基于单片机的SD卡录音笔设计与实现毕业论文.doc

I 基于单片机的基于单片机的 SDSD 卡录音卡录音 笔设计与实现毕业论文笔设计与实现毕业论文 目 录 1 绪论 1 1 1 SD 卡录音笔概论 1 1 2 录音器的发展历史 3 1 2 1 留声机 3 1 2 2 钢丝录音和磁带 3 1 2 3 数码录音笔 4 1 3 SD 卡录音笔的发展趋势 5 1 3 1 提高录音质量 5 1 3 2 多功能于一身 5 1 3 3 降低成本减小体积 5 1 4 基于单片机的 SD 卡录音笔研究意义 6 2 录音笔功能分析及开发环境 7 2 1 功能概述 7 2 1 1 SPCE061A 对 SD 卡的读写功能 7 2 1 2 录 放音及删除功能 7 2 2 设计环境介绍 8 2 2 1 系统硬件环境介绍 8 II 2 2 2 软件工作环境 NSP IDE 介绍 9 2 2 3 工程的操作 13 2 2 3 1 创建工程过程 13 2 2 3 2 开发操作过程 13 3 录音笔总体设计方案及硬件设计 15 3 1 总体设计方案 15 3 1 1 硬件设计总体框图 15 3 1 2 系统软件设计架构 16 3 2 系统硬件设计 17 3 2 1 系统硬件连接实物图 17 3 2 2 SPCE061A 最小系统 17 3 2 3 按键电路 19 3 2 4 音频输出电路 19 3 2 5 SD 卡模组电路 20 4 系统软件设计 21 4 1 主程序设计 21 4 2 按键处理程序流程 23 4 3 按键扫描程序 29 4 4 语音录 放在 SD 卡上的实现 31 4 5 语音文件操作管理程序 36 4 6 录 放音程序 37 5 系统测试及性能分析 39 III 5 1 喇叭测试 39 5 2 程序下载及运行 40 5 3 系统功能测试 41 结论 42 致谢 43 参考文献 44 附录 45 附录 1 主程序代码 MAIN C 45 外文资料翻译 附原文 56 1 1 绪论 1 1 SD 卡录音笔概论 SD 卡录音笔 数字录音器的一种 特点是机身小巧精致 携带方便 录 音笔是通过 SD 卡的方式来存储音频的 比较于以前的录音机和磁带录音方 式来讲 录音笔通过对模拟信号的采样 编码将模拟信号通过数模转换器转 换为数字信号 并进行一定的压缩后进行存储 音质效果也要比传统的录音 机好一些 而数字信号即使经过多次复制 声音信息也不会受到损失 保持 原样不变 由于是数字的录制方式 因此数码录音笔的播放 定位 查找都 非常的方便 并且可以实现循环播放 SD 卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备 它被广泛地于便 携式装置上使用 例如数码相机和多媒体播放器等 大小犹如一张邮票的 SD 记忆卡 重量只有 2 克 但却拥有高记忆容量 快速数据传输率 极大的移 动灵活性以及很好的安全性 除了体积极小之外 SD 卡的存储特点是可以经受上百万次的反复擦写 因此反复使用的成本是零 而且 SD 卡容量越大 录音时间也就越长 从现 在的情况来看 1GB 闪存可以存储大约 272 小时录音信息 对于传统的磁带 式录音方式来说 简直是天方夜谭 本课题是在 SD 卡和凌阳 SPCE061A 单片机的基础上设计一款录音笔 凌阳 SPCE061A 单片机具有的数字信号处理功能及其所提供的音频压缩函数 2 库来实现语音信号的实时采样与压缩 通过 RS232 接口 将采集到的语音信 号实时上传到 SD 卡中存储 SD 卡数码录音笔主要由下列二部分组成 SPCE061A 开发板 SD 卡模 组 SD 卡数码录音笔的技术要求主要是 录制语音 播放语音 删除语音 SPCE061A 开发板 SPCE061A 是一款 16 位微控制器 内嵌 32K 的闪 存 FLASH SPCE061A 为语音产品而集成了 ADC DAC AGC 等 还 具有 n 项内积运算指令 较高的处理速度使 u nSP 能够非常容易快速地处理 复杂的数字信号 是数字语音识别应用领域的一种最经济选择 SPCE061A 精简开发板配有调试功能 结合集成开发环境不需外界任何 仿真 调试器即可以完成编程 仿真 调试功能 本课题利用 SPCE061A 的语音处理功能 以及其强大的处理能力 再配 合 SD 卡模组 很容易实现了大容量超长录音功能 SD 卡模组 SD 卡座模组为单片机提供了 SD 卡的插接装置 以 SPI 总 线方式与单片机通讯 同时 提供卡检测 写保护检测等检测端口 以便用 户可以方便灵活的为单片机外扩 SD 卡存储设备 还包括 外置扬声器 外置电源 SD 卡数码录音笔广泛应用于社会各个部分 是当今最为常见的录音设施 之一 录音笔也由笔形逐渐发展成为各种形状 趋于小巧实用 3 1 2 录音器的发展历史 1 2 1 留声机 1877 年 8 月 15 日 爱迪生发明了留声机 这台留声机由金属大圆桶 曲轴 受话机和膜板构成 如上图 金属圆桶上面刻有螺旋的槽纹 并安装 在一个长的曲轴上 曲轴一端是手柄 摇动手柄圆通就随之转动 受话器其 实是一根金属小管 管的一头有一张振膜 振膜上贴着一个有金属钝头的细 针 另一头是受话端 录音的时候 先在圆桶上贴一张锡箔 然后将受话器 细针端对准圆桶 匀速转动圆桶 对受话器的另一端说话 声音则被振动的 细针记录在锡箔上 回放的时候 将细针端再拿回到圆桶的最开始处 转筒 圆桶 声音就被原样播放出来 1 2 2 钢丝录音和磁带 爱迪生的留声机是纯机械录音技术 在这之后 录音技术发展为光学录 音 磁性录音和电子录音 其中 光学录音顾名思义就是将声音信号转变为 光学信号 记录在感光底片上的一种技术 最初应用在有声电影的研究上 并在最早的电影领域取得了广泛的应用 在电影胶片的一侧有一条窄条 叫 做声带 播放时由播放机转变为同步的声音信号予以伴音 需要说明的是 光学录音由于对制作技术环节要求较高 且不可擦写 所以当时除了电影伴 音这部分应用广泛发展外 其他应用面较为狭窄 磁性录音是应非常广泛的录音技术 最具代表性的革新就是 1900 年钢丝 录音机的发明 钢丝录音机利用磁性录音原理 将受话器与电磁铁连接 将 4 声音信号首先转换为不断变化的磁信号 然后将钢丝与电磁铁紧密贴在一起 并匀速转动 这样钢丝上就形成了强度随声音信号变化而变化的磁场 回放 的时候只需要把钢丝重新在电磁铁上经过一次 声音就被还原出来 磁带录 音机就是钢丝录音机的改进版本 只是现代人把钢丝改为了软质的塑料磁带 而已 1 2 3 数码录音笔 21 世纪初 数码录音技术 也称电子录音 诞生 这是通过对模拟信号 的采样 编码将模拟信号通过数模转换器转换为数字信号 并进行一定的压 缩后进行存储的技术 而数字信号即使经过多次复制 声音信息也不会受到 损失 保持原样不变 通常数码录音笔的音质效果要比传统的录音机要好一些 录音笔通常标 明有 SP LP 等录音模式 SP 表示 ShotPlay 即短时间模式 这种方式压缩率 不高 音质比较好 但录音时间短 而数码录音笔品牌分布图 LP 表示 LongPlay 即长时间模式 压缩率高 音质会有一定的降低 因此 数码录音笔迅速取代之前所有录音产品 成为当今录音领域的 专 家 1 3 SD 卡录音笔的发展趋势 从首款 SD 卡录音笔上市到现在 短短 4 年内成为销量最大的随身录音 设备 证明其有着极高的性能和质量 价格而比较合理 随着电子录音技术 的发展和消费者使用需求的提高 数码录音笔的革新也是势在必行 5 1 3 1 提高录音质量 一方面 随着科技的发展 录音笔的录音质量将会提升 高清录音笔 超长时间录音笔将会面世 1 3 2 多功能于一身 近几年 数码产品都朝着多功能化发展 随着技术的不断发展 数码产 品的整合绝对是将来的一个大方向 现在很多录音笔都已经支持 MP3 播放功 能 已经从单纯的录音发展到具备听 MP3 音乐 U 盘 复读以及电话录音等 多项功能 此外 录音笔将发展到一个全新的阶段 录音 复读 MP3 播放 影像记 录 图片浏览 数码伴侣 TXT 文档阅读 移动存储等多功能于一身的录 音笔将会出现 1 3 3 降低成本减小体积 降低成本是任何技术商业化的重要前提 一般的途径是通过规模生产来 摊薄成本 录音笔的成本在于技术和原材料两个方面 而技术的发展势必在 成本上很难降低 所以 相信通过生产原材料价格的走低 录音笔也会渐渐 便宜 既多功能 又小巧实用 外观精致创新 也是录音笔外形的发展趋势 6 1 4 基于单片机的 SD 卡录音笔研究意义 本课题主要是研究基于单片机的 SD 卡录音笔设计 本课题是以单片机 SPCE061A 来实现一个录音笔系统 SPCE061A 该款单片机资源丰富 有强 大的数字语音处理功能可应用与语音播放和语音识别领域 内置有 2 路 DA 转换 8 路 AD 转换及在线仿真等丰富的功能 这些都为实现数码录音和播 放提供了良好的方便条件 长期以来 以 Flash Memory 为存储体的 SD 卡因具备体积小 功耗低 可擦写以及非易失性等特点而被广泛应用于消费类电子产品中特别是近年来 随着价格不断下降且存储容量不断提高 它的应用范围日益增广 当数据采集系统需要长时间地采集 记录海量数据时 选择 SD 卡作为 存储媒质是开发者们一个很好的选择在电能监测以及无功补偿系统中 要连 续记录大量的电压 电流 有功功率 无功功率以及时间等参数 当单片机 采集到这些数据时可以利用 SD 作为存储媒质 因此 基于单片机的 SD 卡录音笔将会是今后最常见的录音工具 2 录音笔功能分析及开发环境 2 1 功能概述 随着数字存储技术的发展 大容量存储设备充斥着电子应用的方方面面 对于嵌入式系统来说 功能的增强 也需要大容量存储设备做支撑 SD 卡是 7 一种轻便的大容量的存储设备 它使用方便 工作稳定 可以为嵌入式系统 提供大容量的数据存储扩展 使得系统有强大的录音功能 利用 SPCE061A 为主控芯片 SD 卡做为存储介质 实现单片机的超长时间录放音功能 2 1 1 SPCE061A 对 SD 卡的读写功能 1 SPCE061A 对 SD 卡的操作方式为 SPI 模式 2 提供 SD 卡插入检测功能 并进行语音提示 3 提供 SD 卡写保护检测功能 并进行语音提示 4 可以对 SD 卡进行初始化 扇区写 扇区读 扇区擦除 得到 SD 卡的 容量信息等操作 2 1 2 录 放音及删除功能 1 录音数据存储在 SD 卡中 2 支持多段录音 3 放音支持 上一曲 下一曲 4 可以删除所有的录音片断 重新开始录音 2 2 设计环境介绍 2 2 1 系统硬件环境介绍 本系统的硬件部分采用的是 SPCE061A 单片机 SPCE061A 单片机是一 个 16 位结构的微控制器 以下是它的性能简介 1 16 位的高性能 u nSP 内核单片机 8 2 CPU 时钟范围 0 32MHz 49MHz 3 片内 32K 字的 Flash 程序存储器 2K 字的 SRAM 数据存储器 4 4 个 16 位 I O 端口 5 14 个中断源 6 1 通道专用音频 AD 转换通道 7 通道 AD 转换通道 7 内置 MIC 放大电路和自动增益 AGC 放大电路 8 2 路电流输出型的 DA 转换通道 9 2 个 16 位通用定时器 计数器 10 实时实钟 RTC 11 低电压复位 低电压监测 12 内置在线仿真接口 ICE 13 具有保密功能 14 具有 Watchdog 功能 SPCE061A 片内结构 主要包括 SPCE061A 时钟电路 PPL 锁相环及外 围电路 SPCE061A 系统时钟和 Watchdog 图 2 1 为 SPCE061A 片内结构图 9 双16位定时器 计数器 7通道10位ADC 单通道ADC AGC CPU时钟 实时时钟 FLASH RAM 时基 中断控制 IOA15 0 IOB15 0 锁相环 振荡器 IOB0 SCK IOB1 SDA 低电压监测 低电压复位 双通道 10位DAC 串行输入输出接口 AUD1 AUD2 MIC IN 32 管脚通用输入输出端口 16 位位微微 控控制制器器 u nSP ICE XI R XO ICE SCK ICE SDA ICE EN CPV IOB7 RXD IOB10 TXD 串行异步通讯接口 Watchdog 图 2 1 SPCE061A 片内结构 2 2 2 软件工作环境 nSP IDE 介绍 本系统的软件设计使用的是 nSP IDE 集成开发环境 u nSP IDE 集成开 发环境支持汇编语言和 C 语言混合编程进行程序开发 集程序的编辑 编译 链接 调试以及仿真等功能为一体并且支持软件仿真和调试的功能 u nSP IDE 的主要特点是 提供了友好的交互界面 易于操作 使调试 工作方便且高效 工具界面主要分为主菜单 工具栏 工作区窗口 编辑区 窗口 输出区窗口 图 2 2 为工具界面参照图 10 图 2 2 工具界面参照图 Workspace 窗口 如图 2 3 Workspace 窗口由 FileView 和 ResourceView 两个视窗组成 单击 FileView 标签 用户可以方便浏览到工程内的各文件 FileView 视窗用层次 图排列出当前工程的所有文件的逻辑关系 Files 文件夹包含了源程序 程序 接口和说明硬件配置情况的文件 Resource 文件夹包括了各种资源文件 rc Source Files 文件夹用于保存源文件 Head Files 文件夹用于保存头文件 External Dependencies 文件夹用于保存对工程的一些标注信息 ResourceView 视窗列出当前工程用到的所有资源 可以单击视窗内分支顶部旁边的 和 号展开和收缩层次图 Workspace 窗口所体现的逻辑位置不是指文件在硬盘上的物理位置 而 是指一种逻辑从属关系 用户可用拖曳的办法改变文件的逻辑位置 在 11 Workspace 窗口内 不同类型的文件有不同的图标表现 图 2 3 Workspace 窗口 Output 窗口 如图 2 4 Output 窗口用于显示编译 调试和查找的结果 在窗口底部有几个视窗 标签 Build Debug 和 Find in Files 等 用鼠标单击这些标签 可以激活相 应的视窗 Build 显示编译和链接过程里产生的信息 包括文件编辑过程里的错误 和警告信息等 Debug 显示程序调试过程里出现的信息 Find in Files 显示在文件中查找字符的结果 Edit 窗口 在 Edit 窗口里 文件的打开格式有两种 用户可用文本格式 打开文件 也可以用二进制代码格式打开文件 12 图 2 4 Output 窗口 文件编辑器 如图 2 5 文本编辑器可以用来打开汇编语言程序和 C 语言程序 图 2 5 文件编辑器 二进制代码编辑器 如图 2 6 二进制代码编辑器让用户在 Edit 窗口里以十六进制数 ASCII 字符的形式 来编辑二进制代码的资源文件 图 2 6 二进制代码编辑器 13 2 2 3 工程的操作 2 2 3 1 创建工程过程 1 选择 File New 打开 New 对话框如图 2 7 选择 Project 标签 2 在 File 文本框内输入工程名称 3 在 Location 文本框内输入工程文件的路径 4 在 Select Body Here 区域内选择 Probe 5 单击 OK 创建工程 图 2 7 创建工程对话窗口 2 2 3 2 开发操作过程 从 开始 菜单内启动工具 选择 File Open Project 在 打开 对话框内选择所要打开的工程 窗口 工作区窗口 显示在工具的左半边 在这个窗口内 用户可以看 到当前工程所包含的所有文件 14 选择 Build Rebuild All 进行源文件的编译和链接 编译过程里的 语法错误显示在 Output 窗口内 选择 Build Start Debug Download 把程序加载到 RAM 然后 用户可以用 Debug 菜单内所提供的调试命令来优化和运行程序 选择 6 Build Start Debug Go 在调试器内运行程序 15 3 录音笔总体设计方案及硬件设计 3 1 总体设计方案 3 1 1 硬件设计总体框图 系统采用 SPCE061A 做为主控制器 使用其通用 I O 口控制 SD 卡设备 实现存储器扩展 利用电路板上的三个按键对录放音进行控制 利用 SPCE061A 带有 AGC 的专用 A D 转换通道做为音频输入 完成语音录制功 能 利用 SPCE061A 的 D A 进行音频输出 实现语音播放功能 图 3 1 为硬 件总体框图 输入指令 麦克风 扬声器 电源线 录音 放音 电源 SD 卡 SPCE061A 储存或删除数字信号 提取数字信号 按键键盘 图 3 1 硬件总体框图 16 3 1 2 系统软件设计架构 软件系统包括以下部分 主程序 完成系统的初始化 处理按键信息 并根据按键 在语音文件 操作管理程序的配合下 创建语音文件进行录音 或控制读取语音文件进行 回放 按键扫描程序 完成对 IOA 口低八位的 1 8 按键进行扫描 并完成去抖 判断长 短按键等功能 SD 卡驱动程序 该部分完成对 SD 卡的初始化 得到卡的容量信息 读 写操作 擦除操作等 语音文件操作管理程序 该部分完成对多段录音的管理 每增加一段录 音 程序会将起始地址 终止地址等相关信息保存 以便可以回放 录 放音程序 实现对 A D 采样数据的编码和存储 以及从 SD 卡读取录 音数据并解码然后送至 D A 播放等操作 17 3 2 系统硬件设计 3 2 1 系统硬件连接实物图 系统主要由 SPCE061A 单片机 麦克风 扬声器 电源及储存器构成 SPCE061A 单片机控制板作为整个系统的主控板 对麦克风采集来的声音信 号进行数字处理并储存号功能 图 3 3 为硬件连接实物图 3 3 系统硬件连接实物图 3 2 2 SPCE061A 最小系统 本设计选用的单片机模块为 SPCE061A 单片机模块 该模块包括 SPCE061A 芯片 MCU 片内 FLASH 和其外围的基本模块 外围模块有 电机驱动电路板 锁相环外围电路 PLL 复位电路 RESET 等 18 SPCE061A 的主控芯片 负责构建语音录放的数据结构 并在单片机内 部 Flash 中保存有语音内容和相关语音信息 SPCE061A 控制端口输出控制信息 并控制喇叭输出声音信息 实现对 整个系统的控制 通过本系统中的音频输入电路和 MIC 可以采集语音信号 并处理 图 3 4 为 SPCE061A 最小系统图 图 3 4 SPCE061A 最小系统图 19 3 2 3 按键电路 本系统使用三个按键完成录放音控制 图 3 5 为按键电路图 Key1 为 下一曲 键 Key2 为 上一曲 键 Key3 为 录音键 图 3 5 按键电路图 3 2 4 音频输出电路 SPCE061A 内置 2 路 10 位精度的 DAC 只需要外接功放电路即可完成 语音的播放 电路中 SPY0030 是凌阳公司一款音频放大芯片 它和 LM386 相比 LM386 工作电压需在 4V 以上 SPY0030 仅需 2 4V 即可工作 两颗电池 即可工作 LM386 输出功率 100mW 以下 SPY0030 约 700mW 图 3 6 为音 频输出电路图 图 3 6 音频输出电路图 20 3 2 5 SD 卡模组电路 在本系统中 SPCE061A 通过 SPI 总线实现对 SD 卡设备的访问 SD 卡 模组同时提供卡插入检测和写保护检测接口 图 3 7 为 SD 卡模组电路图 图 3 7 SD 卡模组电路图 21 4 系统软件设计 4 1 主程序设计 主程序采用的是汇编语言和 C 语言混合编程 主程序流程图如图 4 1 系统初始化 检测 SD 卡是否插入 否 检查 SD 卡是否写保护 置写保护标志 播放 SD 卡写保护 是 否 初始化 SD 卡 按键处理 系统状态处理 是 播放 注意 SD 卡没有插入 检测 SD 卡是否插入 否 是 播放 就绪 语音提示程序 开始 图 4 1 主程序流程图 22 主程序完成系统初始化后检测 SD 卡是否插入以及是否有写保护 并有 相应的语音提示 告知用户当前的系统状态 如果 SD 卡正确插入 则系统 根据用户的不同按键进行录 放音控制 同时 在循环中对系统当前的状态进 行检测 控制系统在录制语音时不至于超出存储器容量限制 或控制系统在 放音时播放至文件尾部自动停止播放 部分程序如下 SACM DVR1600 Initial 语音初始化 if 0 SD ChkCard 检测卡是否插入 PlaySnd VOICE ATTENTION DAC1 DAC2 PlaySnd VOICE SDCARDNOTINSERT DAC1 DAC2 while 0 SD ChkCard 等待卡插入 if 1 SD ChkCardWP 检测卡是否有写保护 WriteProtect 1 else FS Init 没有写保护 执行初始化操作 PlaySnd VOICE READY DAC1 DAC2 播放 就绪 while 1 KeyProcess 按键处理 StatusProcess 系统状态处理 SACM DVR1600 ServiceLoop 录 放音服务 23 4 2 按键处理程序流程 按键处理程序中 当检测到有 SD 卡写保护时 会播放 卡有写保护 的 提示音 对按键不做处理 按键处理流程图如图 4 2 初始化 判断是否有写保护标志 否 判断按键 Key3 录音键 是 Key2 上一曲键Key1 下一曲键 返回 开始 图 4 2 按键处理流程图 部分程序如下 Key KeyScan GetKey if 1 WriteProtect 卡有写保护 拒绝按键操作 if C SReleaseKeyState KeyType C LReleaseKeyState KeyType return switch Key 24 当按下录音键时 若为短按键且 SD 卡未满 提示录音开始并置录音标志 开始录音 录音 按键处理程序的流程图如图 4 3 所示 图 4 3 正在播放 短按键 是 是 停止播放 关闭读取 SD 卡 系统状态置空闲 SD 卡已满 否 是 否 系统空闲 否 启动写入 SD 卡 开始录音 系统状态置录音 否 是 正在录音 结束录音 录音收尾 是 否 开始 返回 录音键流程图 部分程序如下 case C Record Record if C SReleaseKeyState KeyType 短按键 录 放音控制 if PLAY Status 25 SACM DVR1600 Stop 如果正在放音 则先停止播放 FS CloseOpenFile Status IDLE if IDLE Status if g FileNum FS MAX FILENUM FS GetUnusedSecNum 0 if PLAY Status 如果正在放音 则先停止播放 SACM DVR1600 Stop FS CloseOpenFile else if RECORD Status 如果正在录音则不处理 if C LReleaseKeyState KeyType 长按键 停止当前播放 Status IDLE else if C SReleaseKeyState KeyType 短按键 播放下一曲 系统状态处理程序主要完成在录音时判断是否超出 SD 卡容量限制 或者 在放音时当前语音是否播放完毕 系统状态流程图如图 4 6 检查 SD 卡是否已满 是否正在录音 播放是否结束 停止录音 系统状态置空闲 是否正在播放 停止读取 系统状态置空闲 是 否 否 否 是 是 是 否 返回 开始 图 4 7 系统状态处理流程图 29 部分程序如下 switch Status case RECORD if FS GetUnusedSecNum 1 检测是否超出 SD 卡容量范围 SACM DVR1600 Stop Status IDLE case PLAY if FS CheckFileEnd 检测当前语音是否播放完毕 SACM DVR1600 Stop FS CloseOpenFile Status IDLE 4 3 按键扫描程序 系统使用 1024Hz 时基中断对 IOA 口低八位进行扫描 并进行去抖 长 短按键判断等工作 时基中断中的按键扫描服务程序采用了状态机的形式对按键状态进行判 断 使用变量 KeyScanState 记录当前按键的扫描状态 并对扫描状态进行计 时 通过判断计时变量 KeyCount 的值来判断按键的类型 KeyState 短按键 长按键等 通常状况下 没有键按下 KeyScanState 处于 First 状态 当有键被按下 后 KeyScanState 便进入 Debounce 去抖状态 此时 KeyCount 开始每 1 1024 30 秒计时累加一次 当 KeyCount 超过去抖规定的时间后 通常为几十毫秒 便进入 Repeat 状态 这时候可以认为一个短按键被按下 KeyState SKey 此时如果检测到键抬起 则进入 ReleaseDebounce 状态 对按键抬起进行去 抖 去抖成功后则可以认为形成了一个抬起的短按键 KeyState SKeyRelease 相反 如果在 Repeat 状态下超过了一个长按键规定的时间 1 秒 后按键仍未抬起 则认为一个长按键被按下 KeyState LKey 此时进入 AfterLKey 状态 无需再进行计时操作 只需等待按键抬起即可 当按键抬起时 则从 AfterLKey 状态进入 ReleaseDebounce 状态 去抖后得 到一个抬起的长按键 KeyState LKeyRelease 按键扫描程序提供如下 API 函数按键功能 void KeyScan Init 功 能 按键扫描初始化 调用该函数将同时初始化按键扫描使用的 I O 口 void DrvKeyInit void P KEY Dir P KEY Attrib if KEY COM P KEY Buffer else P KEY Buffer KEY PORT MASK endif unsigned int KeyScan GetKey unsigned int KeyType 31 功 能 该函数将返回当前按键的键值 并通过入口参数 KeyType 返回该按 键的类型 unsigned int KeyScan GetKey unsigned int KeyType unsigned int Key if C NullKey ui KeyState Key C Null else Key ui KeyID KeyType ui KeyState if C KeyStateFirst ui KeyScanState ui KeyID C Null ui KeyState C NullKey return Key 4 4 语音录 放在 SD 卡上的实现 在语音录 放的过程中 存储 读取语音资源主要是调用 F USER DVR1600 WriteData和F USER DVR1600 GetData两个函数实现的 通过自行定义这两个函数 即可将语音库录制的语音资料存储至SD卡 或从 SD卡读取语音资料给语音库解码播放 F USER DVR1600 WriteData函数主要完成存储录音数据至用户存储器 的作用 这里需要调用 向语音文件写入多个word数据的函数 FS WritingFile 以完成此功能 32 F USER DVR1600 GetData 函数主要完成从用户存储器读取语音资料至 缓冲区的作用 这里 需要调用 从语音文件中读取多个 word 数据的函数 FS ReadingFile 以完成从 SD 卡中读取数据 部分程序如下 F USER DVR1600 GetData F USER WriteWordBlock Start Adr R1 Length R2 push r1 r5 to sp push r2 to sp push r1 to sp call FS ReadingFile sp 2 pop r1 r5 from sp RETF F USER DVR1600 WriteData F USER ReadWordBlock Start Adr R1 Length R2 push r1 r5 to sp push r2 to sp push r1 to sp call FS WritingFile sp 2 pop r1 r5 from sp RETF 单片机通过 SPI 总线向 SD 卡发送命令 控制 SD 卡的动作 并通过 SPI 总线读取 SD 卡返回的数据 33 SD 卡上电后工作在具有 1bit 数据总线宽度的 SD 模式 而本系统中 需 要令 SD 卡工作于 SPI 模式 单片机通过使连接 SD 卡 CS 脚的 I O 口输出低 电平 并发送 CMD0 命令 即可使 SD 卡进入 SPI 模式工作 SD 卡进入 SPI 模式后 用户可以通过调用 SD SendCmd 函数发送命令 对 SD 卡进行控制 SD 卡每次写入 读取 数据 都需要以 Block 为单位 但是 在语音录 制过程中 编码器是以帧为单位向 SD 卡内写入数据的 而帧的长度并不刚 好是 Block Size 个 在语音播放过程中类似 解码器每次解码的数据量也并 不刚好是 Block Size 个 为了解决这个矛盾 需要首先来看一下 SD 卡 Block 读写的过程 单片机从 SD 卡读取 Block 数据的过程 首先 单片机发送 CMD17 命令以及希望读取的 Block 的地址参数给 SD 卡 然后 SD 卡返回一个 byte 的响应数据 告知单片机该操作是否可以正常 进行 然后 单片机从 SPI 总线上读取 Block Size 个数据 这些数据就是 SD 卡发送来的 Block 数据 最后 SD 卡发送 CRC 校验给单片机 单片机结束 SPI 总线的接收操作 至此 一个 Block 被正确读入单片机内 读 Block 操作 1 发送 CMD17 启动读 Block 操作 2 接收数据 直至接收完毕 Block Size 个数据 34 3 接收 CRC 校验 结束读 Block 操作 public SPI SendByte SPI SendByte proc r1 sp 3 r1 r1 r2 8 L SPI SendByte Lop test r1 0 x0080 jz L SPI SendByte Bit8 0 SPI DOUT SET jmp L SPI SendByte Bit8 End L SPI SendByte Bit8 0 SPI DOUT CLR L SPI SendByte Bit8 End SPI SCK CLR SPI SCK SET r1 r1 lsl 1 r2 1 jnz L SPI SendByte Lop retf endp 单片机从 SD 卡写入 Block 数据的过程 首先单片机发送 CMD24 命令以及希望写入的 Block 的地址参数给 SD 卡 然后 SD 卡返回一个 byte 的响应数据 告知单片机该操作是否可以正常进 行 然后 单片机通过 SPI 总线发送 Block Size 个数据 这些数据被 SD 卡 接收 并缓存 最后 单片机发送 CRC 校验 并等待 SD 卡完成这些数据的烧写 35 写 Block 操作 1 发送 CMD24 启动写 Block 操作 2 发送数据给 SD 卡 直至写满 Block Size 个数据 3 发送 CRC 校验 等待 SD 卡完成内部烧写 结束写 Block 操作 public SPI RecByte SPI RecByte proc r1 0 r2 8 L SPI RecByte Loop SPI SCK CLR SPI SCK SET r1 r1 lsl 1 r3 SD BUS Data test r3 SD BUS Din jz L SPI RecByte NoAdd r1 1 L SPI RecByte NoAdd r2 1 jnz L SPI RecByte Loop retf endp 36 4 5 语音文件操作管理程序 语音文件操作管理程序主要完成对语音文件的管理 以及在录 放音的过 程中对写入 SD 卡的数据进行控制 保证数据按照 Block 为单位写入 程序中使用一个简单的结构体保存每个语音文件在 SD 卡中的位置信息 typedef struct SD FS unsigned long int StartSec 语音文件的起始 Block 地址 unsigned long int EndSec 语音文件的结束 Block 地址 unsigned int Offset 语音文件在最后一个 Block 中的使用量 FileList FileList g FileListArray FS MAX FILENUM 文件索引表 语音文件操作管理相关函数中通过定义一个全局变量 CurOffset 存储当前 Block 已经写入的数量 以便在写入 读取 新的数据时对是否超出 Block 进 行判断 当连续读取 写入 数量超过一个 Block 的大小时将读完 写满 本 Block 并自动切换至下一 Block 继续读取 写入 剩余数据 同时 程序 中规定语音文件在存储的时候如果最后一个 Block 没有使用完 则下一段语 音从下一个 Block 的起始地址开始存储 4 6 录 放音程序 SPCE061A是16位单片机 具有DSP功能 有很强的信息处理能力 最高 37 时钟频率可达到49MHz 具备运算速度高的优势等等 这些都无疑为语音的 播放 录放 合成及辨识提供了条件 压缩算法中SACM A1600 SACM S530 SACM S480 S720 SACM S200主要是用来放音 可用于语音提示 而DVR1600则用来录 放音 部分程序如下 include spce061a inc public F USER DVR1600 EndRecord public USER DVR1600 SetStartAddr public F USER DVR1600 SetStartAddr public F USER DVR1600 GetData public F USER DVR1600 WriteData public F USER WriteWordBlock public F USER ReadWordBlock external FS ReadingFile external FS WritingFile external FS EndEncode void FS WritingFile unsigned int Buf unsigned int Len unsigned int i Len SD BLOCKSIZE CurOffset SD WritingBlockData unsigned long int SD BLOCKSIZE CurOffset unsigned char Buf SD WriteFinished 38 CurFileSec CurFileEndSec CurFileSec i SD BLOCKSIZE CurOffset CurOffset Len i i 1 SD WriteNewBlock CurFileSec SD WritingBlockData unsigned long int CurOffset unsigned char else SD WritingBlockData unsigned long int Len unsigned char Buf CurOffset Len void FS ReadingFile unsigned int Buf unsigned int Len unsigned int i Len SD BLOCKSIZE CurOffset SD ReadingBlockData unsigned long int SD BLOCKSIZE CurOffset unsigned char Buf SD ReadFinished if CurFileSec 1 SD ReadNewBlock CurFileSec SD ReadingBlockData unsigned long int CurOffset unsigned char else SD ReadingBlockData unsigned long int Len unsigned char Buf CurOffset Len 39 5 系统测试及性能分析 系统的硬件部分和软件部分完成以后 应对系统进行严格的测试及性能 分析 为了保证系统功能的实现 系统的测试按照主程序流程所设计的方案 依次对各模块进行测试 系统测试流程图如图 5 1 喇叭测试 主程序下载运行 控制模块测试 音频输入 音频输出 图 5 1 系统测试流程图 5 1 喇叭测试 目的 测试喇叭能否正常工作 条件 只连接喇叭和电路板 噪音相对较小的室内环境 步骤 1 接通电源 用万用表测量喇叭的正负极看是否有电压 步骤 2 将一个最简单的语音播放程序下载并运行 现象 1 万用表可以测量出电压 40 结论 喇叭无损环 电路连接正常 现象 2 程序下载并运行后 声音能正常播放 结论 喇叭可以正常工作 5 2 程序下载及运行 在程序下载前 先按照硬件连接图 3 3 连接好硬件 然后把 3 节五号电 池装入电池盒并把电源线与系统连接 下载线的一边 25 针插座 与 PC 后 面的并行接口相接 另一边的五针接头与电路板上标有 EZ Probe 的插座 J11 相接 并用 J11 接口边上的 S5 跳线把 S5 的 2 和 3 管脚短接 打开电 池盒开关 POWER 指示灯和 LCD 液晶显示屏上的电源指示灯都被点亮 证 明系统连接正常 可以开始下载 用 IDE 打开设计好的工程文件 并确认以选定了 USE ICE 按钮 选择 USE ICE 如图 5 2 图 5 2 选择 USE ICE 当程序处于下载状态时 会弹出一个进度框 下载进程如图 5 3 图 5 3 下载进程对话框 41 下载完成后关闭电池盒开关 断开 EZ Probe 下载线并把 S5 跳线的 1 2 管脚短接 这时程序下载完成 打开电池盒开关运行 5 3 系统功能测试 系统运行后 如果 SD 卡没有插入 会提示 注意 SD 卡没有插入 并 等待 SD 卡插入后进行下一步操作 如果 SD 卡被写保护 则会提示 注意 SD 卡写保护 此后 所有按键 均无效 按下任意键会提示 SD 卡写保护 此时 用户需要去除 SD 卡写保 护 并重新运行程序 如果 SD 卡正常插入并且没有写保护 等待 SD 卡初始化成功后会有 就 绪 的提示音 SD 卡正常初始化后 可以按照各按键功能进行操作 按下 Key3 键 启动录音 此时 会有 开始录音 的提示音 再次按下 Key3 键结束本次录音 此时 会有 结束录音 的提示音 停止录音后 按下 Key2 播放上一段录音 按下 Key1 播放下一段录音 长按 Key2 键将清除所有已录语音 此时会有 SD 卡已擦除 的提示音 长按 Key1 键将停止放音 结论 实现录音 放音 删除功能 测试成功 42 结论 本课题是基于单片机的 SD 卡录音笔设计与实现 根据课题的要求设计 了 SD 卡数码录音笔 在设计中主要完成了以下几个方面的内容 系统硬件结构设计 SPCE061A 开发板 SD 卡模组 系统软件架构设计 完成了语音文件的录制 播放和删除 写入 读取及擦除 SD 卡 在本课题中 用 SPCE061A 开发板上的 MIC 作为语音信号采集器 喇叭 作语音播放器 通过单片机内部存储器并调用语音模块对输入的命令进行处 理 完成录音的过程 由于芯片功能和本人能力的限制 本系统还有许多有待完善和扩展的地 方 主要有以下两方面 SPCE061A 开发板片内 FLASH 的容量只有 32K 预存的语音信息质量受 到了很大的限制 这些问题可以通过外接 SPR 模组扩充系统存储空间来解决 随着计算机的不断普及 人们对人机交互的要求越来越高 SD 卡录音笔 的研究和开发将极大的提高人机交互质量 因而我相信在不久的将来 SD 卡 数码录音笔会得到充分的发展和应用 致谢 经过 3 个多月的努力 终于完成了本次毕业设计 一直以来 邢老师不 但为我们创造了良好的学习氛围而且给我们提供了毕业设计的设备 从邢老 43 师那里我不仅学习到了知识 更重要的是他严格要求 精益求精 严谨求实 的治学态度给我留下了深刻的印象 这必将使我终身受益 在此 向邢老师 致以深深的谢意 感谢北方工业大学信息工程学院为我们提供了做毕业设计的实验室 感 谢信息工程学院所有帮助过我 指导过我的老师 是他们无私的指导和耐心 的教诲 让我学习到了很多 同时我也真诚的感谢我的班级导师邢志强老师 从刚进大学的毛头小子成长到现在 都得到了邢老师热情的帮助和无微不至 关怀 感谢通信工程 06A 2 班的所有同学 在与他们共同学习 共同生活的四 年里 与他们的交流和讨论 扩展了我的思路 对论文的完成颇有益处 真诚的感谢我的家人 他们对我无私的关心和支持 是我勇往直前的动 力 他们对我的鼓励使我度过了大学生活中的一个个难关 参考文献 1 姜志玲 用凌阳单片机实现多路数据采集与传输系统 J 西华大学学报 2005 2 王素珍 田振清 用 ISP 实现对 ISD25120 语音芯片的录放音控制 J 电声 技术 2002 3 林阳 凌阳16位单片机与其它主流单片机的比较 J 电子世界 2003 4 王竹便 录音技术及技巧浅议 J 科技情报开发与经济 2005 44 5 孟宪超 数码录音笔原理及应用 J 信息时代导刊 2004 6 薛驹义 张彦斌等 凌阳 16 位单片机原理及应用 M 北京 北京航空航天 大学出版社 2005 7 罗亚非 等编 凌阳 16 位单片机应用基础 M 北京 北京航空航天大学出 版社 2005 8 Digital Voice Recorder Design DB OL Sunplus Technology DEC 21 2004 Version 0 8 9 John Markus 电子电路大全 M 北京 计量出版社 1995 10 邓元庆 数字电路与逻辑设计 M 北京 电子工业出版社 2001 11 胡隆 许静波 录音 调音与音响技术 M 北京 北京工业大学出版社 第 1 版 12 王宏民 录音与调音 M 北京 中国广播电视出版社 第 1 版 13 杨行峻 迟惠生 语音信号数字处理 M 北京 电子工业出版社 第 1 版 14 One based on monolithic integrated circuit s digital sound recording and the