（计算机应用技术专业论文）一种嵌入式数字录音系统的研究与实现.pdf

摘要 随着公安、铁路等部门对语音记录的需求不断增长，出现了许多、不 音处理的产品。而数字录音系统作为其中的一种，经常用于某些监主 对话系统中， 在适当的时候用语音实时报告系统的工作状态和提示瘾 等。 在很多场合 下 ，使用p c 机实现数字录音的时候，由于p c机的ti 大，耗电多，成本高，所以它的应用受到了一定限制。 而采用语音芯片的实现方式，由于录放时间短、控制方式不灵作 不能同时进行录放音，其应用也受到限制。 本论文介绍了一种用单片机实现的嵌入式数字录音系统，该系与 为一个数字录音模块，可以将其封装在上面进行二次开发。它采用t 录音的原理， 录音时，单片机的c p u将语音信号转换为数字信号， 衣 存储器中。播放的时候，既可以播放录音文件，也可以播放提前存t 储器中的语音文件。 嵌入式数字录音系统体积小，操作方便，供电简单，造价低，r 范围广，本文中介绍的嵌入式数字录音系统的最大特点是具有同时寿 音功能，为很多场合下需要证明播放过语音文件提供了支持。 本文首先介绍了实现嵌入式录音的几种技术，然后介绍了数字辱 的原理，在这之后进行了系统的总体结构设计和详细的软硬件设计， 出了系统调试过程和实验结果。最后，对系统的应用前景进行了分杆 并提出了改进设想。 从实验结果来看， 本论文所设计的嵌入式数字录音系统稳定性较) 当 然要真正做到商业化还需要做很多的改进工作， 但它对许多要求i f 录放的场合是十分有用的。 关键词:嵌入式系统、数字录音 r m作才、 份帅以宪 北京交通大学硕_ 1 学位论文 abs t r act wi t h t h e g r o w t h o f t h e n e e d f o r s o u n d r e c o r d i n t h e d e p a r t m e n t o f g o n g a n a n d r a i lw a y , m a n y p r o d u c t s f o r s o u n d d i s p o s a l h a v e a p p e a r e d . a s o n e s o r t o f t h e p r o d u c t s , d i g i t a l r e c o r d i n g s y s t e m i s m a i n l y u s e d i n t h e s y s t e m s o f i n d u s t r i a l w a t c h a n d a u t o m a t i c r e s p o n s i o n , r e p o rt i n g t i m e l y t h e s t a t e o f w o r k i n g , w a r n i n g i n f o r m a t i o n , p r o m p t i n f o r m a t i o n a n d e x p l a n a t i o n . t h e s y s t e m i s o f t e n f o r m e d w i t h p c , b u t p c i s l i m i t e d b e c a u s e o f i t s v o l u m e , e l e c tr i c i ty c o n s u m i n g a n d h ig h c o s t . s o u n d i c i s a l s o l i m i t e d d u e t o s h o r t r e c o r d i n g t i m e , d i s a d v a n t a g e o u s c o n t r o l l i n g a n d l a c k i n g o f r e c o r d i n g a n d p l a y i n g s y n c h r o n o u s l y . t h e p a p e r h a s d e v i s e d t h e e m b e d d e d s y s t e m o f d i g i t a l r e c o r d i n g o n t h e b a s i s o f t h e p r i n c i p l e o f d i g i t a l r e c o r d i n g . wh e n r e c o r d i n g , t h e m i c r o c o n t r o l l e r w i l l c o n v e r t t h e a n a l o g s i g n a l s i n t o t h e d i g i t a l s i g n a l s a n d t h e n s t o r e t h e d i g i t a l s i g n a l s in t h e f l a s h me m o r y . wh i l e p l a y i n g t h e s o u n d , t h e r e c o r d i n g f il e o r t h e .w a v f i l e c a n b e b o t h p l a y e d . t h e e m b e d d e d s y s t e m o f d i g i t a l r e c o r d i n g h a s a l o t o f v i rt u e s , s u c h a s s m a l l v o l u m e , fl e x i b l e o p e r a t i o n , a d v a n t a g e o u s p o w e r s u p p l y , l o w c o s t a n d w i d e a p p l i c a t i o n . t h e m o s t p a rt i c u l a r i s i t s f u n c t i n o f r e c o r d i n g a n d p l a y i n g s y n c h r o n o u s l y , u s e f u l a t t h e t i m e o f n e e d f o r c o n f i r m i n g t h e p l a y i n g o f t h e v o r c e . t h e p a p e r f i r s t l y i n t r o d u c e s s e v e r a l w a y s o f d e s i g n i n g t h e s y s t e m , t h e n t h e p r i n c i p l e o f d i g it a l r e c o r d i n g , a n d t h e n t h e m a i n a r c h i t e c t u r e o f th e s y s t e m a n d t h e d e v i s i n g o f t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e . a t l a s t t h e f u t u r e o f t h e s y s t e m a n d s o m e t h i n k in g o f p r o m o t i n g i s p r o v i d e d . t h e e m b e d d e d s y s t e m o f d i g i t a l r e c o r d i n g i s p r o v e d t o b e s t a b l e a f t e r t h e t e s t o f i t . o b v io u s l y t h e s y s t e m h a s t o b e p r o m o t e d b e f o r e i t s c o m m e r c i a l i z a t i o n , y e t i t i s u s e f u l h i g h l y f o r t h e s i t u a t i o n n e e d i n g r e c o r d i n g . k e y w o r d s : t h e e m b e d d e d s y s t e m , d i g i t a l r e c o r d i n g 第1 章 绪论 ; 1 . 1论文背景 随着我国经济建设的迅猛发展，公安、铁路、民航、金融等部门对 语音记 录的需求不断增长。把语音生成技术用于工业监控系统、自 动应 答系统、多媒体查询系统、智能化仪表、办公自 动化系统或家用电气产 品中，使它们具有语音输出功能， 使之能在适当的时候用语音实时报告系 统的工作状态、 警告信息、提示信息或相关的解释说明等， 无疑在提高人 机通信能力、减少对错误处理的遗漏、提高系统性能、降低人们的工作 强度等方面都有极大的好处。 数字录音系统是将现场的语音模拟信号转变为离散的数字信号， 然 后存储在一定的存储介质上的一种录音方式，它也是数字语音处理技术 中常用的一种方式。采用数字录音技术，有较高的效率和自 动化程度， 录音时间也长，并可将信息长期保存于存储介质中，同时对语音信息进 行编辑整理非常方便，可快速查找。 实现数字录音系统可以 采用p c机实现和嵌入式系统实现两种方式。 当 使用 p c机的时候，由于它的体积庞大，耗电高，造价也高，并且在 某些情况下系统的稳定性得不到保证，所以用 p c机来实现前述的各项 功能和操作， 就受到了一定的限制。 而嵌入式系统的体积小， 供电方便， 造价低，稳定性也高，所以得到了 广泛的应用。 本文中设计的嵌入式数字录音系统，主要是要满足以下几个指标: 1 、足够长的录音时间，至少3 0 分钟以上的时间，主要满足对长时 间数字语音记录的需要; 2 、 大容量非易失数据的存储器作为存储媒介， 可以保存语音文件和 一记录; 3 、 灵活方便的控制方式， 可以随心所欲地进行客户所需要的各种对 语音的操作; 北京交通大学硕士学位论文 4 、好的语音质量的保证，必须有足够高的采样频率; 5 、合理的数据压缩方式， 既保证语音的质量， 又要尽可能地充分地 利用存储空间; 6 、同时录放音，即实现语音数据全双工传输; 7 、与p c机联机，能够将语音文件传入存储器，以备播放时用。 现阶段下，实现嵌入式录音系统主要有三种方案:语音芯片实现、 d s p 芯片实现和通用单片机实现。 互 1 . 2当前嵌入式录音系统实现的方案 1 .2 . 1语音芯片的采用 采用语音芯片进行录音是一种可行的方法，它有音质 自然、单片存 储、反复录放、低功耗等优点。 现有的主流语音芯片有以下几种: 1 . i s d系列 0 一 块 i s d芯片上集 成有麦克 风前置 放大 器( a m p ) 、自 动增益控制电 路 ( a g c ) 、 抗 混 淆 和 平滑 滤 波 器、 模 拟存 储阵 列、 扬声 器 驱动 器、 控制 接口和内部精确的参考时钟，外部元件包括:麦克风、扬声器、开关和 少数电阻、电容，再加上电源和电池。 i s d系列语音芯片包括如下几种: 表1 - 1 i s d系列语音芯片技术指标 芯片型号 录音时间 采样频率特点 i s d 1 4 0 0 系列 1 6 -2 0 秒 6 . 4 -8 .o k h z i s d 2 5 0 0系列 3 2 - 1 2 0 秒 4 . 0 - 8 . o khz i s d 3 3 0 0 0 系列 6 0 - 2 4 0 秒 4 . 0 - 8 . o khz i s d 4 0 0 3 系列 1 4 -8 分钟 4 .0 一 一 8 .o k h z 边 缘 / 电 平 触 发 放 音 ， e e p r o m存储器， 真实、自 然再现语音和音乐， 1 0 0 ,0 0 0 次录音周期 ( 典型值) 边 缘 / 电平 触 发 放 音 ， e e p r o m存储器， 真实、自 然再现语音和音乐，避免了 量化噪音，1 0 0 ,0 0 0次录音 周期 ( 典 型值 ) 自 动静噪功能，内置微控制 器串行通信接口， e e p r o m 存储器，真实、自 然再现语 音和音乐，避免了量化噪 音，反复录音十万次 自 动静噪功能，内置微控制 器串行通信接口，音质真实 自然， e e p r o m存储器， 反 复录音十万次 i s d系列芯片的控制录放音有两种方式: 引脚的边沿或电平触发控制 和微控制器串行通信接口控制，这两种方式都不能用类似文件的方式进 行控制， 因此操作不方便; 它的存储器采用的是非易失数据的e e p r o m, 但它的容量较小，由表1 - 1 可以看出， 最大录音时间只有8 分钟;另外， i s d系列芯片不能同时 进行录放音。由 于上述原因，本嵌入式数字录音 系统不采用i s d系列语音芯片。 北京交通大学硕 学位论文 2 . a p r系列 a p r系列录放语音芯片有以下几种: 表1 - 2 a p r系列语音芯片技术指标 芯片型号 录音时间主要特点 a p r 9 3 0 12 0 -3 0 秒 单芯片优质语音录放， 客户可 自调语音长度 信息， 不易丢失数据的 闪存技术， 电平触发录 音和边缘触发放音， 低 功耗 a p r 9 6 0 03 2 -6 0 秒 不易丢失数据的闪存 技术， 随机存取多段固 定和可变长度信息， 电 平触发录音和边缘触 发放音，低功耗 a p r 6 0 0 84 -8 分钟 先进的不易丢失数据 的闪存技术， 可程控采 样频率，单一的 3 v电 源供电，自动抑噪电 路，低功耗 a p r 6 0 1 68 -1 6 分钟 内置时钟源前置分频 器， 先进的不易丢失数 据的闪存技术， 可程控 采样频率， 单一的 3 v 电 源供电，自 动抑噪电 路，低功耗 a p r系列芯片的控制录放音有两种方式:电平触发录音、边缘触发 放音控制和微控制器串行外设接口控制，这两种方式也都不能用类似文 件的方式进行控制，因此操作不方便;它的存储器采用的是非易失数据 的多段式闪存，由表1 - 2可以看出，a p r系列语音芯片最长的录音时间 也 只有 1 6 分钟;另外， a p r系列芯片也不能同时进行录放音， 所以 本嵌 入式数字录音系统亦不采用a p r系列语音芯片。 1 . 2 . 2 d s p芯片的采用2 4 ) d s p芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理 运算的微处理器， 其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有以下特点: ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算。 ( 2 ) 程序和数据存储空间分开，可以同时访问数据和指令。 ( 3 ) 片内具有快速r a m，通常可通过独立的数据总线进行访问。 ( 4 ) 具有低开销或无开销执行循环及跳转操作的硬件支持。 ( 5 ) 快速的中断处理和硬件1 / o支持。 ( 6 ) 在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 7 ) 可以并行执行多个操作。 ( ( 2 ) 防混叠低通滤波器的截止特性。 数字音频的质量与采样频率和量化精度有关，数字音频可分为以下 几个质量等级: 7 l 表 2 - 1数字音频质量等级 信号类型频率范围( h z )采样频率( k h z )量化精度( 位) 电话语音2 0 0 - 3 4 0 0 88 宽带音频 5 0 - 7 0 0 01 61 6 调频广播 2 0 - 1 5 k3 7 . 81 6 高质量音频 2 0 - 2 0 k4 4 . 11 6 由于本系统录音的对象是人说话时的语音，人的语音频率大概在 3 0 0 h z至3 .4 k h z 之间，根据取样定理，采样频率应该高于 6 . 8 k h z ，从 表2 - 1 可以 看出，普通语音选取的是8 k h z ，但为了提高声音的保真度， 减少滤波实现的难度，同时与微机的录音频率最大程度地接近，所以 系 统选取采样频率为1 1 . 0 2 5 k h z o 北京交通人学硕 1 : 学位论文 3 . 混叠的防止 经过取样后，原信号的频谱分布要有改变。如果取样频率小于信号 最高频率f n 的两倍，或信号的实际最高频率超过了f e ，则会产生频谱混 叠现象，以后就无法将原信号复原，并月 . 出现混叠噪声。 为了将声频信号严格限制在f n 以下，应先让原信号通过一个高频截 止频率为f n 的低通滤波器后再进行取样。 4 . 取样保持电路 取样保持电路是在a / d变换器之前， 为使取样保持一定时间而设的。 由于a / d变换器的转换需要一定时间才能完成，而输入的模拟信号是不 断变化的，因此取样值必须保持一定时间。 5 . 取样产生的孔径效应 取样定理所叙述的由取样的 p a m 信号可以完全恢复原模拟信号是 有条件的， 即 取 样脉冲的宽 度( 即 脉 冲所占 时间 ) 应为 无限 小， 但实际的 取 样脉冲都有一定的宽度， 这就会使恢复的模拟信号的高频特性产生失真， 这种效应称为孔径效应。实验证明，当取样脉冲宽度为取样周期的 1 / 4 时，孔径效应所产生的高频损失约为 0 .2 d b ,人耳对它不能察觉到，不会 成为问题。 2 . 3 . 2量化1 3 1 1量化的概念 将模拟信号的取样值，经 “ 四舍五入”的方法转换成一种数字信号 的过程称为量化。在数字语音技术中，我们采用二进制表示一个数，即 用 “ 1 11 . 0 ”来表示一个数，逢2 进1 ，用电路的接通和断开即可实现。 采用二进制时的有效位数称为比特数或位数，在进行舍入运算的过程中 会产生舍入误差。 山 取样定理知道，如果取样频率能满足这个定理，就会完全恢复原 波形，但要真正完全恢复原波形，则需要无穷多位数。在通常的数字系 统中，每个取样点都会产生舍入误差，并且存在与这种舍入误差相应的 失真和噪声，称为量化噪声或量化失真。 量化阶梯数，或量化级数，是指量化所能取值的数目。以二进制量 化时， 位数越多， 量化阶梯数也就越多， 1 6 位的量化阶梯数为6 5 5 3 6 个， 量化误差己很小。对于量化阶梯相等的量化方法称为线性量化或均匀量 化，不相等则称为非线性量化或不均匀量化。均匀量化的量化噪声也是 恒值，因此信号幅度大时，信噪比高;信号幅度小时，信噪比低，噪声 较明显。非均匀量化在信号幅度小的时候，量化阶梯高度也小，信噪比 可以较好。信号幅度大的部分，量化阶梯高度也大，虽然量化噪声大， 但由于人耳的掩蔽效应，对信号幅度大时增大的噪声会感觉不出 来。 由表2 - 1 可以看出，对于普通语音，量化精度选取8 位就可以满足 数字化语音质量的要求，因此本系统的量化位数就选取8 位。 2量化噪声 对取样进行量化时，如果用 m 比特，设信号最大值为， 1 ，则量化 等 级 数q = 2 m ， 每一 级的 电 平 为 = 2 / 2 m = 2 l-m ， 也 就 是量 化 噪 声 的 振幅。 若瞬时噪声电压为v ， 则单位负载上的瞬时 噪声功率为v 2 ， 于是平均量 化噪声功率n为 n - l严v 2d v 一 兰_ a/ 2 j 0 1 2 2 2 - 2 m 当声噪信号为正弦波时， 并且峰峰值为， 1 1 1 2 则在单位负载上的功率 s为 _1 2 r .， _. _1 j二1 s l ri d de=一 2 7 r j 0 2 于是，可以算出以d b表示的信噪比为 si n 二6 .0 2 m + 1 . 7 6 可见， 量化比 特数m越大， 信噪比越好。量化噪声是均匀分布在0 北京交通大学硕士学位论文 -f s / 2的频带中，另外量化噪声的振幅为常数，它等于，不随信号大 小而改变，因而当信号很大时，系统的信噪比很高;但当信号很小时， 则量化噪声对系统的音质影响就将十分明显。 3量化噪声的减低 对于量化噪声可采用在信号中加给高频抖动信号的方法，量化后， 再减去高频抖动信号，而使量化噪声白噪声化。 量化噪声随量化比特数增大而相应减小，但不能减为零。量化噪声 是不同 于白 噪声( 即等带宽能量相等的噪声) 的一种高频噪声， 它是由比 较 少的孤立频谱重叠而成的噪声。因此在听感上与白噪声不同，是一种较 粗糙的、 刺耳的、 称为颗粒性噪声的声音。 可以 将一种称为高频脉动的、 与量化阶梯高度相等的小振幅白噪声与信号重叠，经量化后，颗粒性噪 声即被白 噪声化， 使听感变好。 理论上将与量化阶梯高度v相等的均匀分布的高频抖动在量化前先 与信号相重叠，量化后再将高频抖动除去，量化噪声就成为宽度为 v 、 电 功率v 2 / 1 2 的均匀分布的白 噪声。 另外，还可由过取样减低量化噪声，利用非均匀量化的输入输出特 性也可减低量化噪声。 2 . 3 . 3编码m p 1 二进制使用 “ 0 1 ” 两个数字， 逢二进一， 用二进制数表示某一数 值时，这一二进制数称为字，这种表示过程称为二进制编码。常用的各 种二进制码有自 然二进制码、偏移二进制码、2的补码、偏移反射二进 制码和折叠二进制码。 将模拟信号转换为数码，然后再转换成二进制数字信号的方法称为 脉冲编码调制( p c 叫， 冠以 脉冲是因为 转换后的 数字信号以 脉冲形式出 现 。 2 .4数字信号的检错、纠错及模拟信号的恢复 2 .4 . 1数字信号的检错和纠错m 数字信号在传输或记录过程会产生误码，根据产生的状态，误码可 分为随机性误码和突发性误码两类。随机性误码是指彼此孤立的误码， 突发性误码是指彼此连续的集中误码。 为了避免重放己记录的数字信号时，由于各种原因所造成的连续的 突发性误码影响重放，采取在记录时改变数字信号的顺序，重放时再按 原来顺序重排回来的措施称为交织。经过交织，可以将记录媒质上所产 生的突发性误码，在信号恢复为原来顺序后被分散开形成随机性误码， 以便于采取措施进行纠错。常用的检错和纠错方法有:奇偶校验码、交 叉交织码、循环冗余校验码和邻接码。 2 .4 . 2模拟信号的恢复il l 数字信号经反交织、纠错码处理和d / a变换后，还要经窗口电路和 低通滤波器才能恢复为模拟信号。 1窗口电路 d / a变换器的输出信号需馈送到一个窗口电路，窗口电路是由一个 模拟开关和两个缓冲放大器组成。因为d / a变换器的输出信号必须经过 一定时间后才能达到稳定值，利用来自 模拟开关的控制信号，可在波形 稳定后读出电压值，输出p a m信号。 2解调低通滤波器 当窗口电路输出的p a m 个脉冲响应的零点时到来， 【 信号， 如果设计得使下一个脉冲正好在上一 则通过低通滤波器后的脉冲串可变为各个脉 冲响应的合成波，重现出原信号的波形。 北京交通大学硕 学位论文 第3 章 嵌入式数字录音系统的总体设计 在前一章介绍的数字录音原理的基础上， 结合实际的情况和需要， 从 系统的任务和要求入手，开始对系统进行总体设计。 3 . 1系统的硬件总体设计 由上一章的理论，嵌入式数字录音系统应由下面各部分组成; + 5 v ,c 5 v o c 输入一一 - - 一 卜 + 3 v . 图3 - 1 系统总体设计框图 本嵌入式数字录音系统采用包含有a d与d a电路的单片机来实现 模拟信号和数字信号的相互转换，因此不需要再另外设计专门的a d与 d a变换电 路， 其中单片机中的d a变换己 实现窗口电 路的功能，所以 本 系统也无需再设计窗口电路。 在语音信号从驻极体麦克风进入通用单片机之前，应该进行信号的 放大和滤波处理， 所以应有相应的输入电路和器件; 同样在放音的时候， 信号经过 d a变换后，也要经过滤波和放大处理，最后通过扬声器将语 音播放出来。 为了 保 证 录 音时 间 满 足要 求， 本系 统 连 接了 一片f la s h m e m o r y 来存 储语音文件和其它的相关参数。f l a s h m e m o r y 又称闪烁存储器、快闪存 储器，是一种高密度低成本的大容量新型半导体存储器，由于 f l a s h m e m o r y断电后数据不会丢失，同时它的容量较大，3 2 m 的空间在 1 1 .0 2 5 k h z 的 速率下， 录音可达到4 0 多分钟的时间。 因 此， f l a s h m e m o r y 是实现本系统各种功能的保证，也是系统的关键技术之一。 考虑到应对本数字录音系统进行控制，以实现录放音等操作， 所以 本系统设计了ttl 2 3 2 接口与p c机相连，p c机发送相应的指令控制单 片机进行不同的操作。 所以，可以设计系统的硬件结构图，如图 3 - 2 所示: 输入 输出 图3 - 2 系统硬件结构图 由 图3 - 2 可以 看出 ， 本系统主 要由 通用单片 机、 一 片f l a s h m e m o r y , 输入信号放大电 路和输出 信号电 路组成， 通过t f l ,2 3 2 接口 与p c 机相连， 当 p c机发出相应的指令，系统可执行相应的操作， 这些操作包括:录 音开始、录音结束、 放音开始、中断放音、传送文件、擦除块、读取系 统参数、读取列表区数据。 在录音时，声音信号放大后通过a d管脚进入单片机，经过a d转 换后，数据被存储在 f l a s h m e m o ry 中， 放音时单片机将存储在 f l a s h m e m o ry中 的 语 音 数 字信 号 ( 可以 是录 音 数 字 文 件数 据， 也 可以 是 固定 的 语音文件数据) 。 经过d a转换后再经d a管脚输出， 经输出电 路通过扬 声器将声音播放出来。 北京交通大学硕士学位论文 录 音的 命 令格 式 是: r e c o r d 【 文 件名 ，日 期 ， 时间 ， 格 式 l l l l # ; 录音结束的命令格式是:e n d # o 放 音的 命 令 格式 是: p l a y 文 件 名 ，日 期 1 1 时间 ， 格式 1 1 1 1 # ; 中 断 放音的命令格式是: s t o p # o 传送文件是将特定语音的语音文件从 p c机通过 ttl 2 3 2串口 传入 f l a s h m e m o r y 中，当播送特定的 语音时， 可以 将这些固定语音的语音文 件进行拼接，然后播放出来。 擦除块是将f l a s h m e m o r y 中 存储的 某些数据删掉， 以 写入新的 数据。 读 取系统参数是将f l a s h m e m o r y 中 存储的诸如版本号、日 期、 录音区和 放音区开始地址、总长度、首尾指针以及录音最大长度、格式等系统信 息通过t t l 2 3 2 串口传送至p c机以备察看和使用。 读取系统参数的命令 格式是:r e a d # e 由于列表区存储的是语音文件的信息，如:文件名、日期、时间、 起始地址、长度和格式，所以读取列表区数据就是将这些信息通过 ttl 2 3 2 串口 传送至p c 机， 使用户可以了 解文件的各种信息以 及存储区 的使用情况。 读取列表区参数的命令格式是: l i s t 1 / 2 # 0 系统在实现录放音的功能时， 采样频率为1 1 . 0 2 5 k h z 。 在输入录音命 令和文件名等参数之后，系统开始录音，输入停止录音命令或录音时间 达到预设值后，系统即停止录音。在播放语音文件时，只要输入放音命 令和要播放的连续文件名即可，可以中断正在播放的语音来进行其它的 操作。 由上述可知，本数字录音系统有如下几个特点: ( 1 ) 录音时间长。 只有有了 足够长的 录音时间的保证，开发出来 的数字录音系统才会有实际应用的意义。 ( 2 ) 非易失 性 存储。 f l a s h m e m o r y 在断电 后数据不 会丢失， 这样 录音时数据即可保存在f l a s h m e m o r y 中，同时一些预先录制的语音文件 也可提前存入f l a s h m e m o r y 中， 在需要的时候进行播放。 ( 3 ) 同时录放音。在很多的语音使用场合中，都要求在播放语音 文件的同时，能将其和外界的声音录下来，以作为对播放该语音文件的 证明。 而本系统就具有此功能， 在播放存于f l a s h m e m o r y 中 语音的同时， 可以将正在播放的语音与此时外界的声音录制下来，这是本系统的一个 显著特点。 ( 4 )串行口 控制。在本系统与p c 机通过串口 相连的情况下， 向系 统输入命令可实现录放音、显示系统参数等功能，另外若在本模块的基 础上进行二次开发，则通过串口向该模块输入命令即可达到控制操作的 目的。 ( 5 ) 可二次开发。本系统只是实现基本的录放音功能，而在实际 的应用中，会需要更多更强大的功能，而本系统在实现这些基本的功能 以外，单片机仍有很多资源未用，所以将本系统封装后作为一个模块， 可以在其上进行二次开发，以在实际的应用中满足更多的需要，实现更 强的功能。 3 . 2软件总体设计 系统功能的实现依赖于软硬件的协同工作。软件开发有两部分的工 作， 它们是单片机控制软件和p c 机控制软件。 单片机控制软件实现录放 音、中断放音、停止录音、读取参数等功能，p c 机控制软件实现向单片 机传送系统参数和语音文件功能。 单片机控制软件采用循环查询方式，即各种操作都有一个标志位， 系统循环检查各标志位，若发现某标志位置 1 ，即执行相应的操作，若 有标志位同时置1 ，则按照程序的顺序先后执行。 主程序流程如图3 - 3 所示: 北京交通大学硕 卜 学位论文 图3 - 3 主程序流程图 循环处理子程序: 从ttl 2 3 2 接口 传送到单片机的如果是完整的操作命令， 则命令字符 转入命令处理子程序处理，命令参数则转入参数处理子程序进行处理。 在传送语音文件数据时， 由 于f l a s h m e m o r y 读写是以 一页为单位的， 所以当单片机接受到一页数据的时候才进行处理。 在录放音过程中，不论是录音还是放音，都是分三部分进行的，这 样做的目的是能够同时录放音，即在微观上是顺序执行，但在宏观上是 并行执行的。首先是初始化，即进行录音或放音的准备工作，然后是录 音 或 放 音的 执 行， 即 向f l a s h m e m o ry种写 入 语音 数 据或 从f la s h m e m o r y 中读出语音数据，最后是录放音结束，进行一些收尾工作。 若 要了 解系统的 一 些工 作状况， 可 通过从f l a s h m e m o r y 中 读取系 统 参数和录音区参数、 放音区参数来实现。 这些参数有的是预先存入f l a s h m e m o ry中 的， 有的 是 进 行录 音后才 存入f l a s h m e m o ry中 的。 循环处理子程序工作流程如图3 - 4 所示: 2 1 北京交通大学硕_ _ 学位论文 图3 - 4 循环处理子程序流程图 p c机控制软件主要实现三个功能:一是将系统参数传入 f l a s h m e m o r y中，二是将多个语音文件拼接成一个语音数据文件同时生成一 个列 表 文件， 三是 将生 成的 语音数据文件和 列表文件 传入f l a s h m e m o r y 中。 p c机控制软件的功能结构图如图3 - 5 所示: 图3 - 5 p c机控制软件功能结构图 北京交通人学f 4 : 学位论文 第4 章 系统的硬件设计 在 匕 一章对系统的总体结构和性能特点分析的基础上，对嵌入式数 字语音录放系统进行硬件设计。这主要包括三个方面的内容: 一 是通用 单片机即微处理器的 选择; 二是f l a s h m e m o r y 的选择; 三是输入放大电 路和输出电路的设计。 4 . 1通用单片机的选择 4 . 1 . 1微处理器的选择 对于微处理器的选择，一般需考虑如下问题:处理能力、成本、程 序存储器空间r o m和数据存储器空间r 八 m。 1 . 处理能力 在系统中，所选的微处理器必须能准时完成任务。 在进行数字录音的过程当中，由于采样频率是1 1 . 0 2 5 k h z ，所以每 个采样点的间隔时间是: 1 1 . 0 2 5 = wa s 在这段时间内，微处理器必须能将a d 转换后的数据存入f l a s h m e m o ry中 ，由 于 录 放 音 是同 时 进 行的 ， 所以 还 应能 将f l a s h m e m o ry中 的数据读出。 若读数据， 有时 序图4 - 1 如下6 l o o h i i起始地址 数 据 输 出 e违)xb alir1/0月 图4 - 1读数据时序图 从图中 可以 看出， - - r e 的每个脉冲读出 一个数据， 由 于f l a s h m e m o r y 的读写是以页为单位的，所以读出5 1 2 个字节的时间加上开始输入命令 和起始地址操作所用的时间t ，应平均分配到每个采样点中去，则应有 5 1 2 9 1 , u s 对f l a s h m e m o r y 的读操作作一个估计， 每读一个数据都有d a 中断， 而中断处理考虑到响应时间，并需要进行现场保护、数据处理、现场恢 复、 返回等操作， 大约需要1 8 条指令， 读一页则需要1 8 * 5 1 2 = 9 2 1 6 条指 令。 考虑同 时 录 放操作， 数 据同 时 读写， 则需 要9 2 1 6 * 2 = 1 8 4 3 2 条 指令。 以两万条指令为例，又设微处理器的机器频率是 f ( 每秒执行的指令条 数) ，则 2 0 0 0 0 x 生 二 上x 1 a 0 . 6 m h z . ( 4 - 1 ) 七 京交通人学硕 卜 学位论文 对于普通的 i n t e 1 5 1 单片机，考虑到为以后二次开发的数据压缩等 操作留有一定的处理能力，所以本系统没有采用。 在选用微处理器时， 首先应考虑厂商， 著名的厂商有mo t o r o l a 公司、 华邦公司 、 d a l l a s 公司、 p h i l i p s 公 司、 c y g n a l 公司、 三 星公司、 s c e n i x 公司等公司的产品可供选择。 本系统中选择c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 系列，原因是:c 8 0 5 1 f 系列单 片机有丰富的模拟和数字资源，并采用了一些在单片机中前所未有的新 技术，在c p u的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能，更 易 于在最终 应用中 使用。 它 有如下的 优点: 15 1 ( 1 ) 高速的c i p - 5 1 内核。为了提升速度，d a l l a s 公司p h i l 工 p s 公司 采用传统的改变总线速度的方法， 将机器周期从1 2 个缩短到4 个和6 个， 速度提升有限。 c 8 0 5 1 f 单片机使用c y g n a l 的专利c i p - 5 1 内核，c i p - 5 1 核采用流水线结构，机器周期由标准8 0 5 1 的 1 2 个系统时钟周期同期降 为 1 个系统时钟周期， 处理能力大大提高， 大部分c 8 0 5 1 f 单片机的峰值 性能达到2 5 m i p s o c i p - 5 1 的中断系统可以提供2 2 个中断源，允许大量 的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的 m c u 干预，却有更高的执行效率。 ( 2 ) i / 0实行交叉开关配置。迄今为止，工 / 0 端口大都是固定为某个 特殊功能的输入/ 输出口，可以是单功能或多功能，i / 0 端口可编程选择 为单向 / 双向以及上拉、开漏等。固定方式的工 / 0 端口，既占 用引脚多， 配置又不够灵活。为此，s c e n i x公司在推出的8 位s x单片机系列中， 采取虚拟外设的方法将 工 / 0的固定方式转变为软件设定方式。而在 c 8 0 5 1 f 中，则采用开关网络以 硬件方式实现工 / 0 端口的 灵活配置。 在这 种通过交叉开关配置的工 / 0 端口中， 单片机外部为通用工 / 0 端口， 如p 0 . p 1 和p 2 。内有输入/ 输出的电 路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉 开关配置到所选择的端口 上。 ( 3 ) 双重系统时钟。c 8 0 5 1 f单片机内部有一个能独立工作的时钟发 生器并具有外部振荡器驱动电路。在复位后内部时钟发生器被默认为系 统时钟。外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、r c 电路或外部 时钟源产生系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行期间在内部振荡器 和外部振荡器之间切换。这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用 的，它允许m c u从一个低频率 ( 节电)外部晶体源运行，当需要时再周 期性的切换到高速的内部振荡器。 ( 4 ) 在系统调试。c 8 0 5 1 f 单片机具有片内j t a g和调试电路，通过 4 脚的 j t a g接口并使用安装在最终应用系统中的器件纠可以进行非侵入 式、全速的在系统调试。c y g n a l 的调试系统支持观察和修改存储器和寄 存器、支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。调试时不需要额外 的目 标 r a m ,程序存储器、定时器或通信通道，并且所有的模拟和数字 外设都正常工作。当m c u单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外 设( a d c除外) 都停止运行，以 保持同步。对于开发和调试嵌入式应用来 说，该系统的调试功能比采用标准m c u 仿真器要优越得多，标准m c u 仿 真器要使用在板仿真芯片和目 标电缆， 还需要在应用板上有m c u 的插座。 c y g n a l 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 ( 5 ) 多源复位。 迄今为止的8 0 c 5 1 系列单片机多数停留在只提供引脚 复位一种方法。 为了系统的安全和c m o s 单片机的功耗管理， 对系统的复 位功能提出了 越来越高的要求。 c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 把8 0 c 5 1 单一的 外部复位发展成多源复位。c 8 0 5 1的多复位源提供了上电复位、掉电复 位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器 0复位、w d t复 位和引脚配置复位。众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性以 及零功耗系统设计带来极大的好处。 ( 6 ) 最小功耗系统的最佳支持。 在c m o s 系统中， 按照c m o s 电路的特 点，其系统功耗w s 为 w s 二c v 2 f 式中，c 为负载电容，v 为电源电压，f 为时钟频率。 c 8 0 5 1 f 是8 位机中首先摆脱5 v供电的 单片机， 实现了片内 模拟与 数字电路的 3 v供电，大大降低了系统功耗;完善的时钟系统可以保证 系统在满足响应速度要求下，使系统的平均时钟频率最低;众多的复位 源使系统在掉电方式下，可随意唤醒，从而可灵活地实现零功耗系统设 北京交通大学硕 学位论文 计。因此，c 8 0 5 1 f具有极佳的最小功耗系统设计环境。c 8 0 5 1 f虽然摆 脱了5 v供电， 但仍可与5 v电路方便地连接。 所有1 / o端口可以接受5 v 逻辑电平的输入， 在选择漏开加上拉电阻到5 v后， 也可驱动 5 v的逻辑 器件。 在c 8 0 5 1 f 系列单片机中， 常用的有c 8 0 5 1 f 3 1 0 , f 0 2 0 , f 0 2 2 , f 0 0 5 , 和f 3 3 0 ，其基本参数如下 表4 - 1常用c 8 0 5 1 f 系列单片机的型号和参数 芯片 型号 m i p s ( 峰值) f l a s h 存储器 ( 字节) r a m ( 字节) 外部 存储器 接口 数据 工 / 0口 a d c 精 度及转 换速率 d a c输 出 f 3 1 02 51 6 k1 2 8 02 91 0 6 i t , 2 1 c h , 2 0 0 k s p s f 0 2 02 56 4 k4 3 2 5j6 41 2 b i t , 8 c h , 1 0 0 k s p s 1 2 b i t , 2 c h f 0 2 22 56 4 k4 3 2 5 了6 4 8 6 i t , 8 c h , 5 0 0 k s p s 1 2 b i t , 2 c h f 0 0 52 53 2 k2 3 0 43 21 2 b i t , 8 c h , 1 0 0 k s p s 1 2 6 i t , 2 c h f 3 3 02 58 k7 6 81 71 0 b i t , 1 6 c h , 2 0 0 k s p s l o b i t , l c h 从表4 - 1 可以看出， 在时钟频率为2 5 mh z 时， 各个芯片的速度可达 到2 5 mi p s ，能满足本系统的要求。 2 . 成本 任何系统中对微处理器的选择都要考虑成本的因素，若忽略成本的 因素， 使产品的价格过高，在市场上将没有竞争力。从表 4 - 1 也可以 看 出， 最常用的这五种型号， 也是c 8 0 5 1 f 系列单片机中成本最低的，因此 从这五种型号中选择一种都可满足对成本的要求。 3 . 程序存储器空间r o m 由于本嵌入式数字录音系统作为模块化的产品，可以在其上进行二 次开发，所以对程序存储空间的需求必须考虑为以 后的开发留有余地， 比较表 3 - 1 各型号的单片机，f 0 2 0 . f 0 2 2 的程序存储空间都为6 4 k ,所 以这两种型号可作为候选的微处理器。 4 . 数据存储器空