本系统实现了语音数据

1、I摘要本系统实现了语音数据采样、储存、回放以及数据串行上传、下载功能。系统通过话筒录入语音数据，经过滤波电路、采样保持电路、A/D转换器后将模拟信号转换为数字信号，由单片机控制将信号储存在RAM中。在需要回放时，再由单片机控制提取RAM中的数据，通过D/A转换器将数字信号转换为模拟信号，通过功率放大器将语音信号还原后回放出来。同时系统将按键与液晶显示器配合，可以达到对系统的实时控制。在软件设计上，系统采用C语言进行模块设计。同时，系统还通过串口中断和下载线，使得系统拥有上串和下载功能。实验表明系统设计合理可靠，满足设计要求。关键词：语音，数据采集，回放，转换器AbstractThis syst

2、em has realized the voice acquisition, the storage and playback. As well as it has realized the datas serial upload and download. The system uses the microphone input voice. Then the analog signal through the filter circuit, the sampling maintenance electric circuit and the A/D switch, is transforme

3、d into the digital signal and is stored in RAM. When this system needs to playback, data is gotten from RAM, and it transforms into the analog signal through the D/A switch. Moreover through the power amplifier, the voice signal can be recovered. Simultaneously the system realizes real-time control

4、with key and liquid-crystal display. The system uses the C language make the module design. At the same time, the system also through the serial port and the download line enables it has the upload and download function. The experiment indicates the design is reliable, satisfies the design request.K

5、ey words: Voice, Data acquisition, Playback, Converter III目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326663369 摘要 PAGEREF _Toc326663369 h I HYPERLINK l _Toc326663370 Abstract PAGEREF _Toc326663370 h II HYPERLINK l _Toc326663371 1 绪论 PAGEREF _Toc326663371 h 1 HYPERLINK l _Toc326663372 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc32

6、6663372 h 1 HYPERLINK l _Toc326663373 1.2 发展现状 PAGEREF _Toc326663373 h 1 HYPERLINK l _Toc326663374 1.3 课题意义 PAGEREF _Toc326663374 h 2 HYPERLINK l _Toc326663375 1.4 本文结构 PAGEREF _Toc326663375 h 2 HYPERLINK l _Toc326663376 2 系统方案分析 PAGEREF _Toc326663376 h 3 HYPERLINK l _Toc326663377 2.1 系统功能简介 PAGEREF

7、 _Toc326663377 h 3 HYPERLINK l _Toc326663378 2.2 系统硬件部分分析 PAGEREF _Toc326663378 h 3 HYPERLINK l _Toc326663379 2.2.1 CPU部分 PAGEREF _Toc326663379 h 3 HYPERLINK l _Toc326663380 2.2.2 显示方案部分 PAGEREF _Toc326663380 h 7 HYPERLINK l _Toc326663381 2.2.3 数据存储器部分 PAGEREF _Toc326663381 h 8 HYPERLINK l _Toc32666

8、3382 2.2.4 模数转换器部分 PAGEREF _Toc326663382 h 10 HYPERLINK l _Toc326663383 2.2.5 数模转换器部分 PAGEREF _Toc326663383 h 13 HYPERLINK l _Toc326663384 2.2.6 语音处理模拟部分 PAGEREF _Toc326663384 h 15 HYPERLINK l _Toc326663385 2.3 系统软件部分分析 PAGEREF _Toc326663385 h 15 HYPERLINK l _Toc326663386 3 系统硬件设计 PAGEREF _Toc326663

9、386 h 17 HYPERLINK l _Toc326663387 3.1 系统总体设计 PAGEREF _Toc326663387 h 17 HYPERLINK l _Toc326663388 3.2 语音系统设计 PAGEREF _Toc326663388 h 18 HYPERLINK l _Toc326663389 3.2.1 语音采集原理 PAGEREF _Toc326663389 h 18 HYPERLINK l _Toc326663390 3.2.2 滤波电路 PAGEREF _Toc326663390 h 19 HYPERLINK l _Toc326663391 3.3 系统控

10、制部分结构 PAGEREF _Toc326663391 h 20 HYPERLINK l _Toc326663392 3.4 复位电路 PAGEREF _Toc326663392 h 21 HYPERLINK l _Toc326663393 3.5 振荡电路 PAGEREF _Toc326663393 h 22 HYPERLINK l _Toc326663394 3.6 存储器接口设计 PAGEREF _Toc326663394 h 24 HYPERLINK l _Toc326663395 3.7 液晶显示器总线方式驱动接口设计 PAGEREF _Toc326663395 h 25 HYPER

11、LINK l _Toc326663396 3.7.1 LCD1602的基本操作时序 PAGEREF _Toc326663396 h 25 HYPERLINK l _Toc326663397 3.7.2 RAM地址映射 PAGEREF _Toc326663397 h 26 HYPERLINK l _Toc326663398 3.7.3 指令说明 PAGEREF _Toc326663398 h 27 HYPERLINK l _Toc326663399 3.7.4 初始化过程 PAGEREF _Toc326663399 h 27 HYPERLINK l _Toc326663400 3.7.5 数据R

12、AM读写 PAGEREF _Toc326663400 h 28 HYPERLINK l _Toc326663401 3.7.6 1602与89C52的接线方式 PAGEREF _Toc326663401 h 28 HYPERLINK l _Toc326663402 3.8 系统外围器件设计 PAGEREF _Toc326663402 h 29 HYPERLINK l _Toc326663403 3.8.1 数模转换器 PAGEREF _Toc326663403 h 29 HYPERLINK l _Toc326663404 3.8.2 模数转换器 PAGEREF _Toc326663404 h

13、30 HYPERLINK l _Toc326663405 3.8.3 电平转换器件 PAGEREF _Toc326663405 h 30 HYPERLINK l _Toc326663406 3.9 语音处理模拟部分设计 PAGEREF _Toc326663406 h 32 HYPERLINK l _Toc326663407 4 系统软件设计 PAGEREF _Toc326663407 h 36 HYPERLINK l _Toc326663408 4.1 程序流程图 PAGEREF _Toc326663408 h 36 HYPERLINK l _Toc326663409 4.2 程序代码 PAG

14、EREF _Toc326663409 h 38 HYPERLINK l _Toc326663410 5 所用软件介绍 PAGEREF _Toc326663410 h 39 HYPERLINK l _Toc326663411 5.1 Proteus PAGEREF _Toc326663411 h 39 HYPERLINK l _Toc326663412 5.2 Keil PAGEREF _Toc326663412 h 39 HYPERLINK l _Toc326663413 结论 PAGEREF _Toc326663413 h 41 HYPERLINK l _Toc326663414 参考文献

15、PAGEREF _Toc326663414 h 42 HYPERLINK l _Toc326663415 致谢 PAGEREF _Toc326663415 h 43 HYPERLINK l _Toc326663416 附录A PAGEREF _Toc326663416 h 43 HYPERLINK l _Toc326663417 附录B PAGEREF _Toc326663417 h 53 1 绪论1.1 课题背景语音处理是数字信号处理最活跃的研究方向之一,它是信息高速公路、多媒体技术、办公自动化、现代通信及职能系统等新兴领域应用的核心技术之一。用数字化的方法进行语音的传送、存储、分析、识别、

16、合成、增强等是整个数字化通信网中的最重要、最基本的组成部分之一 。一个完备的语音信号处理系统不但要具有语音信号的采集和回放功能, 还要能够进行复杂的语音信号分析和处理。通常这些信号处理算法的运算量很大, 而且又要满足实时的快速高效处理要求, 随着单片机技术的发展, 以单片机为内核的设备越来越多。为语音信号的处理提供了优质可靠的平台。软件编程的灵活性给很多设备增加不同的功能提供了方便, 利用软件在已有的硬件平台上实现不同的功能已成为一种趋势。1.2 发展现状语音信号是最重要的信息载体之一。随着计算机多媒体技术，网络通信技术和嵌入式系统技术的飞速发展，语音的数字通信得到越来越多的应用，语音信号的数

17、字化一直是通信发展的主要方向之一，语音的数字通信和模拟通信相比，无疑有着更大的优越性，这主要体现在以下几个方面：数字语音比模拟语音具有更好的话音质量；具有更强的抗干扰性，并易于加密；可节省带宽，能更有效的利用网络资源；更加易于存储和处理。最简单的数字化就是直接对原始语音信号进行A/D 转换，但这样得到的语音的数据量非常大。为了减少语音信号所占用的带宽或存储空间，就必须对数字语音信号进行压缩编码。在通信越来越发达的当今世界，尤其最近几十年，语音压缩编码技术在移动通信、IP 电话通信、保密通信、卫星通信以及语音存储等很多方面得到了广泛的应用。因此，语音编码一直是通信和信号处理的研究热点，并其取得了

18、惊人的进展，目前在PC 机上的语音编码已经趋于成熟，而如何在嵌入式系统中实时实现语音压缩编码则是近些年来语音信号处理领域的研究热点之一。语音信号处理在手持设备、移动设备和无线个人设备中的应用正在不断增加。今天的个人手持设备语音大多时候仅仅局限于语音拨号，但是已经出现了适用于更广泛开发语音识别和文本到语音应用的技术。语音功能为用户提供自然的输入和输出方式，它比其他形式的I/O更安全，尤其是当用户在开车期间。在大多数应用中，语音都是键盘和显示器的理想补充。其他潜在的语音应用包括如下几个方面。1）语音电子邮件。包括浏览邮箱、利用语音输入写电子邮件以及收听电子邮件的读出。2）信息检索。股票价格、标题新

19、闻、航班信息、天气预报等都可以通过语音从互联网收听。例如，用户不用先进入某个网址并输入股票名字或者浏览预定义列表，可以通过语音命令实现。3）语音浏览。利用语音程序菜单，用户可以在网上冲浪、添加语音收藏夹并收听网页内容的读出。4）语音导航。在自动和人眼不够用的条件下获取导航的完全语音输入/输出驾驶系统。语音信号的传输和存储是语音信号的基本要求。对语音信号的传输，希望是传输的速度尽量快，传输质量尽量高；对语音信号的存储，希望存储的空间尽量小，存储的信息尽量多。这两个方面的要求，促进了语音编码的产生。语音编码算法可以解决语音传输和和存储的问题。所以，研究语音编码算法，也具有十分重要的价值，是目前语音

20、信号处理最广泛的算法。1.3 课题意义生活中，声音信号无处不在，同时也包含着大量的信息，可声音这种东西稍纵即逝，看不到，抓不住，这就往往让我们与一些重要的信息失之交臂。在某些情况下，我们需要记录一些语音中所包含的信息，但语音传出的速度是相对较快的，因此，就需要一种语音采集系统来采集语音数据，进行保存回放。该题目的目的在于设计一个语音数据采集系统，实现语音数据采集、存储、回放以及数据串行上传、下载功能，并最终做出实物。通过本次设计，掌握单片机的实际应用，锻炼自己的动手能力和运用理论知识的能力，培养严肃认真的工作态度。1.4 本文结构首先对整体系统做出初步分析，再对各个部分进行详细分析。然后是系统

21、硬件部分的设计，包括采集系统、控制电路、外部存储器、液晶显示器、模数和数模转换器等外围器件及语音处理部分。再然后是程序设计，最后是系统的调试仿真。2 系统方案分析2.1 系统功能简介本系统实现了语音数据采样、存储、回放以及串行上传、下载功能。系统结构图如下：RAM单片机模拟信号采集接口ADC键盘模拟功放接口DACLCD串行通信电平转换接口图 2.1 系统结构图2.2 系统硬件部分分析2.2.1 CPU部分本次所设计的系统是基于单片机完成的，所谓单片机(Single Chip Microcomputer)，是指在一块芯片中集成有中央处理器(CPU)、存储器(RAM 和 ROM)、基本 I/O 接

22、口以及定时器/计数器等部件，并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。如果是简单控制对象，只需利用单片机作为控制核心，不需另外增加外部设备就能完成。对于较复杂的系统，只需对单片机进行适当扩展即可，十分方便。归纳起来，单片机及应用系统有以下特点：1)单片机具有独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分体现出来。2)系统配置以满足控制对象的要求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比。 3)应用系统通常将程序驻留在片内(外)ROM 中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。 4)由于系统规模较小，其本身不具有自我开发能力，一般需借助专用的开发工具进行系统开发和调试，而实际应

23、用系统简单实用，成本低，效益好。 5)应用系统所用存储器芯片可选用 EPROM、E2PROM、OTP 芯片或利用掩膜形式生产，便于批量开发和应用。许多单片机(如 80C51 系列)的开发芯片和扩展应用芯片相互配套，降低了系统成本。 6)由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于嵌入被控设备之内，大大推动了产品的智能化。如数控机床、机器人、智能仪器仪表、洗衣机、电冰箱、电视机等都是典型的机电一体化设备和产品。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一

24、条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其

25、中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。本次采用的单片机型号为STC89C52，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵

26、巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器， MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，最高运作频率35Mhz。STC89C

27、52封装图如下：图 2.2 STC89C52封装图STC89C52引脚功能说明如下：Vss(20)-接地(GND)电源信号。Vcc(40)-+5V电源输入端。XTAL1(19), XTAL2(18)-工作频率输入信号。若使用石英振荡晶体时，则应将石英晶体的两支引脚接到XTAL1与XTAL2引脚上。若使用外部的脉波信号源时波信号应接至XTALl引脚上，而XTAL2则必须接地。可使用的工作频率范围为:1.2 l2 MHz。RST/VST(9)-硬体重置(Reset)输入信号。当本引脚收到一个由low上升为high的转态信号时，89c52将被重置，此时89c52将其内部的特殊功能暂存器(Specia

28、l Function Register, SFR)设定为预设值，并由地址0000H开始执行程序。本引脚(VPD)亦可用于89c52的功率下降(Power Down)模式，当VPD维持约+5V而Vcc低于规定的+5V+5%时，VPD将供应电源(称之为Standby Power)给其内部的RAM使用，以保存其资料。/EA(31)-外部存取允许(External Access Enable)输入信号。决定程序记忆体最前面bytes(0000H-0FFFH)是来自芯片内部的ROM/EPROM (/EA=1)，或来自外部的ROM/EPROM (/EA=0)。P0.0P0.7(3932)-接口0。本引脚有

29、两种用途:当作I/O口时为口0，为8位元双向开吸极(Open Drain)的I/O口。将信号l写入口0时，可使其引脚进入高阻抗状态，此时可当作I/O输入引脚。每支引脚可驱动8个LS-TTL负载。本引脚亦当作多工式的低阶地址(A0-A7)及资料(DO-D7)汇流排，可供存取外部的记忆体。通常在每一个指令周期中先送出低阶地址信号(此时亦伴随着送出ALE信号)，然后再送出资料信号，故这8支引脚又称之为AD0 - AD7。P1.0P1.7(18)-接口1。为8位元双方向性的I/O口。将信号l写入口l时，可使其引脚由其内部提升为高电位状态，此时可当作I/O输入引脚。每支引脚可驱动4个LS-TTL负载。P

30、2.0P2.7(2128)-接口2。本引脚有两种用途：当作I/O口时为8位元双向I/O口。将信号1写入口2时，可使其引脚由其内部提升为高电位状态，此时可当作I/O输入引脚。每支引脚可驱动4个LS TTL负载。本引脚亦当作高阶地址(A8-A15)汇流排，以存取外部记忆体。 P3.0P3.7(1017)-接口3。为8位元双方向性的I/O口。将信号1写入口3时，可使其引脚由其内部提升为高电位状态，此时可当作I/O输入引脚。每支引脚可驱动4个LS-TTL负载。本引脚亦可使用于下列之用途：RXD(P3.0)：串列口信号输入端。 TXD(P3.1)：串列口信号输出端。 /INT0(P3.2)：外部中断0信

31、号输入端。 /INT1(P3.3)：外部中断l信号输入端。 T0(P3.4)：计时器/计数器0外部信号输入端。 T1(P3.5)：计时器/计数器l外部信号输入端。 /WR(P3.6)：外部资料记忆体写入闪控(Strobe)信号输出。 /RD(P3.7)：外部资料记忆体读取闪控(Strobe)信号输出。 /PSEN(29)-程序储存允许(Program Store ENable)闪控输出信号。在外部程序记忆体的指令码撷取周期时，/PSEN将送出一个闪控信号，以表示CPU正自外部的程序记忆体中读取指令码。ALE(30)-地址锁存允许(Address Latch Enable)输出信号。当CPU自外

32、界记忆体中撷取指令码或存取资料时，ALE将会在一个汇流排周期(Bus Cycle)开始时送出H的信号，表示P0.0-P0.7(AD0-AD7)正送出低阶地址A0-A7信号，以供外界电路锁定这些低阶地址信号。由于ALE信号频率固定为振荡器工作频率的1/6，故ALE信号也可当作脉波信号源。2.2.2 显示方案部分本系统需要一个液晶显示器来显示一个人机交互界面，本次设计所采用的是LCD1602,1602为兼容的液晶显示模块，支持57点阵和2行16字符两种模式，背光亮度和显示对比度可调，是一种功能较简易、价格较便宜的液晶显示器件。它由液晶显示屏和驱动器两部分组成，单片机通过写控制字的方式访问驱动器来实

33、现对显示屏的控制。1602引脚图如下：图 2.3 1602引脚图1602的引脚功能说明如下：第1脚：VSS为电源地 。第2脚：VDD接5V电源正极 。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光

34、正极，16脚背光负极。2.2.3 数据存储器部分存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）,也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。构成存储器的存储介质，目前主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再

35、由许多存储单元组成一个存储器。一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节（按字节编址）。每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。假设一个存储器的地址码由20位二进制数（即5位十六进制数）组成，则可表示2的20次方，即1M个存储单元地址。每个存储单元存放一个字节，则该存储器的存储容量为1MB。存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数

36、码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。本设计中所用到的数据存储器是62256，62256是32K的低功耗静态RAM存储器。 用P0和P2来扩展外部ram（就是用P0和P2与62256对应的管脚相连接），假设P2.7接WR，P2.6接RD，P2.5接CS，那么就可以确定外部RAM的一个地址，想往外部RAM的一个地址写一个字节时，地址可以定为XBYTE 0 x4000，其中WR，CS为低，RD为高，那就是高位

37、的4（0100 也就是P2.7和P2.5输出了低电平，而P2.6输出了高电平，目的当然是要选通62256并且向62256写入数据），其它位的可以根据情况自己定。62256封装图如下：图 2.4 62256封装图62256引脚功能说明如下：A0 A14 地址总线(Address) D0 /D7 输入/输出口(nput/output) CS 端口选择(Chip select) WE 输入始能(Write enable) OE 输出始能(Output enable) VCC 电源始能(Power supply) VSS 接地(Ground)2.2.4 模数转换器部分 模数转换器即A/D转换器，或简称

38、ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。 A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量

39、化和编码在转换过程中是同时实现的。 一般来说，AD比DA贵，尤其是高速的AD，因为在某些特殊场合，如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。一般那样AD要上千美元。还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率，多个AD同时处理数据，能满足处理器的数字信号需求了。随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数

40、字量，才能够送往计算机进行处理。模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D(Analog to Digital)转换；完成模数转换的电路被称为 A/D 转换器，简称 ADC(Analog to Digital Converter)。数字量转换成模拟量的过程称为数模转换， 简称 D/A(Digital to Analog)转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器，简称DAC(Digital to Analog Converter)。模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入 AD 转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由 DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。为了保证数据处理结果的准

41、确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和 DA转换器还必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度乃是衡量 AD转换器和 DA转换器性能优劣的主要标志。模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。最普通的码制是二进制，它有2的n次方个量级（n为位数）,可依次逐个编号。模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反

42、复比较，直到二者达到或接近平衡。控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。先使二进位制数的最高位Dn-1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若VinVS,则保留这一位；若VinVS还是VinV来决定是否保留这一位。经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。它在计算机接口电路中用得最普遍。间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。常用的有电压-时间间隔(V/T

43、)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。本次设计中所采用的模数转换器是ADC0804，ADC0804是一个早期的A/D转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。ADC0804是一个8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约100us；方便的TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输

44、入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0-5V）输入信号电压范围是0V-5V；不需要调零等等。ADC0804封装图如下： 图 2.5 ADC0804封装图ADC0804引脚功能说明如下：/CS（引脚1）芯片选择信号,低电平有效 /RD(引脚 2) 外部读取转换结果的控制输出信号。/RD为 HI 时，DB0DB7处理高阻抗：/RD为 LO时，数字数据才会输出。 /WR（引脚 3）用来启动转换的控制输入，相当于 ADC的转换开始（/CS=0 时）， 当 /WR由 HI变为 LO时，转换器被清除：当/WR回到 HI 时，转换正式开始。 CS 、RD 、WR （引脚1、2、3）：是数字控制输入端，满足标

45、准TTL 逻辑电平。其中CS 和WR 用来控制A/D 转换的启动信号。CS 、RD 用来读A/D 转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器DB0DB7 各端上出现8 位并行二进制数码。CLKI（引脚4）和CLKR（引脚19）：ADC08010805 片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D 转换所要求的时钟，CLK为芯片工作提供工作脉冲，时钟频率计算方式是：fCK=1/(1.1RC）。其典型应用参数为：R=10K，C=150PF，fCK640KHZ，转换速度为100。若采用外部时钟，则外部fCK 可从CLKI 端送入，此时不接R、C。允许的

46、时钟频率范围为100KHZ1460KHZ。INTR （引脚5）： INTR 是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。如果将CS 和WR 端与INTR 端相连，则ADC0804 就处于自动循环转换状态。CS 0 时，允许进行A/D 转换。WR 由低跳高时A/D 转换开始，8 位逐次比较需88=64 个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次转换需要6673 个时钟周期。在典型应用fCK640KHZ 时，转换时间约为103114。当fCK 超过640KHZ，转换精度下降，超过极限值1460KHZ 时便不能正常工作。VIN（）（引脚 6）和VIN（）（引

47、脚7）：被转换的电压信号从VIN（）和VIN（）输入，允许此信号是差动的或不共地的电压信号。如果输入电压VIN的变化范围从0V到Vmax，则芯片的VIN（）端接地，输入电压加到VIN（）引脚。由于该芯片允许差动输入，在共模输入电压允许的情况下，输入电压范围可以从非零伏开始，即Vmin 至Vmas。此时芯片的VIN（）端应该接入等于Vmin 的恒值电码坟上，而输入电压VIN仍然加到VIN（）引脚上。AGND（引脚8）和DGND（引脚10）：A/D 转换器一般都有这两个引脚。模拟地AGND 和数字地DGND 分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。VREF/

48、2（引脚9）：参考电压VREF/2 可以由外部电路供给从“VREF/2”端直接送入，VREF/2 端电压值应是输入电压范围的二分之一所以输入电压的范围可以通过调整VREF/2 引脚处的电压加以改变，转换器的零点无调整。2.2.5 数模转换器部分 数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流，它常用作过程控

49、制计算机系统的输出通道，与执行器相连，实现对生产过程的自动控制。数模转换器电路还用在利用反馈技术的模数转换器设计中。D/A转换器的主要特性指标包括以下几方面：分辨率：指最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。如N位D/A转换器，其分辨率为1/(2N-1)。在实际使用中，表示分辨率大小的方法也用输入数字量的位数来表示。线性度：用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。转换精度：D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果

50、不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率的大小，因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换就产生错误。 在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。数模转换器的转换原理：数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的

51、总模拟量，从而实现了数字模拟转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。本次设计中所采用的数模转换器是DAC0832，DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8

52、位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832的主要特性参数如下：* 分辨率为8位； * 电流稳定时间1us； * 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； * 只需在满量程下调整其线性度； * 单一电源供电（+5V+15V）； * 低功耗，20mW。DAC0832引脚图如下：图 2.6 DAC0832引脚图DAC0832引脚功能说明如下：D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)； ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于

53、500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存； XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；Rfb：反馈

54、信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V； VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V； AGND：模拟信号地 ；DGND：数字信号地。2.2.6 语音处理模拟部分系统中的模拟部分主要是声音采样和回放电路的滤波部分，声音采集部分使用了典型的8KB、8bit的PCM编码。由于语音频率范围为3003400Hz，所以采用了简单的RC低通滤波电路。R=4k，C=0.01uf，衰减小于3dB的带宽范围为04kHz的低通滤波器。2.3 系统软件部分分析在单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中一种。对用惯了汇编语

55、言的人来说，高级语言可控性不好，不如汇编语言那样能够随心所欲。但是使用汇编语言会遇到很多问题，首先它的可读性和可维护性不强，特别是当程序没有很好标注的时候，其次就是代码的可重用性也比较低。使用C语言就可以很好的解决这些问题。C语言具有良好的模块化，容易阅读和维护等优点。由于模块化，用C语言编写的程序有很好的可移植性，功能化的代码能够很方便地从一个工程移植到另一个工程，从而减少了开发时间。用C语言编写程序比用汇编语言更符合人们的思考习惯，开发者可以更专心的考虑算法而不是考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。使用像C这样的语言，程序员不必十分熟悉处理器的运算过程。很多处理器支持C编译器，

56、这意味着对新的处理器也能很快上手，而不必知道处理器的具体内部结构，这使得用C语言编写的程序有更好的可移植性。所有这些并不说明汇编语言就没有了立足之地，很多系统特别是实时时钟系统都是用C语言和汇编语言联合编写的。对时钟要求严格时，使用汇编语言是唯一的方法。除此之外，包括硬件接口的操作都应该用C语言来编写。C语言的特点就是可以使程序员尽量少的对硬件进行操作，它是一种功能性和结构性很强的语言。对于大多数单片机，使用C语言这样的高级语言与使用汇编语言相比具有如下优点：1）不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构。2）寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理，编程时不需要考虑存储的寻址和数据类型等细节

57、。3）指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性。4）可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。5）与使用汇编语言编程相比，程序的开发和调试的时间大大缩短。6）C语言中的库文件提供许多标准的例程，例如格式化输出、数据转换和浮点运算等。7）通过C语言可实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加入到新程序中。8）C语言可移植性好且非常普及，C语言编译器几乎适用于所有的目标系统，已完成的软件项目可以很容易地转换到其他的处理器或环境中。鉴于C语言的众多优点，本次设计中便采用C语言进行程序的编写。3 系统硬件设计3.1 系统总体设计系统整体原理图如下：图 3.1 系统原理图界面采用LCD1602,2行1

58、6字符的液晶显示模块，显示一个循环的二级菜单用作和用户之间进行交流的交互界面。输入按键有两个，直接占用了外部中断INT0和INT1，配合液晶显示界面用于系统流程的控制和功能的选择。数据存储器采用62256，数模转换采用DAC0832，模数转换采用ADC0804，话筒录入和语音回放的模拟部分需要功率放大器，选用的是双功放TDA2822。与PC间的通信采用的串行方式，从单片机TX和RX端CMOS电平到PC的标准RS232电平的转换器件选用Maxim的Max232。3.2 语音系统设计3.2.1 语音采集原理语音是一维时间信号，由于是表示语言声音的信号，所以不是恒定的，信号的性质随时间变化很大。为了

59、充分利用有限的存储空间，并不失真地传送语音信号必须对采集后的语音信号进行进一步压缩，即语音压缩。所谓语音压缩，是为了声音信号更大信息量的传送与记忆而压缩数据，并有效地回放声音的过程。语音压缩可由将语音信号采集，并利用适当的量子化形式的压缩符号化或预测符号化等进行。 现代常用的语音信号表示方法如用生成模的参数表示声音时，参数的数据率为5K比特/秒左右，与波形符号化相比，参数表现的数据率显著变低，若使用声音生成模，则以利用声音信号分析而得的模的参数为基础，可进行声音的再合成。在听觉上得到的与原声音没有多少不同的合成声音。参数的数据率为信号波形数据率以下， 所以可进行高效的声音数据压缩。单从声音的存

60、储与压缩率来考虑，生成模参数表示法明显优于信号波形表示法。但要将之应用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现，具有很强的可行性。故方案的设计均从声音信号以波形存储来考虑。基于这种思路的算法，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有VQ技术及一些变换编码和神经网络技术，但是算法复杂，目前的单片机速度低，难以实现。结合实际情况，提出了实时幅值采样的方案。采样过程如下：存储量化抽样图 3.2 采样过程直存直取法：该方案将话音信号的抽样值直接存取，以保证在回放时能真实的重现抽样值。由于这种方法重现的是采样的真实值，所以只存在一般量化噪声，与A/D转换精度有关。故此方法回放质量最好，但占用存储空