课程论文 基于ISD4004语音芯片的实时播报系统设计.docx
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课程论文基于ISD4004语音芯片的实时播报系统设计
本科生课程设计论文
(2009)届
论文(设计)题目:
基于ISD4004语音芯片的实时播报系统设计
学院:
电子工程学院
专业:
电子信息工程
学号:
姓名:
指导老师姓名及职称:
时间:
2012年5月
基于ISD4004语音芯片的实时播报系统设计
XXX
(广西师范大学电子工程学院广西桂林541004)
【内容摘要】本文介绍了基于ISD4004的语音播报系统。
系统由STC89C52单片机为核心,控制整个系统的协调工作。
为了使用方便,本系统采用了两种的显示方式,数码管显示和上位机显示,数码管主要用于遥控调节时间时的显示,上位机的显示界面相当简洁,达到一目了然的效果。
语音播报核心芯片是ISD4004芯片,该芯片能够实现多电平保存,并且掉电不丢失等优点。
为了方便远距离调节时间,本系统使用红外遥控作为时间调节的工具。
同时为了让系统时间运行精度更高,该系统采用了PCF8563作为时钟芯片,该芯片运行比较稳定,而且功耗低。
单片机先将时钟芯片进行初始化,然后将读回来的数据显示在数码管上,用红外和按键都可以对数码管显示进行切换,并通过ISD4004进行播报。
同时为了实时监测周围环境的温度,本系统采用DS18B20芯片作为温度采集器。
【关键词】STC89C52语音芯片ISD4004温度传感器DS18B20PCF8563红外
【Abstract】ThisarticledescribesthevoicebroadcastsystembasedonISD4004.ThesystemconsistsofSTC89C52SeriesMCUasthecorecontrolsystem-widecoordination.Foreaseofuse,thesystemusestwokindsofdisplay,thenixietubeanduppermachine,nixietube,mainlyusedfortheremotecontroltoadjustthetimedisplay,thedisplayofthehostcomputerinterfaceisquitesimpletoachieveacleareffect.ThevoicebroadcastcorechipISD4004chip,thechipcanachievemulti-levelsave,andthepower-downisnotlost,etc..Inordertofacilitatelong-distanceregulationtime,thesystemusestheinfraredremotecontrolasatimeadjustmenttool.Meanwhile,inordertoallowthesystemtorunmoreaccurate,thesystemusesthePCF8563clockchip,thechiprunisrelativelystable,andlowpowerconsumption.Microcontrollerfirstclockchipisinitialized,andthenreadbackthedatadisplayedonthenixietubescreen,broadcastbytheISD4004.Meanwhile,inordertoreal-timemonitoringofambienttemperature,thesystemusesDS18B20chiptemperaturelogger.
【Keywords】STC89C52voicechipISD4000temperatureprobeDS18B20PCF8563
引言
语音即语言的声音,是语言符号系统的载体。
语言依靠语音实现它的社会功能。
语音是最直接地记录思维活动的符号体系,是语言交际工具的声音形式。
语音,是人类交流信息最自然、最有效、最方便的手段,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。
随着语音芯片的普及,语音播报被广泛应用于车站、医院等公共场所,并且面向家庭个人使用的方向发展。
语音播报系统准确、快速的性能将为人们提高更加便利的生活。
本系统采用STC89C52单片机为微处理器设计了语音播报系统。
该系统操作简单,方便,可随时调节时间,时间播报和温度播报。
总之,语音播报记事器各性能指标良好,在平时使用中,能够显示时间日期,并对人们的日常生活进行提醒。
这将在今后语音播报中起重要影响作用。
。
语音信号的研究可以从时域和频域两个方面进行。
其中时域的分析处理有两种方法:
一是进行语音信号分析,这属于小型处理的范畴,主要是通过信号的加减、时移、倍乘、卷积、求相关函数等来实现;另一种是生成和变换成各种调制信号,这属于非线性的范畴,主要是对信号平均累加器的动态范围进行压缩扩张,用门限方法对噪声的抑制。
对频域分析处理,即对信号的频率特性在频谱中加以分析研究,这拓展了信号分析的范围,是对不确定信号分析的主要方法。
红外线遥控是利用红外线传递控制信号,实现对控制对象的远距离控制的目的。
红外线遥控在家用电器、工业控制以及人们的日常生活等许多领域中已获得广泛应用。
由于红外线遥控安全、可靠、抗干扰能力强、无环境污染、结构简单,在一些特殊的场合应用红外线遥控将具有非常好的优点,例如流水线上的定向控制、大厅窗帘的控制等。
因而,红外线遥控是一种理想的遥控方式。
本设计可以利用红外线遥器对系统进行控制,实时播报当前时间、当前温度,也可以利用遥控器进行时间设置。
利用红外线传递控制信号,实现对控制对象的远距离控制的目的。
上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机,一般是PC机,屏幕上显示各种信号变化(液压,水位,温度等)。
下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机,一般是PLC/单片机之类的。
上位机使系统更直观,更人性化,本系统利用C++Builder做了一个上位机界面,将实时把当前时间,当前温度发送到上位机进行显示,从而使系统更人性化。
第一章绪论
1.1系统设计的目的
设计一个语音实时播报系统,利用单片机及外围芯片组合从而实现一些基本的功能,如时间显示、温度采集、语音报时等等。
还能将当前时间、当前温度发送到上位机进行系显示,是系统更人性化。
当然,比较完善的语音系统已经应用在了生活中的方方面面,比如说通讯设备、智能仪表、治安报亭、语音报站、报数报价、语音讲解、语音记录、语音复读、教学仪器、智能玩具、电子礼品等领域。
因为系统具有较强的抗干扰能力,便于安装和扩展。
1.2系统设计的意义
语音不仅是人与人之间进行信息交流最直接、最方便和最有效的工具,而且也是人与机器之间进行通信的重要工具。
1874年电话的发展可以认为是现代处理的开端。
电话的理论基础是尽可能不失真地传送语音波形。
这种“波形原则”几乎统治了其后整整一百年。
1939年产生了一种概念全新的语音处理技术,这就是著名的通道声码器技术。
声码器的理论基础是认为语音是由人的声带振动产生的生源(载波)受到运动的声道的控制(调制)而产生的,因而将载波和调制两部分分开来进行传送便可极大地压缩频带。
这一概念已经包含着其后出现的语音参数模型的基本思想。
40年代后期,研制成功了能够把语音信号的时变谱用语音表示出来的仪器——语音仪,为语音信号分析提供了一个有力的工具。
对于语音信号,数字处理比模拟处理具有更多的优点。
这是因为:
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,特别是语音数字处理的理论和技术,具有特别重要的作用。
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。
随着时代的发展与进步,人们的生活节奏越来越快,竞争也日趋激烈。
因此,合理的安排时间,遵守时间,准时上课、上班、赴约、到会、洽谈等是每个人的愿望。
但是,往往稍一疏忽又无人提醒,造成迟到或其他事件,甚至产生了严重的后果和经济损失。
此时,若有一台智能语音播报系统,将各种约定时间记录下来,按时进行语音提醒,就可以避免迟到、缺席事件的产生。
也会给我们的工作和学习带来极大的方便。
1.3系统设计的基本要求
(1)利用单片机控制数码显示,显示当前温度,当前时间,并且可以用红外遥控切换显示;
(2)利用ISD4004专用语音芯片实现语音录放功能,把要用到的语音存放到芯片中;
(3)将当前采集到的温度和时间用语音方式播报;
(4)可用红外遥控器设定当前时间和按键对系统进行相关设定操作;
(5)可将温度、时钟等参数值通过串口发送到上位机进行显示。
1.4系统设计的实现方法
设计硬件原理图,包括单片机最小系统、语音模块、DSB20模块、PCF8563模块、数码管显示、红外模块、音频小功率放大器和ISD4004的连接。
编写单片机应用程序:
语音录放程序、时钟、温度、显示、串口通信、红外遥控等等,再将各个模块整合,组成一个完整的系统程序,实现要求完成的功能。
第二章系统设计用到的开发环境介绍
2.1Protel和AltiumDesigner6软件介绍
Protel是Protel公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用Protel。
早期的Protel主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的Protel已发展到Protel99(网络上可下载到它的测试板),是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内Protel软件较易买到,有关Protel软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础。
想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载Protel99的试用版,可以在INTERNET上
2005年年底,Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6.0。
AltiumDesigner6.0,它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本,也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。
AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件(如FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件的开发功能整合在一起的产品,一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案,具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。
这款最新高端版本AltiumDesigner除了全面继承包括99SE,Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外,还增加了许多改进和很多高端功能。
AltiumDesigner拓宽了板级设计的传统界限,全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能,从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。
2.2STC89C52单片机性能介绍
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
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4KBEEPROM,MAX810复位电路,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。
另外STC89X52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。
2.3C++Builder6.0开发软件介绍
C++Builder是由Borland公司推出的一款可视化集成开发工具。
C++Builder具有快速的可视化开发环境:
只要简单地把控件(Component)拖到窗体(Form)上,定义一下它的属性,设置一下它的外观,就可以快速地建立应用程序界面;C++Builder内置了100多个完全封装了Windows公用特性且具有完全可扩展性(包括全面支持ActiveX控件)的可重用控件;C++Builder具有一个专业C++开发环境所能提供的全部功能:
快速、高效、灵活的编译器优化,逐步连接,CPU透视,命令行工具等。
它实现了可视化的编程环境和功能强大的编程语言(C++)的完美结合。
2.4keil开发软件介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的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、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51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,容易理解。
第三章系统总体设计
3.1系统硬件电路设计
3.1.1系统硬件电路总设计图
本设计的语音录放系统所采用的是录放时间为八至十六分钟的ISD4004语音芯片。
该语音录放电路主要由单片机STC89C52,ISD4004构成,同时加上18B20模块、PCF8563模块、红外模块等。
由单片机STC89C52控制各个模块协调工作。
图3.1系统设计总的原理图
3.1.2STC89C52单片机核心部分
单片机是整个设计系统的核心部分,控制着整个系统的协调工作。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52特性如下:
(1)6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051;
(2)工作电压:
5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机);
(3)工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz;
(4)用户应用程序空间为8K字节;
(5)片上集成512字节RAM;
(6)通用I/O口(32个),复位后为:
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻;
(7)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片;
(8)具有EEPROM功能;
(9)具有看门狗功能;
(10)共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2;
(11)外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒;
(12)通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART;
(13)工作温度范围:
-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级),PDIP封装。
图3.2最小系统原理图
3.1.3PCF8563模块
PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片,它提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和掉电检测器,所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。
最大总线速度为400Kbits/s,每次读写数据后,内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。
它可应用于移动电话、便携仪器、电池电源产品、传真机等之中。
PCF8563的特性如下:
(1)低工作电流:
典型值为0.25μA(VDD=3.0V,Tamb=25℃时);
(2)世纪标志;
(3)大工作电压范围:
1.0~5.5;
(4)低休眠电流;典型值为0.25μA(VDD=3.0V,Tamb=25℃);
(5)400KHz的I2C总线接口(VDD=1.8~5.5V时);
(6)可编程时钟输出频率为:
32.768KHz,1024Hz,32Hz,1Hz;
(7)报警和定时器,掉电检测器,内部集成的振荡器电容;
(8)片内电源复位功能,开漏中断引脚;
(9)I2C总线从地址,读:
0A3H,写:
0A2H。
图3.3PCF8563接线图
3.1.4DS18B20模块
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点,在实际应用中取得了良好的测温效果。
图3.4DS18B20模块
3.1.5ISD4004语音模块
ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。
芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。
芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入。
芯片采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,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”。
采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。
图3.5ISD4004引脚图
其引脚功能如下所述:
(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(ANAIN+):
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,耦合电容和本端的3KΩ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(ANAIN-):
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5KΩ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。
(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未尾。
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218.75μs是高电平,31.25μs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。
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。
(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1mF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。
1mF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。
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,因此对ISD4004而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。
协议的具体内容为:
(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,在两条指令之间则保持为高电平。
(3)数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。
(4)SS变低,输入指令和地址后,ISD才能开始录放操作。
(5)指令格式是(8位控制码)加(16位地址码
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