基于單片機(jī)的語音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李琛宇

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的語音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李琛宇

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

通過ISD4004芯片的特性，運(yùn)用型號為STC89C52的單片機(jī)ISD4004芯片進(jìn)行控制最終完成語音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，這個(gè)語音采集系統(tǒng)能夠存儲并且回放數(shù)字化語音。通過最后的結(jié)果可以得出本文設(shè)計(jì)的語音采集系統(tǒng)具有友好的界面，同時(shí)易操作等優(yōu)點(diǎn)，在很多的商業(yè)領(lǐng)域中都能夠應(yīng)用該基于單片機(jī)的語音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。

STC89C52單片機(jī) 語音實(shí)時(shí)采集 ISD4004

傳統(tǒng)意義上的數(shù)字語音合成在實(shí)現(xiàn)以及設(shè)計(jì)的過程中都非常地繁瑣，第一步是針對于語音而創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，通過自適應(yīng)差分脈沖編碼進(jìn)行調(diào)制的操作，從而形成數(shù)字量，接著再把數(shù)字量寫到EPROM存儲器里面，其次是進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)，其中的裝配主要涉及到了A/D轉(zhuǎn)換器、音頻放大器以及邏輯接口電路等。數(shù)量龐大的元器件，制作時(shí)間漫長，同時(shí)體積巨大的產(chǎn)品，所投入的資金成本高，語音識別中背景所造成的噪聲很大，另外更換音源也不是很方便。為了處理這種尷尬的局面，提出的方案，總結(jié)如下：

1 語音識別的步驟

語音信號的步驟先是通過預(yù)處理，其中該過程中包括了A/ D轉(zhuǎn)換，生成的信號是離散的數(shù)字信號，接著就頻譜分析，將語音中的信號提取出來，并且將語音信號用參數(shù)化的形式表示，一般情況下，特征矩陣的形成因素需要特征矢量，接著比較數(shù)據(jù)庫中的模式與該模式，最終識別的判斷與否是由決策實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)獲得判決的結(jié)果。

預(yù)處理：預(yù)處理所包括的內(nèi)容十分豐富，先是完成A/D轉(zhuǎn)換，該操作主要是為了通過采樣量化的形式把錄入到麥克風(fēng)中的最初模擬語音信號進(jìn)行處理為數(shù)字信號?？紤]到麥克風(fēng)，語音信號的失真因素包括了A/D轉(zhuǎn)化器以及在語言信號傳輸?shù)倪^程中通過的通道非線性響。另一方面，為了可以把頻譜分析的工作做到更好，就不得不盡量避免由于語音信號的衰減缺陷，在預(yù)處理的整個(gè)過程中，需要通過加權(quán)的方式對語音頻譜處理。在現(xiàn)實(shí)的生活實(shí)踐中，還存在環(huán)境噪音的因素，所以在語言識別的過程中離不開噪聲的抑制，噪聲對語音識別造成的影響等。

特征參數(shù)的提取操作是緊接著預(yù)處理的操作，在所有的語音識別中特征提取是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。其中在語音信號特征提取過程里面，特征參數(shù)要求主要包括如下幾點(diǎn)：

①能區(qū)分性以及代表性良好。②各個(gè)參數(shù)間的獨(dú)立性良好。③容易計(jì)算參數(shù)，其中可以確保實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)語音識別。全極點(diǎn)模型參數(shù)的表征需要借助于線性預(yù)測系數(shù)。在該預(yù)測系統(tǒng)中可以演變出多個(gè)參數(shù)，其中包括了線譜對系數(shù)、聲道面積比函數(shù)和相關(guān)系數(shù)等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)的語音采集系統(tǒng)所包括的功能模塊主要總結(jié)如下：耳機(jī)音頻輸出、語音錄音功能以及MIC錄音功能等。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的單片機(jī)選擇的型號是STC89C52，語音芯片選擇是ISD4004，通過這些硬件設(shè)備從而完成錄放語音的目的。芯片中操作的控制是需要STC89C52完成，當(dāng)觸發(fā)了操作命令后系統(tǒng)就會(huì)把命令經(jīng)過SPI總線再傳送給ISD4004芯片。單片機(jī)的模塊部分所包括的操作主要分為硬件初始化、對用戶輸入鍵盤的命令進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)ISD4004芯片會(huì)把命令接收到。他們是通過SPI總線來完成相互地通信的。ISD4004模塊的響應(yīng)完成需要借助于來自單片機(jī)中的命令，從而實(shí)現(xiàn)語音的采集、語音存儲、語音播放等。在語音采集以及語音播放的模塊中都有外圍電路，而語音采集的實(shí)現(xiàn)需要借助于MIC抑或是模擬信號從而把語音發(fā)送給ISD4004芯片里面，但是語音播放需要將ISD4004芯片里面的語音信號傳送給麥克風(fēng)抑或是對錄線。本文基于單片機(jī)的語音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 ISD4004變壓電路

考慮到ISD4004進(jìn)行工作的時(shí)候電壓是3V，但是單片機(jī)要的供電電壓是等于5V，所以就要ISD4004正常工作的前提是需要通過變壓電路獲得3V的工作電壓。穩(wěn)壓器選擇的是型號為AMS1117，AMS1117能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，比如將5伏的電壓轉(zhuǎn)為3伏。

3.2 語音輸入電路

將模擬輸入信號與ISD4004輸入相互連接，并且一個(gè)接口用來連接音頻與一個(gè)駐極話筒，其中的聲音錄制的方式具體可以分為兩種。選擇駐極體電容話筒，因?yàn)樵撛捯魝鞲衅髯鳛閷掝l高靈敏度中的一種，具有價(jià)格便宜以及體積小的特點(diǎn)。模擬信號的接收時(shí)直接通過音頻接口實(shí)現(xiàn)的，從而如此一來在錄制電子產(chǎn)品中的語音時(shí)候，可以中排出了外界的影響下進(jìn)行。錄音電路如圖2所示。

圖2 錄音電路

3.3 語音輸出電路

ISD4004芯片的輸出端與LM386功率放大器相互連接從而實(shí)現(xiàn)語音輸出信號的增強(qiáng)。LM386的特點(diǎn)總結(jié)為自身功耗低、電壓范圍大、可以調(diào)整電壓增益、同時(shí)失真小等。語音輸出的方式具體包括了：①通過喇叭輸出。②通過音頻接口輸出，這個(gè)音頻接口能夠和耳機(jī)連接。其中的放音電路如圖3所示。

圖3 放音電路

4 軟件設(shè)計(jì)

程序的設(shè)計(jì)模塊主要包括了：錄音、放音以及停止等。各個(gè)模塊中的實(shí)現(xiàn)都需要采取模擬SPI時(shí)序的形式將對應(yīng)的命令傳給ISD4004芯片中。在語言錄音以及語音放音的命令發(fā)送的過程中都要先完成通電的操作。該主程序可以對用戶按鍵的狀態(tài)進(jìn)行查詢，如果用戶按下了按鍵那么就會(huì)調(diào)用對應(yīng)的子程序。

4.1 主程序

給電路通電以后，主程序先是要初始化程序，接著可以對按鍵的狀態(tài)進(jìn)行查詢，然后當(dāng)系統(tǒng)是待機(jī)的狀態(tài)時(shí)候。當(dāng)按下按鍵，那么就會(huì)調(diào)用按鍵所觸發(fā)的子程序，同時(shí)將對應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。執(zhí)行完子程序后，就會(huì)回到主程序從而進(jìn)行下一個(gè)命令的等待。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 放音子程序

按下主程序里面的放音按鍵，主程序就會(huì)調(diào)用放音子程序。第一步是這個(gè)子程序會(huì)發(fā)送2次Powerup命令給ISD4004，接著就會(huì)出現(xiàn)TPUD等待，當(dāng)TPUD完成后就會(huì)啟動(dòng)SETPLAY命令，而該命令的地址值是等于ADDR，然后再啟動(dòng)PLAY命令，從而通過在特定的地址處系統(tǒng)啟動(dòng)放音主程序，實(shí)現(xiàn)放音功能。放音命令的部分核心代碼為：

結(jié)語：本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中語音采集的控制是通過單片機(jī)型號是STC89C52，進(jìn)而完成了語音錄入以及語音播放等功能，該語音實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有低投入成本、靈活的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用效果佳和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明了本文設(shè)計(jì)的語音放音以及語音錄放實(shí)現(xiàn)效果佳，同時(shí)單片機(jī)易控制。可以把語音采集電路嵌入到另外的電路里，從而完成更加復(fù)雜的語音系統(tǒng)，因此研究基于單片機(jī)的語音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)具有重大的理論意義與實(shí)用意義。

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