电子综合设计课程设计语音录放系统的设计

1、徐徐 州州 师师 范范 大大 学学 科科 文文 学学 院院 本 科 生 课 程 设 计 课课 程程 名名 称：称： 电子综合设计 题题 目：目： 语音录放系统的设计 专专 业业 班班 级：级： 学学 生生 姓姓 名：名： 学学 生生 学学 号：号： 日日 期：期： 指指 导导 教教 师：师： 科文学院教务部印制科文学院教务部印制 1、课程设计目的、任务和内容要求： 具体设计任务如下： 1熟悉语音录放系统的工作原理； 2设计出语音录放系统的设计方案； 3连接硬件电路加以实现； 4撰写课程设计报告。 设计要求： 设计并制作一个数字化语音存储与回放系统。放大器 1 的增益为 46db，放大器 2 的

2、增益为 40db，增益均可调；带通滤波器：通带为 300hz3.4khz ；adc：采样频率 f s8khz，字长8 位；语音存储时间10 秒；dac：变换频率 f c8khz，字长8 位；回放语音质量良好。 二、进度安排： 第 13 天： 查找资料，进行需求分析和概要设计； 第 46 天： 各模块的详细设计； 第 712 天： 软件实现与调试； 第 1314 天：写课程设计报告并提交源程序。 三、主要参考文献： 1 张常年:isd4004语音芯片的工作原理及智能控制系统中的应用j.电子元件与材 料，2001，6月 2第四届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1999），北京理工大学出版社，2

3、001 3 高洪亮、张国忠、杨杰，基于isd4004的电梯语音系统设计j，电子技术 2005，9月 4 何立民，嵌入式系统的定义与发展历史m，机械出版社，2005年，6月 5 詹荣开，gcc中文手册m，电力出版社，2001年，3月 指导教师签字： 年 月 日 目 录 目 录 .i 摘 要 .ii abstract .ii 1 概述 .1 1.1 课题的背景和意义.1 1.1.1 设计概述 .1 1.1.2 课题背景.1 1.1.3 设计要求 .1 1.1.4 设计意义 .2 2 设计方案简述 .3 3 2.1 系统工作原理 .3 2.2 设计方案 .3 2.3 核心器件 isd1420 介绍.

4、3 2.3.1 概述.3 2.3.2 isd1420 简介 .4 2.3.3 芯片特点.4 2.3.4 芯片引脚功能.5 3 详细设计 .7 7 3.1 isd1420 芯片应用 .7 3.2 isd1420 引脚详细说明 .7 3.3 芯片操作模式.9 3.4 isd1420 最小化系统的录放.11 3.5 键盘控制模块.12 3.6 录音和放音模块.12 3.7 芯片程序编写 .12 4 设计结果及分析 .15 5 总结 .16 参考文献 .17 摘 要 本系统以isd1420芯片为核心，实现了数字化语音存储与回放的功能。isd1420 系 列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语

5、音电话、留言机等设备。更可 于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器，汽车自动报站 器等设备。传统的磁带语音录放系统因其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用 中受到许多限制。本文提出的体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全 可以替代它。数字化语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字化 控制。 数字化语音存储与回放系统，以微处理芯片为核心，具有语音可控、 回放灵活、 无磨损、可靠简单等特点。因而在各类公共设施、智能仪表、家用电子产品等领域有 着广泛的应用。 关键词：isd1420；语音录放集成电路；语音录放；信息存储 abstract this s

6、ystem to isd1420 chips are introduced for core chip, realized the digital storage and playback speech function. series chip is relatively commonly used isd1420 chips are introduced the voice recording integrated circuits, more commonly used for voice calls, message machine. more to be in single chip

7、 microcomputer interface, for voice like the sound of piecewise function, can be used for automatic timer, car stops to the equipment.the traditional magnetic tape voice recording system with their large size, difficult to use, in electronic and information processing in the use of by many restricti

8、ons. this paper, small size, low power consumption of digital voice storage and playback system will can replace it. digital voice storage and playback system is the basic principle of voice recording and playback of digital control. keywordskeywords：isd1420; voice recording circuit; voice recording

9、; information storage 1 概述 1.1 课题的背景和意义 1.1.1 设计概述 现在的语音存储手段为磁带记录，其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用 中受到许多限制。所以数字化存储方式是未来发展的趋势。我们在这里将语音信号的 存储建立在数字化的基础上。 1.1.2 课题背景 目前,许多应用系统中都需要语音存储和回放处理。若用专用的语音芯片来处理,有 时会缺乏灵活性,难以满足不同场合的需要。本文介绍的语音存储与回放系统中,没有 使用专用的语音处理芯片,不需扩展接口电路,只利用一般的单片机测控系统中都有的 硬件电路(如 a /d、d /a、存储器等) ,就能完成语音信号的

10、数字化处理,即能完成语音 的存储与回放,实现单片机测控系统的语音提示报警及语音提示操作等。传统的磁带语 音录放系统因其体积大、使用不便,在电子与信息处理的使用中受到许多限制。本文提 出的体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代它。数字化语音 存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字化控制。其中，关键技术在 于，为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信 号进行压缩后再存储，而在回放时再进行解压缩，同时,对输入语音信号进行数字滤波 以抑制杂音和干扰,从而确保了语音回放的可靠质量。 1.1.3 设计要求 1熟悉基本电路的工作原理； 2认识该电路

11、中元器件，并熟悉其功能； 3掌握设计电路的调试方法； 4熟悉电路简单的故障分析方法； 5撰写论文，自我评价综合设计作品的总体性能与指标 1.1.4 设计意义 该语音电路产品，具有音色自然、使用方便、单片存储、反复录放、扩展容易、 功耗低微、不怕断电等许多特点，通过扩展外部设备，基于isd4004的语音产品在通信 导航设计、智能仪器仪表、治安报警系统、自动售货机、电子地图、电子导游机、车 载信息终端语音播报、公共汽车语音报站器、电磁报层背景音乐播放系统、语音讲解 仪、电话自动应答系统、便携式语音记录装置、电子词典、语言复读机、语言音乐教 学仪、智能玩具、高档电子礼品等许多领域，都有着极其广泛的应

12、用 2 设计方案简述 2.1 系统工作原理 人耳能听到的声音频率范围为 20hz20khz,而一般语音频率最高为 3. 4khz。数 字化语音存储与回放系统的基本思想是将模拟语音信号通过模数转换器(a /d)转换成 数字信号,再通过单片机控制存储在存储器中;回放时,由单片机控制将数据从存储器中 读出,然后通过数模转换器(d /a)转换成模拟信号,经放大在扬声器(或耳机)上输出语 音 2.2 设计方案 采用基本的硬件电路，主芯片 isd1420 直接控制整个语音电路，电路结构简单， 一般较为常用。 这个最小化系统有一个 led 指示灯、三个微动开关，可以对芯片的录 音、播放、停止进行控制。s3（

13、record）为录音键，按住它时 led 灯点亮，此时为录 音状态，当录放达到最大时间值或中途放开 s3 录音按键即停止录音。s2（playl）为 放音键，按一下它就可以播放录音，当放音达到录音的尾声时或中途按下了 s1 停止键 则停止放音。s1 为停止键，当放音过程中按下 s1 停止键停止放音。如果有待机时按住 s1 则开始放音，放音直到录音的尾声或中途放开 s1 键。当芯片处于录音状态时 led 点亮，当芯片放音结束时 led 会闪亮一下。 2.3 核心器件 isd1420 介绍 2.3.1 概述 isd1420 系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机 等设备。更

14、可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器， 汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16 位或32 位处理器实现同样的功 能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加的复杂。 2.3.2 isd1420 简介 isd1420 为美国isd 公司出品的优质单片语音录放集成电路，由振荡器、语音存储 单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小 的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。 录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美 国isd 公司的专利直接模拟存储技术（das

15、t tm）实现的。利用它，语音和音频信 号被直接存储，以其原本的模拟形式进入eeprom存储器。直接模拟存储允许使用一种 单片固体电路方法完成其原本语音的再现。不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。 目前，isd1420 系列有下列型号：isd1408、isd1410、isd1412、isd1416、isd1420。 录放时间分别为：8秒、10秒、12秒、16秒、20 秒。 （isd14xx其中型号的后两位 表示其录音的时间长度，单位是秒） 2.3.3 芯片特点 所需外围元件少，电路简单，操作方便。 采用直接模拟量存贮技术dast（direct analog strorage technolog

16、y） ， 再现优质原声。 零功率信息存贮，省掉备用电源。 信息可保存10 年以上，可反复录放达10万次之多。 语音固化无需专用编程或开发装置。 较强的选址能力，可把存储器分成160段来进行管理。 具有自动省电模式，此时仅需0.5a 的保持电流。 单一电源供电。 工作电压vdd：5v. 静态电流istb：典型值0.85a，最大值为2a. 工作电流 iop：典型值 15ma,最大值 30ma. 2.3.4 芯片引脚功能 图 2-1 芯片引脚 各管脚功能如下： a0a7：地址输入端或控制命令输入端；当 a7 a6 同时为高电平时，a4-a0 为控制命令，否则，a7-a0 为地址； vccd：数字电路

17、电源； vcca：模拟电路电源，+5v； vssd：数字信号地线； vssa：模拟信号地线； sp+，sp-:音频信号输出端，连接 8-16 扬声器； xclk：时钟控制端； anain：模拟信号输入端； anaout：模拟信号输出端； agc：自动增益控制，调整芯片内部前置放大器增益，使录入信号不失真 mic：话筒输入端，通过电容藕合，连接驻极体话筒； micref：话筒参考输入端； playe：放音控制脉冲触发端，该端输入由高电平向低电平跳变的下降沿时，芯片 进入放音周期； playl：放音控制电平触发端，当该端为低电平时，芯片进入放音周期；当该端为 高电平时，停止放音； rec：录音控制

18、端，当该为低电平时，芯片进入录音状态，录音期间该端必须保持 低电平； recled：录音显示端，该端接发光二极管，在录音时做录音指示灯； nc：空脚 3 详细设计 3.1 isd1420 芯片应用 图 3-1 isd1420 内部结框图 isd1420 系列语音集成电路由内部时钟电路、自动增益控制电路、前置放大电路滤 波器、差动功率放大器、电源电路、存储器 eeprom、地址译码电路、存储控制电路等 组成 3.2 isd1420 引脚详细说明 地址输入（地址输入（a0-a7） 根据最高两位地址位的数值，地址输入有两种功能。 当 a7 a6 至少有一位为 0 时，输入认为是地址输入，输入的地址被

19、当作当前录音或放 音的起始地址。这些地址管脚全部为输入管脚，与操作模式中能输出地址信息不同。 地址输入在信号 playe，playl 或 rec 的下降沿被锁存。 电源输入（电源输入（vcca ，vccd） isd1400 内部的模拟电路和数字电路使用不同的电源回路以减小噪声的干扰。这 些电源回路通过不同的引脚引出，注意尽量靠近系统电源连接在一起。务必在靠近器 件处加退藕措施。 地输入（地输入（vssa ，vssd） 同 vcca，vccd 类似，isd1400 内部模拟地和数子地也使用不同的回路。这些 管脚在尽可能靠近器件处连接接地。 喇叭输出（喇叭输出（sp+，sp-） sp+和 sp-能

20、直接驱动低至 10 欧姆的喇叭。也可以使用单输出，但需要注意：对 于直接驱动发声装置，使用两个反极性的输出的功率是使用单输出功率的 4 倍。另外， 同时使用 sp+和 sp-可以不使用喇叭的耦合电容。对于使用单个输出，必须在 sp+和喇 叭之间接一个耦合电容。在录音状态中，两个喇叭输出为高阻状态；在掉电模式中保 持为 vssa。 根据 a6 a7 的电平不同，电路可以进入两种不同的工作模式：地址模式和操作模式。 如果 a7 a6 至少有一位为低电平，则电路认为 a0-a7 全部为地址位，a0-a7 的数值将 作为本次录音或放音操作的起始地址。a0-a7 全部为纯输入引脚，不会象操作模式中 a0

21、-a7 还可能输出内部地址信息。输入的 a0-a7 的信息在 palye，playl 或 rec 的 下降沿被电路锁存到内部使用。 外部时钟输入（外部时钟输入（xclk） isd1400 系列的外部时钟输入管脚内部设有下拉电阻。isd1400 在出厂时配置成使 用内部时钟，能保证最小的录放音时间。以 isd1420 来讲，在参数规定的范围内使用 能保证 20 秒的录放音时间。在商业级温度范围内和规定的操作电压范围内，取样时钟 有2.25的变化但能保证规定最小的录放音时间。对于一些器件，实际的录放音时间 可能会比通常的录放音时间要多。 内部时钟在在工业级温度范围内和规定的操作电压范围内有5的精度

22、。在工业 级的应用中建议使用稳定的电源。如果需要更高的精度，可以按照下表在 xclk 脚使 用外部时钟。 模拟输出（模拟输出（ana out） 此管脚为用户提供前置放大器的输出。前置放大器的电压增益由 agc 管脚上的电 平决定。 模拟输入（模拟输入（ana in） ana in 将输入的信号传送到录音电路。对于麦克输入，ana out 脚必须通过外 部电容连接到 ana in 脚。这个电容的数值与 ana in 内部的 3.0k 欧姆的输入电阻能 提供又一个音频带宽的低频截止频率。如果输入信号来自麦克以外，可以通过电容直 接耦合到 ana in 管脚。 自动增益控制（自动增益控制（agc）

23、agc 动态调整前置放大器的增益，能在一个很宽的范围内适应麦克的输入电平。 agc 电路能以很小的失真记录宽范围的声音，例如从很低的声音到很高的声音。agc 的起控时间由电路内部的一个 5k 电阻，和一个外部连接的电容（图中的 c6，连接在 agc 管脚和和模拟地 vssa 之间）决定。释放时间由外部的电阻（r5）和电容（c6） 决定，二者并联连接在 agc 管脚和 vssa 模拟地之间。在大多数应用中，470k 欧姆 和 4 .7uf 的取值能较好的满足需要。 录音录音 led 输出（输出（recled） 当处于录音操作时，recled 输出为低电平。它可以驱动一个 led 显示表明现在 正

24、处于录音状态。另外，在放音中，如果遇到结束标志（eom） ，recled 将输出一 个短的低脉冲。 麦克输入（麦克输入（mic） 麦克输入将信号传送到前置放大器，增益由自动增益电路（agc）控制，增益在- 15db 到 24db。外部的麦克必须是 ac 耦合，通过一个电容连接到该脚。电容的数值和 该管脚器件内部的电阻（10k）决定 isd1400 输入的低频截止频率。关于低频截止频 率的计算见应用信息。 麦克基准（麦克基准（mic ref） mic ref 是麦克前置放大的反向输入。当器件使用该输入脚并以差分形式连接到 麦克时能减低噪声和实现共模抑制。 playe 触发放音触发放音 当此管脚上

25、检测到低电平跳变时，将开始放音操作，遇到结束标志（eom）或存 储器的尾部放音将停止。结束放音后，器件自动进入掉电等待模式。在放音过程中将 playe 变高不会终止当前的放音操作。 playl 电平放音电平放音 当此管脚的信号由高变为 0 时，将开始放音操作。playl 变为高电平，遇到结束 标志（eom）或存储器的尾部放音将停止。结束放音后，器件自动进入掉电等待模式。 注：在放音中，如果遇到结束标志或到达存储器尾部，如 playl 或 playe 保持为低 电平，器件仍将进入掉电等待模式，内部时钟和时序停止。但是，playe 和 playl 的上升沿没有防抖动延迟，任何下降时序（特别是开关抖

26、动）将会引起另外一次的放 音。 录音（录音（rec） rec 输入是低电平有效录音信号。当 rec 为低时开始录音。在录音过程中 rec 必须保持为低电平。rec 信号优先于放音信号（playe 和 playl） 。如果在放音过程 中 rec 被拉低，放音将立即终止，录音开始。当 rec 变高或内部存储器已录满信息， 录音操作结束。录制完毕后，在结束处会记录一个结束标志，这样在分段放音时会结 束放音。当 rec 变高后，器件会自动进入掉电模式。 注意：rec 信号将被延迟 50ms 防止开关抖动引起重复触发。 3.3 芯片操作模式 模式 功能 典型应用 可组合使用的模式 a0 信息检索 快进信

27、息 a4 a1 删除 eom 要最后一条信息的结束处放置 eom a3、a4 a2 循环 从 0 地址循环放音 a1 a3 连续寻址 录放连续的多段信息 a0、a1 表 3-1 操作模式简表 地址输入有双重功能,根据地址中的 a6,a7 的电平状态决定 a0a7 的功能。如果 a6,a7 有一个是低电平,a0a7 输入全解释为地址位,作为起始地址用。地址位仅作为 输入端,在操作过程中不能输出内部地址信息。根据 、 或 的下降沿信号,地址输入被 锁定。如果 a6,a7 同为高电平时,它们即为模式位。 使用操作模式有两点要注意: (一)所有初始操作都是从 0 地址开始,0 地址是 1420 存储空

28、间的起始端,以后的操 作可根据模式的不同,而从不同的地址开始工作。当电路中录放音转换或进入省电状态 时，地址计数器复位为 0。 (二)当 、 或 变为低电平,同时 a6,a7 为高电平时,执行对应操作模式。这种操作 模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止,这一刻现行的地址/模式信号被 取样并执行。 操作模式可以与微控制器一起使用,也可用硬件连线得到所需系统操作。 a0-信息检索( 或 only) 不知道每个信息的实际地址,a0 可使操作者快速检索每条信息,a0 每输入一个低脉 冲,可使得内部地址计数器跳到下一个信息。这种模式仅用于放音,通常与 a4 操作同时 应用。 a1- 删除 标志

29、( only)可使录入的分段信息成为连续的信息,用 a1 可删除掉每 段中间信息后的 标志,仅在所有信息后留一个 标志。当这个操作模式完成时,录入的 所有信息就作为一个连续的信息放出。 a3- 循环重放信息( 或 only)可使存于存储空间始端的信息自动地连续重放。 一条信息可以完全占满存储空间,那么循环就可以从头至尾进行工作,并由始至终反复 重放。 a4- 连续寻址：在正常操作中, 当一个信息放出, 遇到一个 标志时,地址计数 器会复位，a4 可防止地址计数器复位,使得信息连续不断地放出。 a2、a5- 未用。 3.4 isd1420 最小化系统的录放 图 3-1 最小化录放音电路 isd1

30、420 芯片可以和少量的外围元件构成一个最小化的录放音电路。 这个最小化系统有一个led指示灯、三个微动开关，可以对芯片的录音、播放、停 止进行控制。s3（record）为录音键，按住它时led灯点亮，此时为录音状态，当录放 达到最大时间值或中途放开s3 录音按键即停止录音。s2（playl）为放音键，按一下 它就可以播放录音，当放音达到录音的尾声时或中途按下了s1停止键则停止放音。s1 为停止键，当放音过程中按下s1停止键停止放音。如果有待机时按住s1 则开始放音， 放音直到录音的尾声或中途放开s1 键。当芯片处于录音状态时led点亮，当芯片放音 结束时led会闪亮一下。 3.5 键盘控制模

31、块 图 3-2 键盘控制模块 s3（record）为录音键，按住它时 led 灯点亮，此时为录音状态，s2（playl）为 放音键，按一下它就可以播放录音，当放音过程中按下 s1 停止键停止放音。 3.6 录音和放音模块 图 3-6 录音和放音模块 3.7 芯片程序编写 通过硬件电路原理图可知，单片机 at89s51 的 p1 口直接与 isd1420 连接， 实现对 isd1420 的多种控制与操作，其语音接口地址为 p1 口。p1.6 置低电平为 放音（同时 p1.7 为高电平） ，p1.7 置低电平为录音（同时 p1.6 为高电平） ， a0、a1 固定接地，单片机输出数据 p1.0p1

32、.7 与 isd1420 录放控制码对应关系 见表 1.1。本例分 40 段，每段时间长度为 0.5s。 74ls377d7d6d5d4d3d2d1d0 isd1420rdpl a7a6a5a4a3a2 分 段 段控段控 制制 码码 0 1 0 0 00 0 0第 0 段 0 1 0 0 0 0 0 1第 1 段 0 1 1 0 0 1 1 0第 38 段 录 音 0 1 1 0 0 1 1 1第 39 段 1 0 0 0 0 00 0第 0 段 1 0 0 0 0 0 1第 1 段 1 0 1 0 0 1 1 0第 38 段 放 音 1 0 1 0 0 1 1 1第 39 段 表 3-2 i

33、sd1420 语音分段及段控制码 首先介绍 isd1420 芯片的语音录入编程。若要以语音的形式提醒时间，需要将提 醒的语音进行单字录入和词段录入。例如，单字数字“09” ， “时” ， “分” ，字段“当 前时间” ， “上课时间到”等等进行编程录入。isd1420 的分段与段控制码如表 1.1 所示， 假设段控制码直接存储在 40h 单元，单字语音录入程序如下： record：mov dptr，#7fffh ；语音接口地址 mov a， #0ffh ； mov dptr，a ；送停止录音码 mov a， 40h ；录音控制码 40h 送入 a acall ys20ms ；延时 20ms m

34、ovx dptr， a ； acall ys05s ；延时 0.5s 对传声器发音录单字 mov a， #0ffh ； mov x dptr， a ；送停止录音码 ret 当录入词段时，根据词段长度适当增加延时，及地址段长度。例如，在首段 录入“当前时间”字段，需要 1.5s，占用三个地址段长度，若首段的控制码为 40h，下一个字段控制码为 42h。 接着再介绍 isd1420 芯片的放音程序。在放音时，控制段码为 80h 起始。此 程序反复调用，直接放完语句中的单字和字段为止。 play： mov dptr，#7fffh ； mov a， #0ffh ；复位信号 movx dptr，a ； mov a， 40h ；放音内容送 a