數(shù)字語(yǔ)音回放系統(tǒng)ADDA

1、數(shù)字語(yǔ)音系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解數(shù)字語(yǔ)音系統(tǒng)整體原理。2、學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)外圍電路的應(yīng)用。3、學(xué)習(xí)C語(yǔ)言編程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器1、創(chuàng)新平臺(tái)主控屏土 5V、土 12V2、2DCP-002單片機(jī)89S51電路。3、DCP-003鍵盤(pán)及LED顯示電路。4、DCP-0010A/D轉(zhuǎn)換電路。5、DCP-0011D/A轉(zhuǎn)換電路。6、DCP-007TDA2030模擬功率放大電路7、DCP-0023AGC麥克風(fēng)接收電路。&麥克風(fēng)和無(wú)源音箱三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容【1】系統(tǒng)功能該數(shù)字語(yǔ)音存儲(chǔ)系統(tǒng)利用數(shù)字化的控制，采集一段時(shí)間長(zhǎng)度的模擬語(yǔ)音信號(hào)，將其數(shù)字化 處理后存入單片機(jī)，完成一定的處理后，再通過(guò)單片機(jī)輸出到D

2、AC轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器輸出，回放原始的語(yǔ)音。該系統(tǒng)采用Atmel公司的89S51作為控制器，配合錄音與放音電路 構(gòu)成。對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)分別采用了無(wú)壓縮 PCM編碼和DPCM有損壓縮編碼兩種處理，后者 在保證音質(zhì)效果的同時(shí)將語(yǔ)音存儲(chǔ)的時(shí)候延長(zhǎng)為前者的一倍。錄音電路的模擬語(yǔ)音信號(hào)米集使用了雙話(huà)筒差分方式輸入，有效濾除背景噪聲。ADC在8KHz的采樣率下工作，根據(jù)Nyquist采樣定理能復(fù)原原來(lái)的信號(hào)。除此系統(tǒng)擁有良好的人機(jī)交互，操作簡(jiǎn)單?！?】 整體框圖系統(tǒng)整體框圖如圖1所示圖1整體系統(tǒng)框圖【3】語(yǔ)音采集電路電路原理圖如圖2所示。其中U1為雙話(huà)筒差分輸入。因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)很微弱，不能直接通入MC

3、U中處理，所以需要增加 U2A和U2B進(jìn)行后級(jí)放大。場(chǎng)效應(yīng)管 2N7000與三極管9012 構(gòu)成反應(yīng)回路，與U2A放大環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)，為AGC 自動(dòng)增益控制電路。前向通道放大電 路增益約為46dB，增益可調(diào)。1K圖2語(yǔ)音采集電路【4】AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC電路適用ADC0804。電路原理圖如圖3所示。在該系統(tǒng)中將 ADC0804連接成了連續(xù)轉(zhuǎn)換的方式。即，將片選信號(hào)CS與讀信號(hào)RD接地，寫(xiě)信號(hào)WR與中斷查詢(xún)信號(hào)INTR短接后接到MCU的P1.0,作為控制線(xiàn)。當(dāng)P1.0輸出一個(gè)下降沿后，ADC0804將進(jìn)入自動(dòng)轉(zhuǎn)換的模式。前端用運(yùn)放構(gòu)成了增益和偏置電路，來(lái)滿(mǎn)足ADC的電壓輸入范圍，即05V圖3AD

4、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路UCl Kin dCIS 19 一> CLKtM awxr REF 2 E JN-'8WCNAG>DDG>D【5】單片機(jī)最小系統(tǒng)MCU選用芯片89S51。Atmel公司的89C52具有2個(gè)外部中斷，2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4 個(gè)8位的I/O 口，12MHz晶振的頻率下每條指令的執(zhí)行時(shí)間平均為 2us, 64KB的程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間，外部擴(kuò)展 RAM，ADC，DAC以及鍵盤(pán)接口都很方便，對(duì)于該系統(tǒng)的控制 來(lái)說(shuō)完全足夠。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中外擴(kuò)了三態(tài)緩沖器74LS244 單向緩沖門(mén)，74LS245 雙向緩沖門(mén)作為數(shù)據(jù)輸入輸出的緩存及指示數(shù)據(jù)輸出的LED驅(qū)動(dòng)。

5、擴(kuò)展的鎖存器74LS373用于鎖存輸出地址低8位以及與直通的DAC0808接口，便于鎖存用于DAC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。單片 機(jī)最小系統(tǒng)中的片選信號(hào)有 GAL產(chǎn)生，各片選信號(hào)的邏輯關(guān)系見(jiàn)附錄?！?】DA數(shù)模轉(zhuǎn)化電路DAC選擇芯片DAC0808。電路原理圖如圖4所示。此DA轉(zhuǎn)換芯片把8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 電流值，在后級(jí)運(yùn)放處理后轉(zhuǎn)換成電壓值，然后進(jìn)行偏置和反相處理，以適合不同的場(chǎng)合使用。RW2K圖4DA模數(shù)轉(zhuǎn)換電路A1VDDA2A3IOUT-A5VEEF-A6VREF，A7A3NCVIEVCC刖DZ0K【7】TDA2030功率放大電路圖5功率放大電路【8】算法思想1、PCMPCM即為無(wú)壓縮存儲(chǔ)模式。也就是直接

6、把ADC轉(zhuǎn)換的8位數(shù)據(jù)不做任何處理地存儲(chǔ)到外 部存儲(chǔ)器中，放音時(shí)再將數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)器中讀出，通過(guò) DAC轉(zhuǎn)化后進(jìn)入后向通道處理。在 8KHz的采樣率下，這種模式需要很大的存儲(chǔ)空間，約每 8KB的數(shù)存可以存放1S的數(shù)據(jù)。所以在該系統(tǒng)中 32KB的數(shù)存可以存儲(chǔ)4s的語(yǔ)音。2、DPCMDPCM (差值脈沖編碼調(diào)制)是語(yǔ)音信號(hào)壓縮編碼的一種較為經(jīng)典的算法。 DPCM利用語(yǔ) 音信號(hào)較強(qiáng)的相關(guān)性，具有算法簡(jiǎn)單，延遲短，便于軟件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。 DPCM算法的數(shù)學(xué)表達(dá) 式如下所示：8(S(門(mén))A(n 1) < 8)e(n) 4 S(n) - A(n - 1)(8 <(S(n) - A(n - 1)

7、<7i 7(S(n) - A(n - 1) > 7)其中：s(n)是當(dāng)前采樣值，A(n)為增量累加值，A(n-1)為預(yù)測(cè)值，e(n)為差分值。簡(jiǎn)單而言， DPCM即是將前后兩次采樣值的差值作為數(shù)據(jù)存放，回放錄音時(shí)再按照差值進(jìn)行恢復(fù)。由于采 用了 3bit表示差值，在架上一位符號(hào)位，所以這樣的算法是有損算法。當(dāng)前后兩次的采樣值相差超過(guò)了-8-+7的范圍就會(huì)帶來(lái)失真。但是由于語(yǔ)音信號(hào)較強(qiáng)的相關(guān)性，這樣的失真并不嚴(yán)重。而DPCM 的好處是明顯，在這種存儲(chǔ)方式下，數(shù)據(jù)可以有效地壓縮一般，將原來(lái)的語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間擴(kuò)展1倍?！?】 程序流程圖1、主程序流程圖2、錄音子程序流程圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1、把各

8、模塊的電源接好，主控屏提供 +5V和+12V，-12V，GND。2、接線(xiàn)可參照接線(xiàn)示意圖進(jìn)行連線(xiàn)：a麥克風(fēng)上紅接線(xiàn)柱連接 DCP-0023上IN1 口，黑的連 GND ； IN2連GND。IN2也可再 連一個(gè)麥克風(fēng)用來(lái)消除環(huán)境噪音。bDCP-0023 上的輸出口 Vout 和 GND 接 DCP-0010 上的 Vin 和 AGND ;DCP-0010 上的 CS, RD 連接 GND，WR，INTR 接 DCP-002 上的 P1.0; D0-D7 口分 別與DCP-002上的X00-X07連接。cDCP-002 上的 Y00-Y07 分別與 DCP-0011 上的 D1-D8 連接，DCP

9、-002 上的 P1.1, ALE 分別于DCP-003上的INT，CLK。dDCP-003上的CS與RST相連再連接到 GND，P1與DCP-002上的P2 口用扁平帶相 連。eDCP-007 上的 Vin 和 GND 與 DCP-0011 上的 Vout 和 GND 相連接。3、編程：運(yùn)行KeilC51軟件，新建一個(gè)工程如10,新建一個(gè)文件lO.asm。將文件添加到工程中，編寫(xiě)程序并編譯，如有錯(cuò)，請(qǐng)更改直到編譯成功。如果有生成好的hex文件可以直接進(jìn)入下一步。4、 下載：用編程器將生成的HEX文件燒寫(xiě)到單片機(jī)中；或用仿真器來(lái)執(zhí)行程序，將程序下載 到仿真器中；或用ISP在線(xiàn)燒寫(xiě)技術(shù)將生成的H

10、EX文件燒寫(xiě)到S系列單片機(jī)中；或用串口 燒寫(xiě)技術(shù)將生成的HEX文件燒寫(xiě)到有此功能的單片機(jī)中。5、使用門(mén)邏輯器件：GAL16V8中燒寫(xiě)yyhf.jed文件。&實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程：運(yùn)行實(shí)驗(yàn)程序，顯示 HELLO，按ENTER鍵進(jìn)入選擇錄音編碼方式界面， 顯示CHOOSE；按PCM鍵，那么進(jìn)入此錄音模式，顯示 FUN1_4S 或按DPCM鍵，顯示 FUN2_8S;按RECORD鍵后再按ENTER進(jìn)入錄音狀態(tài)，此時(shí)顯示，對(duì)著話(huà)筒說(shuō) 話(huà)；當(dāng)RAM存滿(mǎn)，即錄音結(jié)束，顯示 OVER;按PLAY鍵后再按ENTER，那么進(jìn)入放音狀 態(tài)，放音完畢顯示OVER;此時(shí)按PLAY鍵后再按ENTER那么會(huì)回放錄音內(nèi)容，

11、按按ENTER 鍵那么回到歡送界面，顯示 HELLO。循環(huán)進(jìn)入上述操作。7、鍵盤(pán)安排示意圖PLAYPCMRECORDDPCMPAGEENTER8、實(shí)驗(yàn)過(guò)程調(diào)試注意：aDCP-0023上電位器為自動(dòng)增益控制環(huán)節(jié)輸出幅值調(diào)節(jié)；b由于A(yíng)DC0804的輸入為0+5V，所以調(diào)節(jié)RW1增益，和RW2偏置，偏置到這個(gè)范圍進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，偏置后送入單片機(jī);cDA輸出為偏置后的直流電，可調(diào)節(jié) RW2再偏置回來(lái)，沿X軸對(duì)稱(chēng)9、接線(xiàn)示意圖如下:+12CiNDT|2廠(chǎng) 4I2GND-I2 +5GND廠(chǎng)3WS 12浙江求是科教嗣曙I鍛yyhi；hmGALLtjVKttyyhrjcd+ OGND-I2五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及改良方案1、在PCM模式下，語(yǔ)音時(shí)間為4s。在DPCM模式下，語(yǔ)音時(shí)間為8s。噪聲與失真度較大。2、經(jīng)過(guò)調(diào)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。系統(tǒng)目前缺陷在于噪聲較大，失真度較大和語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間較短?？梢酝ㄟ^(guò)下面的措施改良系統(tǒng)。1 去噪保真將系統(tǒng)的噪聲減小可以考慮一下幾種措施:圖8帶通濾波器*在A(yíng)DC信號(hào)輸入之前與DAC信號(hào)輸出之后參加帶通濾波器，濾除低頻和高頻的噪聲。