錄音器 光電語(yǔ)音儲(chǔ)存回放系統(tǒng)

1、光電語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放閩江學(xué)院項(xiàng)目論文(設(shè)計(jì))題 目 光電語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放 學(xué)生姓名 葉清亮 學(xué) 號(hào) 120101002133 系 別 物理學(xué)與電子信息工程系年 級(jí) 10 專(zhuān) 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師 周贏武 完成日期 2013-4-28 光電語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為微處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制以及數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)采用ISD4004語(yǔ)音芯片，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的錄與放，錄音時(shí)長(zhǎng)可達(dá)10分鐘，并通過(guò)按鍵、1602液晶顯示等接口電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。同時(shí)，外圍電路輔以帶通濾波器和增益、功率放大等電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大，以保證信息的高質(zhì)量存儲(chǔ)與回放。此外本系統(tǒng)還設(shè)有以O(shè)PT101光電

2、芯片為中心的光電轉(zhuǎn)換模塊，可以實(shí)現(xiàn)電-光-電的調(diào)制與轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：ISD4004 AT89C2051單片機(jī) 語(yǔ)音錄放 光電轉(zhuǎn)換目 錄摘 要I目 錄I引 言1第1章緒論21.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義21.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的41.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程5第2章 單片機(jī)控制技術(shù)及ISD400432.1 STC89C52單片機(jī)性能和引腳介紹32.1.1概述32.1.2 STC89C52主要性能參數(shù)42.1.3引腳功能說(shuō)明42.2 KEIL開(kāi)發(fā)環(huán)境和建立工程62.2.1 KEIL簡(jiǎn)介62.2.2 KEIL工程建立72.3 ISD4004介紹82.3.1性能簡(jiǎn)述和引腳圖82.3.2引腳描述92.4 SPI(串行外設(shè)接口)

3、102.4.1協(xié)議介紹102.4.2 信息快進(jìn)112.4.3上電順序122.4.4 SPI端口的控制位132.4.5 SPI控制寄存器142.4.6時(shí)序15第3章 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)163.1 拾音器163.2放大器的設(shè)置173.2.1 前置增益放大173.2.2 功率放大器183.3 濾波器設(shè)計(jì)193.3.1 有源濾波器設(shè)計(jì)20第4章 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)214.1 程序流程圖214.2 總程序21引 言語(yǔ)音，作為一種典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，是人類(lèi)交流信息最自然、最有效、最方便的手段，在人類(lèi)文明和社會(huì)進(jìn)步中起著重要的作用。隨著電子通信業(yè)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始可以從數(shù)字信號(hào)處理的角度了解語(yǔ)

4、音。語(yǔ)音信號(hào)處理作為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，已經(jīng)有很長(zhǎng)的研究歷史。但是它的快速發(fā)展可以說(shuō)是從1940年前后Dudley的聲碼器和Potter等人的可見(jiàn)語(yǔ)音開(kāi)始的；20世紀(jì)60年代中期形成的一系列數(shù)字信號(hào)處理方法和技術(shù)，如數(shù)字濾波器、快速傅里葉變換等成為語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字處理的理論和技術(shù)基礎(chǔ)；到了80年代，由于矢量量化、隱馬爾克夫模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相繼被應(yīng)用于語(yǔ)音信號(hào)處理，并經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)與完善，使得語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)產(chǎn)生了突破性的進(jìn)展。進(jìn)入90年代以來(lái)，語(yǔ)音信號(hào)處理在實(shí)用化方面取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。一方面，對(duì)聲音語(yǔ)音學(xué)統(tǒng)計(jì)模型的研究逐漸深入，魯棒的語(yǔ)音識(shí)別、基于語(yǔ)音段的建模方法及隱馬爾可夫模型與人工神經(jīng)

5、網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合成為研究的熱點(diǎn)。另一方面，為了語(yǔ)音識(shí)別使用化的需要，講著自適應(yīng)、聽(tīng)覺(jué)模型、快速搜索識(shí)別算法以及進(jìn)一步的語(yǔ)言模型的研究等課題備受關(guān)注。第1章緒論1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義語(yǔ)音不僅是人與人之間進(jìn)行信息交流最直接、最方便和最有效的工具，而且也是人與機(jī)器之間進(jìn)行通信的重要工具。1874年電話(huà)的發(fā)展可以認(rèn)為是現(xiàn)代處理的開(kāi)端。電話(huà)的理論基礎(chǔ)是盡可能不失真地傳送語(yǔ)音波形。這種“波形原則”幾乎統(tǒng)治了其后整整一百年。1939年產(chǎn)生了一種概念全新的語(yǔ)音處理技術(shù)，這就是著名的通道聲碼器技術(shù)。聲碼器的理論基礎(chǔ)是認(rèn)為語(yǔ)音是由人的聲帶振動(dòng)產(chǎn)生的生源（載波）受到運(yùn)動(dòng)的聲道的控制（調(diào)制）而產(chǎn)生的，因而將載波和調(diào)制兩部分分

6、開(kāi)來(lái)進(jìn)行傳送便可極大地壓縮頻帶。這一概念已經(jīng)包含著其后出現(xiàn)的語(yǔ)音參數(shù)模型的基本思想。40年代后期，研制成功了能夠把語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)變譜用語(yǔ)音表示出來(lái)的儀器語(yǔ)音儀，為語(yǔ)音信號(hào)分析提供了一個(gè)有力的工具。對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，數(shù)字處理比模擬處理具有更多的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)椋旱谝唬瑪?shù)字技術(shù)能夠完成許多很復(fù)雜的信號(hào)處理工作；第二，通過(guò)語(yǔ)音進(jìn)行交換的信息本質(zhì)上具有離散的性質(zhì)，因?yàn)檎Z(yǔ)音可以看成是因素的組合，這就特別適合于數(shù)字處理；第三，數(shù)字系統(tǒng)具有高可靠性、價(jià)廉、緊湊、快速等特點(diǎn)，很容易完成實(shí)時(shí)處理任務(wù)；第四，數(shù)字語(yǔ)音適合于在強(qiáng)干擾通信中傳輸，易于和數(shù)據(jù)一起在通信網(wǎng)中傳輸，也易于進(jìn)行加密傳輸。因此數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)處理是主要研究

7、方向。無(wú)論是人與人之間還是人與計(jì)算機(jī)之間的語(yǔ)音通信，語(yǔ)音處理，特別是語(yǔ)音數(shù)字處理的理論和技術(shù)，具有特別重要的作用。單片機(jī)的應(yīng)用無(wú)處不在，利用單片機(jī)控制語(yǔ)音的錄放也多不勝舉。用單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片，再把單片機(jī)和語(yǔ)音芯片嵌入到通信設(shè)備，智能儀器，治安報(bào)警及兒童玩具中，就可做成語(yǔ)音播放的機(jī)器，應(yīng)用范圍廣泛。用單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片設(shè)計(jì)語(yǔ)音錄放系統(tǒng),該系統(tǒng)功能多，錄放音音質(zhì)好，外圍電路簡(jiǎn)單。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)一個(gè)語(yǔ)音錄放系統(tǒng)，可以應(yīng)用于通訊設(shè)備、智能儀表、治安報(bào)亭、語(yǔ)音報(bào)站、報(bào)數(shù)報(bào)價(jià)、語(yǔ)音講解、語(yǔ)音記錄、語(yǔ)音復(fù)讀、教學(xué)儀器、智能玩具、電子禮品等領(lǐng)域。要求放音質(zhì)量好，用液晶顯示工作狀態(tài)。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗

8、干擾能力，便于安裝和擴(kuò)展。1.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)硬件原理圖,制作焊接各模塊,包括話(huà)筒放大電路,電光電轉(zhuǎn)換電路，帶通濾波器、ISD4004模塊、音頻小功率放大器和單片機(jī)最小系統(tǒng)及液晶顯示模塊。.編寫(xiě)軟件程序,利用單片機(jī)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)錄、放、停等操作。 第2章 單片機(jī)控制技術(shù)及ISD40042.1 STC89C52單片機(jī)性能和引腳介紹STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程

9、Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為

10、止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。 實(shí)物圖單片機(jī)引腳圖 單片機(jī)參數(shù)1. 增強(qiáng)型8051 單片機(jī)，6 時(shí)鐘/機(jī)器周期和12 時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051.22. 工作電壓：5.5V3.3V（5V 單片機(jī)）/3.8V2.0V（3V 單片機(jī)）3. 工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051 的080MHz，實(shí)際工作 頻率可達(dá)48MHz4. 用戶(hù)應(yīng)用程序空間為8K 字節(jié)5. 片上集成512 字節(jié)RAM6. 通用I/O 口（32 個(gè)），復(fù)位后為：P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開(kāi)路輸出，作為總線(xiàn)擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/

11、O 口用時(shí)，需加上拉電阻。7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú) 需專(zhuān)用仿真器，可通過(guò)串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶(hù)程 序，數(shù)秒即可完成一片8. 具有EEPROM 功能9. 具有看門(mén)狗功能10. 共3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T211. 外部中斷4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒12. 通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART13. 工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級(jí)）/075（商業(yè)級(jí)）14. PDIP 封裝2.2 keil開(kāi)發(fā)環(huán)境

12、和建立工程2.2.1 keil簡(jiǎn)介Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。2.2.2 Keil工程建立啟動(dòng)uVison3，點(diǎn)擊“File New”在工程管理器的右側(cè)打開(kāi)一個(gè)新的文件輸入窗口，在這個(gè)窗口里輸入一個(gè)源程序，注意大小寫(xiě)及每

13、行后的分號(hào)，不要錯(cuò)輸及漏輸。輸入完畢之后，選擇“File Save”，給這個(gè)文件取名保存，取名字的時(shí)候必須要加上擴(kuò)展名，一般C語(yǔ)言程序均以“.C”為擴(kuò)展名，這里將其命名為main.c，保存完畢后可以將該文件關(guān)閉。Keil不能直接對(duì)單個(gè)的C語(yǔ)言源程序進(jìn)行處理，還必須選擇單片機(jī)型號(hào)；確定編譯、匯編、連接的參數(shù)；指定調(diào)試的方式；而且一些項(xiàng)目中往往有多個(gè)文件，為管理和使用方便，Keil使用工程（Project）這一概念，將這些參數(shù)設(shè)置和所需的所有文件都加在一個(gè)工程中，只能對(duì)工程而不能對(duì)單一的源程序進(jìn)行編譯和連接等操作。 點(diǎn)擊“Project->New Project”菜單，出現(xiàn)對(duì)話(huà)框，

14、要求給將要建立的工程起一個(gè)名字，這里起名為main，不需要輸入擴(kuò)展名。點(diǎn)擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個(gè)對(duì)話(huà)框，如圖2.2所示，這個(gè)對(duì)話(huà)框要求選擇目標(biāo)CPU（即你所用芯片的型號(hào)），Keil支持的CPU很多，這里選擇Atmel公司的89S52芯片。點(diǎn)擊ATMEL前面的“+”號(hào)，展開(kāi)該層，點(diǎn)擊其中的89S52，然后再點(diǎn)擊“確定”按鈕，回到主窗口，此時(shí)，在工程窗口的文件頁(yè)中，出現(xiàn)了“Target 1”，前面有“+”號(hào)，點(diǎn)擊“+”號(hào)展開(kāi)，可以看到下一層的“Source Group1”，這時(shí)的工程還是一個(gè)空的工程，里面什么文件也沒(méi)有，需要手動(dòng)把剛才編寫(xiě)好的源程序加入，點(diǎn)擊“Source&#

15、160;Group1”使其反白顯示，然后，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)一個(gè)下拉菜單，如圖2.3所示，選中其中的“Add file to Group Source Group1”，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話(huà)框，要求尋找源文件。圖2 選擇單片機(jī)型號(hào) 圖3 加入文件雙擊main.c文件，將文件加入項(xiàng)目，注意，在文件加入項(xiàng)目后，該對(duì)話(huà)框并不消失，等待繼續(xù)加入其它文件，但初學(xué)時(shí)常會(huì)誤認(rèn)為操作沒(méi)有成功而再次雙擊同一文件，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)如圖2.4所示的對(duì)話(huà)框，提示你所選文件已在列表中，此時(shí)應(yīng)點(diǎn)擊“確定”，返回前一對(duì)話(huà)框，然后點(diǎn)擊“Close”即可返回主接口，返回后，點(diǎn)擊“Source 

16、Group 1”前的加號(hào)，main.c文件已在其中。雙擊文件名，即打開(kāi)該源程序。圖4 重復(fù)加入源程序得到的提示 2.3 ISD4004介紹2.3.1性能簡(jiǎn)述和引腳圖ISD4004 系列工作電壓 3V,單片錄放時(shí)間 8 至 16 分鐘,音質(zhì)好,適用于移動(dòng)電話(huà)及其他便攜式電子產(chǎn) 品中。芯片采用 CMOS 技術(shù),內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密 度多電平閃爍存貯陳列。芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過(guò)串行通信接口SPI送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù), 每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器 中,因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)

17、、音調(diào)和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮 造成的量化噪聲和"金屬聲"。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時(shí)間越長(zhǎng),而音質(zhì)則有所下 降,片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中,可在斷電情況下保存 100 年(典型值),反復(fù)錄音 10 萬(wàn)次。圖5 ISD4004引腳圖 圖6 ISD4004實(shí)物圖2.3.2引腳描述1 電源:(VCCA,VCCD) 為使噪聲最小,芯片的模擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線(xiàn),并且分別引到外封裝的 不同管腳上,模擬和數(shù)字電源端最好分別走線(xiàn),盡可能在靠近供電端處相連,而去耦電容應(yīng)盡量靠近器件。2 地線(xiàn):(VSSA,VSSD) 芯片

18、內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路也使用不同的地線(xiàn)。3 同相模擬輸入(ANA IN+) 這是錄音信號(hào)的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動(dòng)。單端輸入時(shí), 信號(hào)由耦合電容輸入,最大幅度為峰峰值 32mV,耦合電容和本端的 3K電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的 低端截止頻率。差分驅(qū)動(dòng)時(shí),信號(hào)最大幅度為峰峰值 16mV，為 ISD33000 系列相同。4 反相模擬輸入(ANA IN-) 差分驅(qū)動(dòng)時(shí),這是錄音信號(hào)的反相輸入端。信號(hào)通過(guò)耦合電容輸入,最大幅度為 峰峰值 16mV音頻輸出(AUD OUT) 提供音頻輸出,可驅(qū)動(dòng) 5K的負(fù)載。5 片選(SS) 此端為低,即向該 ISD4004 芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為

19、高電平。6 串行輸入(MOSI) 此端為串行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時(shí)鐘上升沿之前半個(gè)周期將數(shù)據(jù)放到本端,供ISD輸入。7 串行輸出(MISO) ISD 的串行輸出端。ISD 未選中時(shí),本端呈高阻態(tài)。8 串行時(shí)鐘(SCLK) ISD 的時(shí)鐘輸入端,由主控制器產(chǎn)生,用于同步 MOSI 和 MISO 的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在 SCLK上升沿鎖存到 ISD,在下降沿移出 ISD。9 中斷(/INT) 本端為漏極開(kāi)路輸出。ISD 在任何操作(包括快進(jìn))中檢測(cè)到 EOM 或 OVF 時(shí),本端變低并保 持。中斷狀態(tài)在下一個(gè) SPI 周期開(kāi)始時(shí)清除。中斷狀態(tài)也可用 RINT 指令讀取。OVF 標(biāo)志-指示 ISD

20、的錄、放操作已到達(dá)存儲(chǔ)器的未尾。EOM 標(biāo)志-只在放音中檢測(cè)到內(nèi)部的 EOM 標(biāo)志時(shí),此狀態(tài)位才置1。10 行地址時(shí)鐘(RAC) 漏極開(kāi)路輸出。每個(gè) RAC 周期表示 ISD 存儲(chǔ)器的操作進(jìn)行了一行(ISD4004 系列中的 存貯器共 2400 行)。該信號(hào) 175ms 保持高電平,低電平為25ms。快進(jìn)模式下,RAC 的 218.75s 是高電 平,31.25s 為低電平。圖 7 時(shí)序 11 外部時(shí)鐘(XCLK) 本端內(nèi)部有下拉元件。芯片內(nèi)部的采樣時(shí)鐘在出廠(chǎng)前已調(diào)校,誤差在 +1%內(nèi)。商業(yè)級(jí) 芯片在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi), 頻率變化在+2.25%內(nèi)。工業(yè)級(jí)芯片在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi),頻率變化

21、在-6/+4%內(nèi),此時(shí)建議使用穩(wěn)壓電源。若要求更高精度,可從本端輸入外部時(shí)鐘(如前表所列)。由于內(nèi)部 的防混淆及平滑濾波器已設(shè)定,故上述推薦的時(shí)鐘頻率不應(yīng)改變。輸入時(shí)鐘的占空比無(wú)關(guān)緊要,因內(nèi)部首 先進(jìn)行了分頻。在不外接地時(shí)鐘時(shí),此端必須接地。12 自動(dòng)靜噪(AMCAP) 當(dāng)錄音信號(hào)電平下降到內(nèi)部設(shè)定的某一閾值以下時(shí),自動(dòng)靜噪功能使信號(hào)衰弱,這樣有 助于養(yǎng)活無(wú)信號(hào)(靜音)時(shí)的噪聲。通常本端對(duì)地接 1mF 的電容,構(gòu)成內(nèi)部信號(hào)電平峰值檢測(cè)電路的一部 分。檢出的峰值電平與內(nèi)部設(shè)定的閾值作比較,決定自動(dòng)靜噪功能的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。大信號(hào)時(shí),自動(dòng)靜噪電路不衰減,靜音時(shí)衰減 6dB。1mF 的電容也影響自動(dòng)靜噪電路

22、對(duì)信號(hào)幅度的響應(yīng)速度。本端接 VCCA 則禁止自動(dòng)靜噪。2.4 SPI(串行外設(shè)接口)2.4.1協(xié)議介紹ISD4004工作于SPI串行接口。SPI 協(xié)議是一個(gè)同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,協(xié)議假定微控制器的 SPI 移 位寄存器在 SCLK 的下降沿動(dòng)作,因此對(duì) ISD4004 而言,在時(shí)鐘止升沿鎖存 MOSI 引腳的數(shù)據(jù),在下降沿將數(shù)據(jù)送至 MISO 引腳。協(xié)議的具體內(nèi)容為：1 所有串行數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始于 SS 下降沿。2 SS 在傳輸期間必須保持為低電平,在兩條指令之間則保持為高電平。3 數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿移入,在下降沿移出。4 SS 變低,輸入指令和地址后,ISD 才能開(kāi)始錄放操作。5 指令格式是(8

23、 位控制碼)加(16 位地址碼)。6 ISD 的任何操作(含快進(jìn))如果遇到 EOM 或 OVF,則產(chǎn)生一個(gè)中斷,該中斷狀態(tài)在下一個(gè) SPI 周期開(kāi)始時(shí)被清除。7 使用"讀"指令使中斷狀態(tài)位移出 ISD 的 MISO 引腳時(shí),控制及地址數(shù)據(jù)也應(yīng)同步從 MOSI 端移入。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當(dāng)前進(jìn)行的操作兼容。當(dāng)然,也允許在一個(gè) SPI 周期里,同時(shí)執(zhí)行讀狀 態(tài)和開(kāi)始新的操作(即新移入的數(shù)據(jù)與器件當(dāng)前的操作可以不兼容)。8 所有操作在運(yùn)行位(RUN)置 1 時(shí)開(kāi)始,置 0 時(shí)結(jié)束。9 所有指令都在 SS 端上升沿開(kāi)始執(zhí)行。2.4.2 信息快進(jìn) 用戶(hù)不必知道信息的確切地

24、址,就能快進(jìn)跳過(guò)一條信息。信息快進(jìn)只用于放音模式。放音速度是正常的 1600 倍,遇到 EOM 后停止,然后內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器加 1,指向下條信息的開(kāi)始處。2.4.3上電順序器件延時(shí) TPUD(8kHz 采樣時(shí),約為 25 毫秒)后才能開(kāi)始操作。因此,用戶(hù)發(fā)完上電指令后,必須等待TPUD,才能發(fā)出一條操作指令。參見(jiàn)表2.3。例如,從 00 從處發(fā)音,應(yīng)遵循如下時(shí)序:1 發(fā) POWERUP 命令;2 等待 TPUD(上電延時(shí));3 發(fā)地址值為 00 的 SETPLAY 命令;4 發(fā) PLAY 命令。器件會(huì)從此 00 地址開(kāi)始放音,當(dāng)出現(xiàn) EOM 時(shí),立即中斷,停止放音。如果從 00 處錄音,則按以下

25、時(shí)序:1 發(fā) POWER UP 命令;2 等待 TPUD(上電延時(shí));3 發(fā) POWER UP 命令;4 等待 2 倍 TPUD;5 發(fā)地址值為 00 的 SETREC 命令;6 發(fā) REC 命令。器件便從 00 地址開(kāi)始錄音,一直到出現(xiàn) OVF(存貯器末尾)時(shí),錄音停止。指令8 位控制碼<16 位地址>操作摘要POWERUP00100XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX>上電:等待 TPUD后器件可以工作SET PLAY11100XXX< A15-A0>從指定地址開(kāi)始放音。后跟 PLAY 指令可使放音繼續(xù)進(jìn)行下去PLAY11110XXX<XXXX

26、XXXXXXXXXXXX >從當(dāng)前地址開(kāi)始放音(直至 EOM 或 OVF)SET REC10100XXX<A15 -A0>從指定地址開(kāi)始錄音。后跟 REC 指令可使錄音繼續(xù)進(jìn)行下去REC10110XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >從當(dāng)前地址開(kāi)始錄音(直至 OVF 或停止)SET MC11101XXX<A15 -A0>從指定地址開(kāi)始快進(jìn)。后跟 MC 指令可使快進(jìn)繼續(xù)進(jìn)行下去MC11111XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >執(zhí)行快進(jìn),直到 EOM.若再無(wú)信息,則進(jìn)入 OVF 狀態(tài)STOP0X110XXX<XXXXXXXX

27、XXXXXXXX >停止當(dāng)前操作STOP WRDN0X01XXXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >停止當(dāng)前操作并掉電RINT0X110XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >讀狀態(tài):OVF 和 EOM表2 指令表注：快進(jìn)只能在放音操作開(kāi)始時(shí)選擇。2.4.4 SPI端口的控制位SPI端口有兩個(gè)硬件控制位MISO 和MOSI，SPI控制寄存器控制放、錄、信息檢索、上電、掉電、啟動(dòng)和停止、忽視地址指示等功能。詳見(jiàn)圖2.4圖 8 各端口功能2.4.5 SPI控制寄存器SPI控制寄存器控制器件的每個(gè)功能,如錄放、錄音、信息檢索(快進(jìn))、上電/掉電、開(kāi)始和停止操 作

28、、忽略地址指針等。位值功能位值功能RUN 1 0允許/禁止操作開(kāi)始 停止PU10電源控制上電 掉電P/-R10錄/放模式放音 錄音IAB10操作是否使用指令地址忽略輸入地址寄存的內(nèi)容 使用輸入地址寄存的內(nèi)容MC10快進(jìn)模式允許快進(jìn) 禁止P15-P0A15-A0行指針寄存器輸出輸入地址寄存器 表 3 控制器功能 注：IAB 置 0 時(shí),錄、放操作從 A9-A0 地址開(kāi)始。為了能連貫地錄、放到后續(xù)的存儲(chǔ)空間,在操作到達(dá)該 行末之前,應(yīng)發(fā)出第二個(gè) SPI 指令將 IAB 置 1,否則器件在同一地址上反復(fù)循環(huán)。這個(gè)特點(diǎn)對(duì)語(yǔ)音提 示功能很有用。RAC 腳和 IAB 位可用于信息管理。SPI端口簡(jiǎn)單框圖如

29、下：圖 8 SPI 端口2.4.6時(shí)序SPI總線(xiàn)協(xié)議是一個(gè)環(huán)形總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，由ss（cs）、sck、sdi、sdo構(gòu)成，其時(shí)序主要是在sck的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。假設(shè)下面的8位寄存器裝的是待發(fā)送的數(shù)據(jù)10101010，上升沿發(fā)送、下降沿接收、高位先發(fā)送。那么第一個(gè)上升沿來(lái)的時(shí)候數(shù)據(jù)將會(huì)是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到來(lái)的時(shí)候，sdi上的電平將所存到寄存器中去，那么這時(shí)寄存器=0101010sdi，這樣在8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后，兩個(gè)寄存器的內(nèi)容互相交換一次。這樣就完成里一個(gè)spi時(shí)序。SymbolParametersMinTypMaxUnitsTSSS/SS Setup

30、 Time500nsecTSSH/SS Hold Time500nsecTDISData in Setup Time200nsecTDIHData in Hold Time200nsecTPDOutput Delay500nsecTDFOutput Delay to Hiz500nsecTSSmin/SS HIGH1µsecTSCKhiSCLK High Time400nsecTSCKlowSCLK Low Time400nsecF0CLK(Frequency)1000kHz表 4 SPI 時(shí)序參數(shù) ISD4004連接圖第3章系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)3.1 硬件電路設(shè)計(jì)STC8051單片機(jī)后

31、置功放ISD4004按鍵輸入前置放大濾波器1602顯示電光轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程圖3.1.1 拾音器拾音器本質(zhì)上是一種聲傳感器，它能夠把外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它在語(yǔ)音通訊、噪聲的控制、環(huán)境的檢測(cè)、音質(zhì)的評(píng)價(jià)、文化娛樂(lè)、超聲檢測(cè)、水下探測(cè)和生物醫(yī)學(xué)工程及醫(yī)學(xué)等方面有廣著泛的應(yīng)用10。它的種類(lèi)分為多種，按照它的特點(diǎn)和頻率等可以將它劃分為超聲傳感器、聲壓傳感器和聲表面波傳感器等。單純的磁性拾音器工作的電學(xué)原理為當(dāng)聲音在銅絲繞制的線(xiàn)圈內(nèi)震動(dòng)切割被該線(xiàn)圈所纏繞的磁芯產(chǎn)生的磁感線(xiàn)時(shí)，線(xiàn)圈內(nèi)感應(yīng)出電信號(hào)并流出。 拾音器包括拾音頭（換能裝置、唱針）和音臂等附件。其換能裝置主要有壓電式、電磁式、電

32、容式以及半導(dǎo)體等。電磁式拾音頭，用電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械振動(dòng)變換成電信號(hào)的幅度響應(yīng)拾音頭。主要由線(xiàn)圈和磁鋼等組成。唱針耦合在線(xiàn)圈上的稱(chēng)動(dòng)圈式，耦合在磁鋼上的稱(chēng)動(dòng)磁式。此外，也有將唱針耦合在銜鐵上的稱(chēng)為動(dòng)鐵式，也稱(chēng)可變磁阻式。因?yàn)閯?dòng)圈式拾音器的音質(zhì)比較好，并且使用方便，所以在本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)圈式拾音器。3.2 放大器的設(shè)計(jì)放大器可以將輸入信號(hào)的電壓或者功率給以放大的裝置，放大器由電子管或晶體管、電源變壓器或者其他電器元件組成。在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動(dòng)控制等裝置中得到廣泛應(yīng)用。3.2.1 前置增益放大器拾音器輸出的信號(hào)實(shí)際范圍約為10mV，由于此電信號(hào)太小不便于操作。通過(guò)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的范圍與采樣范

33、圍的比較得出放大器的放大倍數(shù)應(yīng)設(shè)置在200倍左右，即將拾音器輸出的信號(hào)通過(guò)一增益為46dB的放大器，將其放大到伏特量級(jí)。為了將從拾音器獲得的微弱語(yǔ)音信號(hào)放大，我們采用由運(yùn)放NE5532構(gòu)成的高輸入阻抗的放大器。NE5532是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器，具有以下特點(diǎn)：（1） 小信號(hào)帶寬為10MHz（2） 輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)為600，10V的有效值（3） 輸入噪聲電壓為5nV/Hz（4） 直流電壓增益可達(dá)50000 （5） 交流電壓增益為2200-10kHz （6） 功率帶寬為140kHz（7） 轉(zhuǎn)換速率可達(dá)9V/s（8） 大的電源電壓范圍為±3V-±20V （9） 

34、0;單位增益補(bǔ)償相對(duì)大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，NE5532顯示出了更好的噪聲性能，這使得該器件特別適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專(zhuān)業(yè)音響設(shè)備，儀器和控制電路和電話(huà)通道放大器。所以選用NE5532作為前置放大電路的運(yùn)放。前置放大電路如圖3.1所示。圖3.1前置放大器放大器的放大倍數(shù)按下式計(jì)算：（3-1）帶入數(shù)據(jù)有：（3-2）因?yàn)樵O(shè)計(jì)的R4的值可以調(diào)節(jié)，所以增益倍數(shù)可以滿(mǎn)足要求的調(diào)節(jié)范圍。3.2.2輸出功率放大器 經(jīng)帶通濾波器輸出的聲音信號(hào)，其幅度為05V，足以用耳機(jī)來(lái)收聽(tīng)，可不接任何放大器。但考慮到實(shí)際中經(jīng)常會(huì)用到揚(yáng)聲器外放，故在本系統(tǒng)中增加外放功能，采用通用型音頻功率放大器LM386來(lái)完成13。LM

35、386是目前頗為流行的小功率音頻放大集成電路，它廣泛運(yùn)用于各種語(yǔ)音電路中。它的突出優(yōu)點(diǎn)是頻響寬、功耗低、電源電壓適應(yīng)范圍寬、外接元件少等。LM386集成功率放大器的性能及特征（1） 額定工作電壓：416V；（2） 額定電流：當(dāng)電源電壓為6V時(shí)，靜態(tài)工作電流為4mA，適合用電池供電；（3） 增益：腳與腳之間不接外部阻容元件時(shí)，電壓增益為20；接元件時(shí)，可提供增益到20200之間的任何值； （4） 頻響：可達(dá)數(shù)百kHz；（5） 最大允許功耗為（25）600mA，使用時(shí)不用散熱片；（6） 負(fù)載電阻4時(shí)，輸出功率（失真為10%）為300mA；LM386有兩個(gè)信號(hào)輸入端。當(dāng)信號(hào)從腳輸入時(shí)，構(gòu)成反相放大器

36、；從腳輸入時(shí)，構(gòu)成正相放大器。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)從腳輸入，為正相放大器。每個(gè)輸入端的輸入阻抗都為50K，而且輸入端對(duì)地的直流電位接近為零，即使對(duì)地短路，輸出直流電平也不會(huì)產(chǎn)生大的偏離。圖3.2 LM386引腳圖在音頻放大電路中，輸出信號(hào)的放大倍數(shù)由LM386的引腳和的外接的情況來(lái)決定。一般情況下這兩個(gè)引腳通過(guò)串聯(lián)一個(gè)電阻R1和一個(gè)電容C2連接起來(lái)，正是這個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)決定了電路的增益。當(dāng)腳和腳開(kāi)路時(shí)，電路電壓增益為40。通過(guò)調(diào)節(jié)R1的值可以改變?cè)鲆娴拇笮?。通過(guò)滑動(dòng)RV1的觸頭，即可調(diào)節(jié)后置功率放大的大小，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)音量。電路如圖3.3所示：圖3.3輸出功率放大3.3濾波器設(shè)計(jì)濾波器的作用是讓一定頻率

37、范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)將此頻率范圍之外的信號(hào)加以抑制或者使其急劇衰減。當(dāng)干擾信號(hào)與有用信號(hào)在同一頻率范圍之內(nèi)，使用濾波器可以非常有效的抑制干擾。實(shí)際信號(hào)除有用信號(hào)外，常常帶有干擾，這些干擾有的是和有用信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生的，有的則是在信號(hào)傳輸與處理過(guò)程中由于不同系統(tǒng)間的相互作用而引起的。在信號(hào)處理中從帶有干擾的信號(hào)中能夠分離出有用信號(hào)的裝置被稱(chēng)為濾波器。濾波器在日常生活中運(yùn)用非常廣泛，例如在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的濾波器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種濾波器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的濾波器與其他濾波器相比，其波形質(zhì)量

38、、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高23。3.3.1有源濾波電路有源濾波電路使用有源器件與RC網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路。有緣濾波電路的種類(lèi)很多，如按通道的性能劃分，又分為低通（LPF）、高通（HPF）、帶通（BPF）、帶阻（BEF）濾波器。在本次的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用寬帶帶通濾波器。在滿(mǎn)足LPF的通帶截止頻率高于HPF的通帶截止頻率的條件下，把相同元件壓控電壓源濾波器的LPF和HPF串接起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)Butteworth通帶響應(yīng)，如圖所示。用該方法構(gòu)成的帶通濾波器的通帶較寬，通帶截止頻率易于調(diào)整，因此多用作測(cè)量信號(hào)噪聲比（S/N）的音頻帶通濾波器，如在電話(huà)通令系統(tǒng)中，采用如圖所示的濾波器，能抑制低

39、于300Hz和高于3000Hz的信號(hào)，整個(gè)通帶增益為8dB，運(yùn)算放大器為741。參考電路圖： 寬帶BPF3.4電光電轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)該模塊利用發(fā)光二極管（紅色）作為電光轉(zhuǎn)換的主要器件，將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。由光電傳感器Opt101接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。 電光轉(zhuǎn)換參考圖 0pt101實(shí)物圖Opt101實(shí)物圖 Opt101電路連接圖系統(tǒng)整體效果圖第4章系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 程序流程圖本程序可以完成錄音、放音、暫停、1602液晶顯示等功能，具體程序如下：/當(dāng)按下K1鍵時(shí)，從指定地址開(kāi)始錄音/ 當(dāng)按下K2鍵時(shí)，從指定地址開(kāi)始放音/ 當(dāng)按下K3鍵時(shí)，停止當(dāng)前的操作/ 程序中的錄放停部分已做成子函數(shù)，可以直

40、接調(diào)用， 只需要輸入錄音的地址就行#include <reg52.h>#include <intrins.h>#include <stdio.h>#include "delay.h"#include "1602.h"#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/定義放音命令,定義常量/#define ISDPOWERUP 0X20 /ISD4004上電#define ISDSTOP 0X10 /ISD4004下電#define OPERSTOP 0X30 /I

41、SD4004停止當(dāng)前操作#define PLAYSET 0XE0 /ISD4004從指定地址開(kāi)始放音#define PLAYCUR 0XF0 /ISD4004從當(dāng)前地址開(kāi)始放音#define RECSET 0XA0 /ISD4004從指定地址開(kāi)始錄音#define RECCUR 0XB0 /ISD4004從當(dāng)前地址開(kāi)始錄音sbit SS=P10; /LOW IS ACTIVELYsbit MOSI=P11;sbit MISO=P12;sbit SCLK=P13;sbit INT=P17;sbit K1=P30;sbit K2=P31;sbit K3=P32;sbit LED1=P33; /錄音

42、指示燈sbit LED2=P34; /放音指示燈bit flag=0; /讀秒標(biāo)志bit zero=0;uchar time4;uint addr;/全局變量/ 放音地址 /放音部分子程序，放音地址由ADDR決定/void play() uint y; SS=0; MOSI=0;/發(fā)送開(kāi)始 SCLK=0; for(y=0;y<8;y+) SCLK=0; if(0x20>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); /發(fā)送結(jié)束 SS=

43、1;/上電結(jié)束 DelayMs(50); SS=0; MOSI=0;/發(fā)送地址 SCLK=0; for(y=0;y<16;y+) SCLK=0; if(addr>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); /發(fā)送地址結(jié)束 MOSI=0;/放音 SCLK=0; for(y=0;y<8;y+) SCLK=0; if(0xe0>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _no

44、p_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SS=1; SS=0; MOSI=0;/放音 SCLK=0; for(y=0;y<8;y+) SCLK=0; if(0xf0>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SS=1; /lu音部分子程序，地址由ADDR決定/void rec() uint y; SS=0; MOSI=0;/發(fā)送開(kāi)始 SCLK=0; for(y=0;y&

45、lt;8;y+) SCLK=0; if(0x20>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); /發(fā)送結(jié)束 SS=1;/上電結(jié)束 DelayMs(50); SS=0; MOSI=0;/發(fā)送開(kāi)始 SCLK=0; for(y=0;y<8;y+) SCLK=0; if(0x20>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(

46、); _nop_(); _nop_(); /發(fā)送結(jié)束 SS=1;/上電結(jié)束 DelayMs(50); DelayMs(50); SS=0; MOSI=0;/發(fā)送地址 SCLK=0; for(y=0;y<16;y+) SCLK=0; if(addr>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); /發(fā)送地址結(jié)束 MOSI=0; SCLK=0; for(y=0;y<8;y+) SCLK=0; if(0xa0>>y)&0x01)MOSI=1; else MOSI=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SCLK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); SS=1; SS=0; MOSI=0; SCLK