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      基于單片機(jī)的語音錄放硬件電路設(shè)計(jì)與研究

      2015-04-13 08:35:02李彩麗
      機(jī)電信息 2015年36期
      關(guān)鍵詞:按鍵錄音時(shí)鐘

      易 群 李彩麗

      (江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌330013)

      0 引言

      隨著單片機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,公交自動(dòng)報(bào)站、各種型號(hào)的學(xué)習(xí)機(jī)、電話自動(dòng)應(yīng)答等越來越多的人性化設(shè)備以其價(jià)格低、使用靈活、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn),顯示出了很強(qiáng)的生命力。語音自動(dòng)錄放裝置是這些設(shè)備的核心部分,它利用先進(jìn)的芯片,采用智能控制技術(shù),不僅可以實(shí)現(xiàn)語音錄放功能,而且集復(fù)讀、跟讀等多種功能于一體。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的語音錄放電路,該語音錄放系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)語音錄入、播放、存儲(chǔ)、停止等基本功能,具有使用方便、簡(jiǎn)單易行、成本低廉等特點(diǎn),還具有較好的可擴(kuò)展性,有較高的實(shí)用價(jià)值。

      1 語音錄放的工作原理

      語音錄放是利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP(Digital Sign Processer)技術(shù)完成信號(hào)的傳輸和解碼語音文件的任務(wù),中央處理器通常稱為MCU(單片微處理器),簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它運(yùn)行語音錄放的整個(gè)控制程序,也稱為Fireware(固件程序)。語音錄放系統(tǒng)的各個(gè)部件的工作如下:解碼器是芯片中的一個(gè)硬件模塊,或者說是硬件解碼,它可以直接完成語音數(shù)據(jù)流的解碼操作,并輸出PWM 數(shù)字音頻信號(hào),再經(jīng)過音頻信號(hào)的濾波、放大,送到外接喇叭,驅(qū)動(dòng)喇叭。語音錄放的每個(gè)硬件部分都有其對(duì)應(yīng)的軟件代碼,硬件部分都由數(shù)字可編程邏輯控制器進(jìn)行控制。

      語音錄放工作原理:首先將語音文件從內(nèi)存中取出并讀取存儲(chǔ)器上的信號(hào)→到解碼芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼→通過PWM將解出來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)→低通濾波→再把濾波后的模擬音頻放大后傳到耳機(jī)輸出口。

      2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

      系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示,其主要由按鍵、語音輸入、語音放大和HM628128A 存儲(chǔ)擴(kuò)展、LM324低通濾波以及功率放大這6部分電路組成。

      臺(tái)灣凌陽公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)SPCE061A 具有體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)、芯片功率低、工作可靠性強(qiáng)等特點(diǎn),芯片本身具備DSP功能,有很強(qiáng)的信息處理能力,最高時(shí)鐘頻率可達(dá)到49 MHz,具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)等等,且該單片機(jī)內(nèi)置有D/A、A/D 轉(zhuǎn)換,并可實(shí)現(xiàn)在線仿真功能,這些都為我們實(shí)現(xiàn)數(shù)碼錄音和播放提供了良好、方便的條件。HM628128A 是臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的容量為4 Mbit的FLASH 存儲(chǔ)芯片,我們將它作為凌陽格式的語音資源的存儲(chǔ)裝置。本系統(tǒng)提供HM628128A 相關(guān)的讀寫模塊,此模塊也可應(yīng)用于HM628128A 同系列的相關(guān)FLASH 芯片中。

      圖1 語音錄放系統(tǒng)整體框圖

      另外,凌陽16位單片機(jī)具有一套易學(xué)易用、效率較高的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中,支持標(biāo)準(zhǔn)C 語言,可以實(shí)現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用,并且提供了語音錄放的庫函數(shù),只要了解函數(shù)就容易完成語音錄放。

      3 硬件設(shè)計(jì)

      3.1 電源電路

      本系統(tǒng)供電可采用兩種方式:

      (1)DC9V 電源適配器經(jīng)7805、RT9161穩(wěn)壓3.3V。

      (2)使用3節(jié)AAA 電池經(jīng)RT9161輸出3.3V。

      電源電路如圖2所示。

      圖2 電源電路

      3.2 語音錄入部分

      MIC-IN 輸入,它專門用于對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣。語音信號(hào)經(jīng)MIC轉(zhuǎn)換成電信號(hào),由隔直電容隔掉直流成分,然后輸入至SPCE061A 內(nèi)部前置放大器。SPCE061A 內(nèi)部自動(dòng)增益控制電路AGC 能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號(hào)電平,當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí),AGC電路自動(dòng)減小放大器的增益;當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí),AGC 電路自動(dòng)增大放大器的增益,以便使進(jìn)入A/D 的信號(hào)保持在最佳電平,又可使削波減至最小。語音輸入電路如圖3所示。

      圖3 語音輸入電路

      3.3 時(shí)鐘電路

      SPCE061A 時(shí)鐘電路接線圖如圖4 所示,外接晶振采用32 768Hz。32 768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘通常用于鐘表、實(shí)時(shí)時(shí)鐘延時(shí)及其他與時(shí)間有關(guān)的產(chǎn)品,SPCE061A 通過對(duì)32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘源分頻而提供了多種時(shí)鐘中斷源。

      圖4 SPCE061A 時(shí)鐘電路

      3.4 按鍵部分

      本系統(tǒng)中的按鍵部分包括錄音鍵、播放鍵、停止鍵等,其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

      圖5 按鍵電路

      (1)錄音鍵S1:按下錄音鍵,即可實(shí)現(xiàn)語音錄音。

      (2)播放鍵S3:按下播放鍵,語音錄放系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)語音播放,單片機(jī)控制系統(tǒng)取出存儲(chǔ)器中的語音數(shù)據(jù),再經(jīng)過濾波、放大,通過喇叭輸出原始錄音文件。

      (3)停止鍵S2:在播放錄音或語音錄音時(shí)按停止鍵可實(shí)現(xiàn)暫停,通過此按鍵實(shí)現(xiàn)中斷語音的錄、放音。

      3.5 濾波放大部分

      PWM 輸出后須通過低通濾波器濾波,才能還原成人耳能識(shí)別的聲音。其設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

      圖6 濾波放大電路

      4 軟件設(shè)計(jì)

      錄放音的編解碼是靠調(diào)用庫函數(shù)完成的,我們只要完成數(shù)據(jù)的存入和讀出即可。

      4.1 按鍵程序

      按鍵流程圖如圖7所示。

      圖7 按鍵流程圖

      4.2 錄、放音程序

      錄、放音的程序部分主要任務(wù)是對(duì)HM628128A 進(jìn)行讀寫,對(duì)語音采樣數(shù)據(jù)的編碼處理是通過調(diào)用庫函數(shù)完成的。寫(讀)程序包括初始化和寫(讀)兩部分,下面講解初始化和寫入時(shí)的參數(shù)傳遞過程。錄、放音流程圖如圖8所示。

      圖8 錄、放音流程圖

      5 系統(tǒng)調(diào)試

      5.1 凌陽單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試

      驗(yàn)證最小系統(tǒng)是否正常工作主要是看能否進(jìn)行固件下載,DC供電首先確定正常(輸出3.3V),一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)要保證兩個(gè)必要條件:(1)復(fù)位電路工作正常,按芯片要求的信號(hào)進(jìn)行復(fù)位,即復(fù)位腳電壓正常。(2)晶振工作正常,即起振。復(fù)位電路的調(diào)試可以測(cè)量復(fù)位腳上電后的電壓,應(yīng)約為電源供電電壓3.0V 左右;而判斷晶振起振的最好辦法是使用示波器看晶振的兩個(gè)引腳輸出有無波形。

      5.2 外圍接口設(shè)備調(diào)試

      5.2.1 串口調(diào)試

      借助串口調(diào)試助手ScomAssistant進(jìn)行。

      5.2.2 鍵盤調(diào)試

      鍵盤由3個(gè)鍵組成——錄音鍵、播放鍵、停止鍵,按3個(gè)按鍵看是否起作用。

      5.2.3 系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)試

      外圍電路調(diào)試完成、軟件調(diào)試成功以后,即可進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試。先將程序燒寫在單片機(jī)內(nèi),然后調(diào)試。(1)按下錄音鍵,開始錄音;(2)再按下停止鍵,停止錄音;(3)按下播放鍵,開始播放錄音文件,停止播放,看是否達(dá)到要求效果。

      6 結(jié)語

      本文介紹了一種基于單片機(jī)的語音錄放實(shí)現(xiàn)方案,該設(shè)計(jì)方案電路易于實(shí)現(xiàn),功能簡(jiǎn)單實(shí)用,可擴(kuò)展性較好,輸出聲音清晰、自然,具有較高的實(shí)用性。

      [1]劉學(xué).MP3/MP4 工作原理與流程[J].家電檢修技術(shù),2012(4).

      [2]梅栴,劉紀(jì)紅,張振川.一種基于SPCE061A 的機(jī)器人語音交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2005(4).

      [3]鄧記才,張俊安,焦文潭.基于SPCE061A 的大容量數(shù)碼錄音筆設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008(23).

      [4]戴國(guó)安.語音識(shí)別在汽車防盜中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)西部科技,2011(13).

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