基于单片机数码录音与播放系统毕业设计.docx
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基于单片机数码录音与播放系统毕业设计
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。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
【关键词】凌阳单片机W29C040储存器数码录音与播放
ABSTRACT
Withtheincreasingprosperityoftheconsumers’electronicsandthevoiceprocessingtechnologyinthecontinuousapplicationoftheindustrial,transportation,communications,thedemandofproductswhicharehavingthefunctionofdigitalrecordingandplaybackisconstantlyincreasing.Inordertobettersatisfypeople’sdailylifeandwork,IchooseSunplusMCUasthecore,usingamicrophonetoreceivevoicesignalsanduseamemorytostorethevoiceinformationrecordingandplayback.Thesystembasedonthefeatureappliesinthelongerrecordingoccasions.suchastheself-recordingvoiceprompts,thetemperaturesensingstoreplaybacksystemsorotherprograms.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
ThedesignofthehardwarecircuitincludesaMICrecordingcircuit,DACplaybackcircuit,keycircuit,theresetandclockcircuit,theexternalW29C040storageexpansioncircuit.Thevoicesignalpassingthroughthebuildofcapacitors,resistors,processinginthepreamplifierandtheinternalintegrationoftheautomaticgain(AGC)usesastherecordingpart;AndDACplaybackpart,goesthroughintegratedamplifierSPY0030A,thenconnectswithaspeaker,realizesthevoicerecordingofthefunction.Thechipsizeissmall,highlyintegrated,extensible,andstronginterrupthandling.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
【Keywords】SunplusW29C040storagedigitalrecordingandplayback酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
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尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
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彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
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謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
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厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
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茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
涉密论文按学校规定处理。
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前言
随着科技不断发展、集成电路在社会不断应用,语音处理在工业、通信、交通当中越来越受到应用。
在生活当中,更是应用的比较广泛,比如,人们使用的手机、电脑等,其对语音录放音要求比较多。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
以前,人们使用磁带来记录、存储、还原模拟语音信号,这种方法有一段历史,针对这样的具有语音录放音的电子产品很多,但是它们体积大成为了它们的弱点。
而单片机语音录放音系统就是为改变以前录放音存在缺点儿设计的,它以数字电路为基础,利用数字语音电路来实现语音的录放音功能,并且它与微处理器联合使用,具有体积小、易扩展的特点。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
目前,数字录放音系统,只是简单地对数据采集、储存和播放,但是过多的语音数据会对设备储存设备的需求。
而在未来,采取了对语音进行编码,使其减少了对储存空间的需求。
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本次设计目的是设计一套具有数码录音与播放的单片机系统。
因此,选用凌阳16位单片机SPCE061A为核心,通过外部储存器W29C040连接来实现。
系统的硬件电路图主要包括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。
设计还包括其他硬件电路图和完整的软件设计方案和最终方法。
通过上述的软硬件的设计,可以录放音2-3分钟。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
第一章单片机的数码录音与播放的概述
随着人们对语音处理的技术不断研究,有着录放音功能的电子产品越来越受到人们的喜爱。
从之前,使用磁带来处理录放音,到现在微处理器加上语音芯片的技术的变化,使得语音更加完美。
国内外对其的研究也在不断的变化着。
它的技术的成熟,预示着未来语音的功能更强大。
因而,基于单片机的数码录音与播放系统的研究非常的具有意义。
选用凌阳单片机SPCE061A和外部储存器W29C040来实现其功能。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
第一节录放音的背景和意义
随着科技技术和经济的不断发展,在很多场合,都需要我们对语音进行录制和播放,以便以后的使用。
在铁路、金融、公安、学校等部门对语音的需求量也在逐渐地增加。
把语音录放音的技术应用在办公自动化、安保系统、工业检测系统、应答系统、多媒体查询系统、生活娱乐或者家用电气产品当中,这些产品都具备语音输入输出功能,并且能在合适的时候用语音实时播报功能对系统的警告信息、工作状态、提示信息进行相关的说明,提高了通信能力、减少了对错误处理的遗漏、提高了人们生活的质量,给人们带来了方便。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
在研究录放音的道路上,以前的人们使用磁带来记录和播放声音。
用磁带记录、存储、还原模拟语音信号的方法已有很长时间的历史,基于这一方法的电子产品也到处可见,且这些产品的体积都很大,在使用的范围上受到了一定的限制。
而数字录音系统则是将现场的语音模拟信号转变为离散的的数字信号,把数字信息储存在存储介质当中,是数字语音处理技术当中的一种。
采用数字录音技术,具有录音时间长、保存时间久、占用空间小、效率高等特点。
单片机语音录放系统就是采用数字电路为基础,利用数字语音电路来实现语音信号的记录、存储、还原等任务。
单片机以其高可靠性、高性价比、低电压、低功耗等优点得到迅速发展和大范围推广,广泛应用于数据采集系统、工业控制系统、智能化仪器仪表及通讯设备、日常电子类消费类产品、玩具等,利用单片机实现语音录放有很大的研究和开发价值。
语音集成电路与微处理器相结合,具有体积小、扩展方便等特点,发展前景广。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
第二节录放音的国内外研究
语音是人类进行交流、沟通的工具,它的重要性显而易见。
随着IT行业的不断发展,现在生活当中,我们遇到各种具有录放功能的语音设备。
人们对于语音的研究从未间断。
对于一般的数字语音录放系统,采取简单的采集、存储和播放;可以较大程度的保证其的保真度,但是对于比较复杂的语音资源,则需要大型语音设备,它们则采用大容量的硬盘,对于小型设备,由于容量有限,则不一样。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
1877年,大发明家爱迪生发明出世界上第一部机械式留声机才初次得以实现。
实现了人类首次具有录放功能的设备完成以来,语音信号处理技术研究的突飞猛进,为数字语音录放系统提供了新的发展空间。
对语音的采集、处理从以前简单的波形编码转变为进行参数编码、压缩,从而大大减少了存储数据。
举例来说,原始语音一般都是采用8KHz抽样,16bits的线性PCM编码进行采集,在一般的系统中就直接将采集后的数据进行存储;而如果采用参数编码对采集后的数据进行压缩,存储量则可以大大减少,当需要恢复语音时,可利用编码后的参数进行合成,可以得到质量令人满意的结果。
目前,我国也在研发各种语音芯片,有的语音芯片则是集成在其他芯片功能,具有简单的语音处理能力,比如凌阳单片机SPCE061A集成了语音的一些简单功能,所以它在处理语音数据方面存在它的优势。
在国外,比较典型的语音芯片是美国生产的ISD语音芯片,采用模拟数据在半导体存储器直接储存的技术,即将模拟数据语音直接写入单个存储单元,不需要经过A/D、D/A转化,很真实的重现语音真实声音,避免了将声音采集因量化和压缩失真的现象。
并且,芯片功能也在加强。
在国内外,语音技术的应用已相当成熟地进入日用产品和工业化产品的许多领域。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
第三节录放音的发展前景
对于那些令人眼花缭乱的五花八门的指示灯、显示屏和开关、按键操作相比,语音无疑提供了更加直接有效和人性化得人机交互手段。
语音作为人机对话的最高手段,使人机对话向人——“人”对话的终极目标发展,它在形式上最终填补人机对话的这一科技空白。
语音的对话方式可使人机界面从数字领域进入到模糊领域。
诚然,距离真正意义上的完全语音模糊参数的人机对话模式的实现,这中间还有一些重大的技术领域需要突破,但是,我们可以断言,随着语音识别、语音合成、信息综合、模糊控制、网络通信等一系列技术的攻克与发展,人类这一孜孜以求的愿望的实现,一定为期不会太远了,其前途是一片光明灿烂和无限美妙的。
尽管语音合成集成电路发展历史比较短,但其成长速度之迅猛,电路体系之庞大,应用范围之广泛,发展前景之远大,却是任何一个集成电路系列产品无法与其相提并论的。
目前,语音集成电路已从过去单一的只读型语音电路,完成了向多功能、低成本、微型化、集约式、智能型语音集成电路的重大战略性变革。
语音技术及众多产品,将成为自然、方便、理想的人机交互方式提供强有力的技术支撑。
随着微电子技术突飞猛进的高速发展,语音合成技术及语音集成电路领域出现了重大变革,产生了许多新技术、新器件和新产品,开拓了更广泛的应用领域,并朝着更大容量、更优音质、更高智能、更具灵活性的方向发展。
在众多的语音集成电路器件产品中,凌阳单片机SPCE061A的语音功能则满足上述特点。
榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。
在这套基于单片机的数码录音与播放系统当中,集成度比较高,扩展性比较强,应用的领域比较广。
第四节录放音的设计思想
基于单片机的录放音的设计,是以单片机为核心,如果单片机在语音处理方面没有优势,则需要选择单独的语音芯片,如美国研发IDS系列的语音芯片,当然也可以选择在语音处理方面有优势的凌阳单片机,就不需要语音芯片。
以凌阳单片机为核心,通过外部储存器W29C040来扩展其存储空间,实现数码录音和播放功能。
邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
在设计MIC录音电路部分时,先对其原理进行分析,录音部分先采集语音资源通过MIC电路的把语音信号转换成电信号,然后就以一定的速率采集数据,把模拟数据信息变成数字信号,即是AD过程,然后把输入的信号送至SPCE0611A单片机的前置放大器,经过前置放大器的数据信息到了内部增益控制电路,能自动跟踪前置放大器的音频信号电平,并能根据跟踪的结果自动的进行调节,达到平衡的状态。
考虑到凌阳单片机内部储存空间有限,不可能把这些数据信息储存在芯片内部,这时需要选用一款外部存储器来存储这些数据信息,使其具有更长的录音时间,最后选用外部存储器W29C040。
嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
而在设计DAC放音部分时,考虑到语音资源储存到储存器当中,需要把语音资源从储存器W29C040取出来送进解压缩队列,对数据进行解码,在定时中断的情况下进行数模转换,为了均匀的采集数据,录放音过程中都需要用到定时器进行均匀采集数据,模拟的语音信息,在经过滤波、放大,通过扬声器进行放音。
该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
在程序的设计当中,对录音部分要使用汇编语言编写程序,在放音部分则使用C语言编写,整体的过程当中需要用到凌阳单片机的库函数、相应的应用程序接口API来编写程序。
劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。
第五节本章小结
本章先对录放音的背景和意义进行论述,从录放音的储存介质、体积、储存容量大小等方面进行了论述,说明录放音发展的背景,从录放音的应用领域论述了录放音的意义;然后又对录放音的国内外现状进行说明,先从总体上的发展提出国内外录放音的研究情况,然后再分别从国内和国外方面说明;之后再从发展前景方向进行论述,从录放音功能和技术的研究方向进行论述;最后介绍了录放音的设计思想,从硬件和软件两方面进行叙述,硬件方面又从MIC录音部分介绍和DAC放音部分介绍,软件方面从编写程序采用的方法进行了说明。
臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。
第二章单片机的录放音方案选择
随着集成电路不断的发展和半导体技术工艺的提高,单片机的功能也在不断的加强,社会对它的需求量也在不断的增加。
单片机的种类也有着不同,因而需要选择用何种单片机来实现录放音的功能。
鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。
第一节单片机的发展
在现代社会的生产活动,以及人们的日常生活中,单片机有着广泛的应用。
其体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点,显示出非常明显的优势和广泛的应用前景。
单片机技术已成为现代电子技术领域非常重要的技术之一。
所谓单片机(SingleChipMicrocomputer或者OneChipMicrocomputer)是利用半导体集成技术,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集成在一个芯片上,具备独立指令系统的智能器件,形成具有完整计算机功能的大规模集成电路。
即在芯片上实现了一台微型计算机的基本功能。
对于简单控制对象,只需利用单片机作为控制中心,不需要增加外部设备就能实现;而对于复杂的控制对象,也只需在单片机的基础上,扩上一些器件也能完成。
穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。
单片机是随着计算机、单板机的发展及其在智能测控系统中而发展起来的。
运算处理能力的提高、数据传输能力的提高、处理指令速度的提高使得单片机处理能力得到了提高;储存容量的加大、程序的加密使得存储器更加优化;并行口的驱动能力的增加、接口编程能力的增加改进了接口;采用串行总线结构和集成外围电路使得结构得到简化;再加上体积也在不断减小和功耗的不断降低。
综上,单片机的性能在不断地提高和扩展。
与此同时,单片机的市场需求量也在日新月异的增加。
隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。
以此同时,进入后PC时代以来,基于嵌入式系统主要部件的单片机得到广泛的使用。
随着微电子技术的不断发展,电子系统设计已进入片上系统(soc,systemonchip)时代,单片机的功能越来越强大。
凌阳公司推出的μ’nSP™单片机就是基于SOC的新型数/模混合的系统芯片。
该芯片顺应了单片机发展的趋势,它的系统芯片具有集成度高,功能全,数/模混合,易扩展等特点。
浹繢腻叢着駕骠構砀湊。
第二节方案选择
随着大规模的集成电路和工业技术不断革新,单片机向片上系统(SOC)方向发展,片内不断扩展外围电路功能,既有数字逻辑电路部分,也有数据采集和控制系统常用模拟部件,实现了应用系统在片内集成。
凌阳科技推出的μ’nSP™单片机就是基于SOC的新型数/模混合的系统芯片。
以μ’nSP™CPU为内核,其他功能模块根据应用需要为可选结构。
采用积木式结构,对不同对象和不同领域,形成不同系统,适应不同场合,会派生更低成本和更强的功能的产品,这也是凌阳16位单片机基于SOC的结构特点。
凌阳16位单片机提供了某些特殊指令,为其应用添加了DSP功能,并且在语音处理能力方面有着它的优势。
鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。
①80C51方案:
51单片机现在是我国目前应用比较多的单片机,我们学习的课程也是选用51单片机,它在功能上也在不断的提高。
但是,51单片机在DSP处理能力方面比较弱,处理复杂数据的能力的有待提高,再加上51单片机集成化程度不高。
惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。
②DSP方案:
在数字信号处理方面,DSP的身影随处可见。
对研究对象的数据采集,数据处理,数据存储,DSP可以轻松地完成这些基本功能。
强大的数据处理能力的使得DSP是在在现在工业或者生活当中应用的比较多。
但是,与本次毕业设计要求不符。
③凌阳方案:
凌阳单片机正是SOC发展的产物,它具备了集成度高,凌阳单片机内部集成了2路DA转换和8路的AD转换,而且AD转换当中有一路是专门用于声音的数/模转换,该芯片具有DSP处理能力,并且凌阳单片机在语音处理能力方面存在优势。
W29C040的储存器是台湾华邦公司生产的一款FLASH储存芯片,利用它储存语音数据资源,可以播放几分钟的声音。
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。
因此,我认为,凌阳是51和DSP之间的良好结合。
贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。
通过上面的比较,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。
嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。
第三节本章小结
本章先对单片机的定义、发展、特点三方面对单片机进行了概述,阐明了与设计相符的单片机的情况,并且在对单片机特点进行叙述的时候,也把本次设计选用的凌阳单片机给提出来了。
最后,通过51、DSP、凌阳单片机它们在功能优缺点的对比,选择了本次设计选用的芯片和方案。
薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。
第三章单片机的录放音硬件设计现
针对选择的方案,设计一套具有录放音功能的系统,选用的是凌阳单片机,它具有体积小、集成度高、易扩展等特点。
为了实现录放音的功能,需要对其进行硬件的设计。
齡践砚语蜗铸转絹攤濼。
第一节SPCE061A单片机概述
一、SPCE061A单片机介绍
随着集成功能逐渐成熟,单片机逐渐地由单纯的控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理(DSP)等领域。
凌阳单片机SPCE061A就是基于这样生产出来的。
SPCE061A是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳公司推出的16位微处理器。
凌阳公司推出的μ’nSP™单片机具有体积小、集成度高、可靠性好、易于扩展、中断处理能力强等特点,并且把各个功能部件模块化地集成在一个芯片里,内部采用总线结构,减少了各功能部件之间的连线,提高了可靠性和抗干扰能力。
其内嵌32K字的FLASH存储器,较高的处理能力使得μ’nSP™单片机能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号,而且以μ’nSP™为核心的SPCE061A单片机适合数字语音处理应用领域。
绅薮疮颧訝标販繯轅赛。
二、SPCE061A单片机性能
SPCE061A单片机主要性能如下:
(1)较宽的电源电压范围:
2.6~5.5V
(2)系统时钟范围广:
0.32~49.152MHZ
(3)内置2K字SRAM和32K字FLASH
(4)具有可编程音频处理功能
(5)两个16位可编程T/C
(6)两路10位数/模转换(DAC)输出通道
(7)7通道10位电压模/数转换器(ADC)和单通道声音模/数转换器
(8)语音模/数转换器输入通道,内置MIC麦克风放大器和自动增益控制(AGC)电路
(9)内置在线仿真ICE接口
(10)中断处理能力强
三、SPCE061A单片机模块结构
SPCE061A单片机内部结构如图2.1和图2.2所示。
主要的模块功能有数/模转换(DAC)、模/数转换器(ADC)、定时器/计数器、WATCHDOG、并行输入输出I/O、设备串行口SIO、定时器/计数器T/C(脉宽调制输出PWM)、低电压检测LVD、异步串行通信口等。
饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。
T/C
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图2.1SPCE061A模块结构图
图2.2SPCE061A的结构图
第二节μ’nSP™内核结构
SPCE061A单片机采用凌阳u’nSPTM内核,u’nSPTM内核主要由总线、算术逻辑运算单元、寄存器组、中断系统及堆栈等部分组成。
u’nSPTM算术逻辑运算单元ALU在运算能力方面具有特色,能够完成16位基本的算术逻辑运算和带移位操作的算术逻辑运算以及应用于数字信号处理的16位乘法运算和内积运算等;而寄存器组是由8个16位寄存器组成,有专业寄存器和通用寄存器之分。
专用包括SP、BP、SR、PC,而通用的则包括R1~R4。
鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。
第三节系统时钟和复位电路
一、时钟电路
所谓振荡:
单片机内部具有选频放大器和振荡电路,如果外接晶体从输入端输入振荡信号,单片机就开始振荡。
从输入端输入和输出端引到芯片外部构成时钟电路。
选用频率32768Hz的晶振,两端连接分别连接20p的接地电容,并且接到单片机OSCO、OSCI两个引脚上。
时钟电路如图2.3所示:
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图
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