当按键按下去之后会发现按键不是按一下就跳到下一段录音或者下一段放音，经常有不缺定性，查找资料得知是在按键扫描程序缺少一个等待按键释放的语句，加入语句 while(!key_rec)；这个问题就能成功解决。4.3功能测试 在这个设计完成后，要对系统的功能进行功能测试，下面是系统的按键功能测试的一些基本功能要求，如表4-1所示：表4-1 功能测试表测试内容说明1录音功能是否实现当按下key_rec键时，从指定地址开始录音2放音功能是否实现当按下key_play键时，从指定地址开始放音3停止按键是否正常当按下key_stop键时，停止当前的操作测试1：当按下key_rec键时，开

53、始录音，运行结果与预期相同，再一次按下之后会进入下一段录音。测试2：当按下key_play键时，开始放音，能够回放录音内容，再一次按下之后会进入下一段放音。测试3：若录音时按下key_stop键，则能停止录音功能；若放音时按下key_stop键，能够停止放音功能。东华理工大学毕业论文 结论第5章 结 论本次设计的系统是以STC89C52为核心控制器， ISD4004-08语音芯片为语音处理模块，基本实现了课题的要求。从此次系统设计中可看出，语音录放系统是以数字电路为基础，利用数字语音电路来实现语音信号的记录、存储、还原等。它具有体积小，使用方便，可灵活扩展等优点。通过此语音录放系统的设计可以看出，数字语音系统比模拟语音系统更方便，更灵活，它是以后语音系统发展的趋势。毕业设计过程中与同学之间互相讨论不同的课题是更是有所发现，数字化语音录放系统和其他系统一起兼顾开发其发展潜力更加大，如和汽车防盗系统一起能增加语音警报，和电子钟系统一起能增加语音报时功能。在当今人类社会高速时期，我们对语音处理技术掌握日益成熟，语音处理技术使用在生活中的方方面面，相信未来的发展中，数字化语音存储与回放系统一定能给我们的生活带来无数好处。东华理工大学毕业论文 致谢致 谢经过将近半年的刻苦努力，我的毕业论文终于取得了阶段性