基于ISD语音芯片录放音系统

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业玉林师范学院本科生毕业设计基于ISD语音芯片录放音系统 Recording Sound System Based on ISD Voice Chip院 系电子与通信工程学院专 业通信工程学 生 班 级2010级姓 名何仕昌学 号2指导教师单位电子与通信工程学院指导教师姓名刘峰指导教师职称高级工程师基于ISD4004芯片的语音录放系统设计电子与通信工程学院通信10班 何仕昌 指导老师 刘峰摘要本论文主要实现语音录放系统的设计，介绍了基于AT89S52单片机及ISD4004

2、语音板为主要部件的语音录放电路的工作原理、硬件设计和软件设计。语音录放系统的工作过程包括语音信号采集、处理、放大、输出。语音录放是声音信号经过麦克风，把连续的音波信号转变成连续的电信号，经过电路耦合处理送到语音模块，然后存储在ISD4004中，再经过LM386功率放大器，把声音信号送出。本设计通过AT89S52单片机的程序控制，实现了语音的分段录音、分段放音。关键词：ISD4004，AT89S52单片机，语音录放Voice recording system design based on ISD4004 chipElectronic and communication engineering

3、college class 10：He ShichangGuide teacher Liu Feng Abstract In this paper, the main design and implementation of voice recording system,introduces the design principle, voice recording circuit of hardware and software of AT89S52 microcontroller and ISD4004 voice board based on as the main component.

4、 Voice recording system work includes speech signal acquisition, processing, output,amplification. Voice is the sound signal through the microphone, the acoustic signalinto electric signal change continuously continuously, through the circuit coupling treatment to the sound module, and then stored i

5、n the ISD4004, and then through the LM386 power amplifier, the voice signal is sent.This design by AT89S52 MCU program control, realize the segment recording, voicebroadcast section.Keywords: ISD4004, AT89S52 microcontroller, Voice recording目录TOC o 1-3 h u 1前言1857年斯科特法国发明家发明了声振动器,这是第一个原始录音机,是留声机的发起人

6、。1877年，美国发明家爱迪生宣布，他发明了第一台留声机一种录制并重放声音的装置。他在演示的时候录出了8秒钟的声音，后来被人们称赞这8秒钟的声音为世界录音史上的第一声。随着经济的发展，时至今日，现在人们的生活已经和音乐密不可分，而音乐的传播是需要录制的，这就推进了语音系统技术的发展。计算机技术和电子技术的发展，很大的改变了语音技术，由以前的锡箔唱筒、录像机发展到了现在手机、MP3，语音技术的发展也越来越成熟。在日常生活中，闲暇之余，在家人或者朋友的陪同下很多人都会去电影院看电影放松心情，这很好的让人保持身心的愉悦，在社会更好地体现出自己的价值。电影的制作包括了前期的拍摄、录音和后期的编辑、配音

7、和剪接。后期的配音是很重要的环节，特别是一些动漫作品，拍摄的过程是没有录音的，那就只能在后期进行配音，这就用到了语音技术。可以说，语音技术很大程度地改变了人们的日常生活需要，推动了社会的进步。1.1 课题背景数字录音系统技术可以将声音信号变成数字信号。数字录音技术有较高的录制时间，可以长期地保存在信息存储介质中。实现数字录音系统有PC机实现和嵌入式系统这两个方面。本文中设计采用的是嵌入式数字录音系统，主要是要满足以下几个指标：可以存储的时间较长，大容量非易失性数据存储器作为存储介质,可以保存音频文件和一起记录；灵活的控制方式,可以实现各种语音操作来应对客户的需求；足够高的采样频率，保证了好的语

8、音质量；数据的合理压缩为存储器节省了很大的存储空间；与电脑的连接可以将声音文件存入存储介质中，用以备用。本设计实现嵌入式录音系统用的是通用单片机实现，即单片机控制语音的录放。1.2 课题设计的意义 设计一个语音录放系统，可以录制我们想要的声音，比如市场上的录音设备MP3、MP4播放器，可以存储高质量的声音文件，广受大家的喜爱。2设计的总体方案2.1 系统的主要芯片选择方案一：采用AT89S52芯片,为51系列单片机，40个引脚焊接方便，成本低，同时选修过单片机课程，对51系列有一定的了解，运用起来比较方便。方案二：ARM系列芯片，ARM芯片体积较小、运行速度快、贴片芯片、成本高，焊接起来不方便

9、。从经济和焊接上面考虑，选择的是51系列单片机。本设计主要是用ISD4004和AT89S52实现语音录放功能，因此选择方案一。ISD4004与单片机用的是SPI的通信模式，即同步的四线串行口连接，ISD4004是语音录入和存储的介质，AT89S52是主要控制端，用程序控制语音模块的录音、放音功能。2.2 系统音频功率放放大器的选择LM386是一种音频功率放大器，有较低的静态功耗，约为4mA、较宽的工作电压范围，一般为4V12V，电压可调整的增益范围是20200dB（它的初始内置增益为20，本设计在1脚和8脚串接上一个10UF的电容和一个10K的电阻，这样电压的增益可以调到200）、外部元件较少

10、和失真率小等优点，用LM386可以减少信号输出的失真率。2.3 系统的总体方框图本论文中的系统主要是单片机和ISD4004的连接，单片机程序控制和按键控制来实现录放音功能，其信号过程为通过麦克风把外部声音信号变成电信号，经过电路耦合送入到语音芯片中，经语音芯片滤波后通过LM386音频功率放大器放大，最后从喇叭把声音输出。单次录音时间为0到8分钟。 图2.1 系统总体方框图Figure 2.1 The overall block diagram of the system3 ISD4004和AT89S52芯片的介绍3.1 ISD4004介绍3.1.1 ISD4004的引脚介绍ISD4004 系列

11、语音芯片是美国 ISD 公司采用直接模拟量存储技术推出的语音录放器件。1其端口介绍如下：ANA IN+为语音信号的同相输入端。ANAIN-为语音信号的反相输入端。本电路在同相输入端和反相输入端各连接一个耦合电容，这是为了让语音信号更好的连接到语音芯片中。 AUD OUT为ISD的音频输出端。在音频输出端连接一个10K的电阻，可以有效的保证语音输出的质量。其最大负载可以达到5000欧姆。片选(SS)：此端为低，即选中 ISD4004 系列。MOSI是单行串口输入端，与单片机的I/O口连接，由时钟来控制，时钟上降沿时将数据送入ISD4004中。MISO是ISD4004 串行输出端。当为高阻状态时表

12、示语音芯片没有被选中。SCLK是ISD4004 的时钟输入端口，时钟是由单片机控制，其作用是同步串行输入端和串行输出端的数据传输。23.1.2 SPI端口的控制位SPI端口是由串行输入端和串行输出端这两个控制位控制，其控制寄存器控制语音芯片的录音和放音，同时也控制芯片的启动和停止。图3.1 SPI控制端口Figure 3.1 SPI port control3.1.3 SPI控制寄存器SPI控制寄存器控制器件的每个功能,比如录音和放音、信息检索(快进)、上电/掉电、开始和停止操作等。3表3.1 控制器功能Table 3.1 The controller function位值功能位值功能RUN

13、1 0允许/禁止操作开始 停止PU10电源控制上电 掉电P/-R10录/放模式放音 录音IAB10操作是否使用指令地址 忽略输入地址寄存的内容 使用输入地址寄存的内容MC10快进模式允许快进 禁止P15-P0A15-A0行指针寄存器输出输入地址寄存器3.2 单片机简介及功能3.2.1 AT89S52简介AT89S52是一种低功耗、高性能、CMOS、8位微控制器，具有4KB在系统可编程Flash存储器。其主要性能如下。与MCD-51单片机产品兼容4K字节在系统可编程Flash存储器1000次擦写周期全静态操作：033Hz三级加密程序存储器32个可编程I/O口线两个16位定时器/计数器5个中断源一

14、个全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符3.2.2 AT89S52引脚及功能Vcc（40脚）：主电源正断，接+5V。Vss（20脚）：主电源负端，接地。XTAL1为片内高增益反相放大器的输入端。一般外接一个30PF的电容。 XTAL2为片内高增益反相放大器的输出端。一般也接一个30PF的电容。本电路在XTAL1和XTAL2接上一个12MHz的晶振，电路工作是这连个端口接地。这样保证了晶振能够起振，从而使得单片机能够执行程序代码，是一个很重要的电路组成部分。RESET/VPD(9脚)：RESET是单片机的复位端口，与一个10K的电阻和一个22U

15、F的电容连接，电容并联上一个复位按键，这里称为复位电路。在电路工作时按下复位按键电路就从新启动，和PC机的电源重启键功能类似。ALE/（30脚）：地址锁存控制信号。PSEN（29脚）：程序存储器允许信号输出端。/VPP(31脚)：片内程序存储器选通控制端，低电平有效。P1口：P1口它是内部提供上拉电阻的8位双向I/O端口，作为通用I/O口，P1口信号输出受外部的干扰小，相对于本电路来说，用P0口与语音芯片连接的话，因为P0口外部是接一个上拉电阻，通电后产生局部电流，这样会造成语音模块的喇叭失真，会一直出现沙沙声响，所以本电路采用的是P1口和语音芯片连接使用。P2口：P2口也是内部提供上拉电阻的

16、8位双向I/O口，也可以作为通用I/O口，本电路是用P2口与按键电路用杜邦线连接，按键的作用是控制电路的录音、放音和停止。44系统控制部分4.1 单片机最小系统本电路的控制部分是由单片机AT89S52系统构成，包括烧录口、按键、复位电路和排针等外围电路。VCC接5V电源，VSS（GND）接地，XTAL1为片内高增益反相放大器的输入端，XTAL2为片内高增益反相放大器的输出端，在这两个引脚之间接上一个晶振，晶振的起振可以产生一个机器周期，没有晶振，单片机就没有时钟周期，就不能进行程序代码。所以在晶振两端分别接上一个30PF的电容，让晶振可以正常的工作，从而使得单片机可以正常的执行代码。图4.1

17、单片机最小系统Figure 4.1 Single chip microcomputer minimum system4.2 语音模块电路语音模块电路是主要由ISD4004芯片、麦克风录入声音模块，LM386功率放大模块和电源转换模块组成。图4.2 ISD4004语音模块Figure 4.2 The voice module of the ISD40044.2.1 系统的录入声音模块麦克风MK1收集外部声音信号，把声音信号变成电信号送入ISD4004芯片中，C7和C5在电路为耦合电容，起连接作用。 图4.3 录音模块Figure 4.3 The recording module4.2.2 语音信

18、号功率放大电路LM386是一种音频集成功放，有较低的功率消耗，较宽的工作电压范围，外部接元器件较少，这样可以很有效的减少电路板材料的使用，并且功放的失真小，保证了很好的语音质量输出，在收音机和录音机中得到广泛的应用。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。图4.4 LM386引脚图Figure 4.4 The pin diagram of the LM386语音芯片ISD4004输出的电压很小，不足以让喇叭工作。本系统采用LM386功率放大器，以提高扬声器的驱动能力。喇叭有些时候会出现沙沙声响现象，功放的内置增益为20，考虑到有可能是较高的电路电压增益造成的，本设计在1脚和8脚串接

19、上一个10UF的电容和一个10K的电阻，这样电压的增益可以调到200，很有效的解决了电路的失真现象。在喇叭那里接上一个10K的滑动变阻器，用来调节喇叭的音量。图 4.5 放音模块Figure 4.5 The Playback Module4.2.3 ISD4004电源转换ISD4004的工作电压为3V，其供电电源是由单片机连接过来，单片机连接过来的工作电压为5V，所以需要进行电压转换，本电路用的是AMS1117-3.3 Q1122芯片来实现电压转换。图4.6 电源转换模块Figure 4.6 The power conversion module4.3 单片机与ISD4004之间的通信连接单片

20、机ISD4004之间的通信采用串行外设接口,本设计用的是P1口和ISD4004芯片连接。为了连线的方便，用的是P1.1P1.3这四个I/O口用杜邦线与分别与ISD4004的SS、MOSI、MISO、SCLK连接。图4.7单片机与ISD4004的连线Figure 4.7 Single chip microcomputer and the ISD4004 attachment5程序流程设计5.1 程序流程电路上电后，程序首先完成程序的初始化，随后查询状态，进入系统待机状态。如果按下录音键录音，则调用录音程序并执行，系统进入录音状态。录音结束后如果按下放音键，则执行放音程序，系统进入放音状态。图 5

21、.1 录放音流程图Figure 5.1 Sound recording flowchart6系统检测与测试实例6.1系统的实际测试过程在完成电路板的焊接后，需要对电路板进行测试，看系统是否能实现预期的要求。首先是对电路板是否能正常通电进行测试。当对单片机最小系统通上电后，发现电源指示灯正常工作，证明了电路没有出现短路和断路的现象。然后用杜邦线从单片机的电源连线连接到语音板的电源转换模块后，发现语音模块的电源指示灯不亮，仔细检查电路，发现电路的线路和焊接没有造成断路，考虑到有可能是有的元器件正负极接反造成的，所以马上进行断电处理，不然有可能会烧掉芯片。在检查了语音模块电路板的原理PCB后，终于发

22、现问题所在，是AMS1117芯片的贴片封装反了，需要把AMS1117芯片从正面改到背面重新焊接。把电源转换芯片重新焊接后，对电路连上电，语音模块的电源指示灯终于亮了。连上电十几秒后，对电路的每一个元件进行温度测试，发现元器件都没有发热的现象，那就避免了元件烧掉的可能性。现在可以确定电路能正常供电使用。在确定电路可以正常的供电后，下一步是把程序下载到单片机上，连好两个板的线，然后进行录放音测试。首先用的是keil软件对程序进行编辑，设置好各个参数，编译成功后生成HEX文件。把HEX文件下载到单片机上，进行电路的录放音测试。开始时由于对电路的认识不足，用的是P0口与ISD4004芯片连接，发现喇叭

23、出现沙沙声响，正常情况下喇叭是没有很大的沙沙声响的，这时按下录音键录音，录音结束后进行放音，发现喇叭还是一直出现沙沙声响，没有出现录制的声音。经过对电路的检查，考虑到可能是P0口的外接上拉电阻通电后有电流产生，出现了严重的失真现象，影响了电路的正常工作。在把程序的控制端口改为P1口后，重新再下载到单片机上，这时通电喇叭没有出现沙沙声响，进行录放音的操作也可以正常的录音放音，现在可以确定系统能实现预期的结果。6.2 测试内容本次测试将应用程序下载到AT89S52单片机中，然后用杜邦线连接到ISD4004开发板，进行功能测试。总共分四段录音、放音。表6.1 功能测试表Table 6.1 Funct

24、ional test table测试点内容说明1录音功能是否实现当按下录音键时，系统开始录音2放音功能是否实现当按下放音键时，系统开始放音3停止按键是否正常当按下停止键时，系统停止当前的操作6.3 测试结果测试1：当第一次按下录音键时，对系统进行6分钟录音；6分钟后第二次按下录音键，进行4分钟的录音；4分钟后第三次按下录音键，进行3分钟的录音；3分钟后第四次按下录音键，进行30秒的录音。录音完毕按下停止键，录音停止。测试2：第一次按下放音键，系统播放第四段录音；第二次按下放音键，系统播放第一段录音；第三次按下放音键，系统播放第二段录音；第四次按下放音键，系统播放第三段录音。按下停止键，系统放音

25、停止。总结经过这段时间的努力，我对ISD4004语音录放音系统有了充分的认识。电路是由单片机最小系统板和ISD4004语音板组成，用杜邦线实现两个电路板的连接，通过单片机的程序控制语音板的录音、放音和停止等功能。本次语音输出喇叭为8欧姆，0.5W，放音的时候声音不是很大，需要靠近才能够听见声音。 本设计的功能还不是很完善，系统通电后有时喇叭还会出现沙沙声响，偶尔出现失真现象。总的来说，本系统能基本实现语音的录音、放音和停止等功能。这次的设计让我学到了很多东西，同时也认识到语音技术在日常生活中的重要性，我相信随着科技的进步，语音技术会越来越成熟，会应用到更加广泛的领域。致谢感谢刘峰老师的悉心指导

26、，让我在毕业前顺利完成了毕业设计。在我对电路迷茫的时候，是他帮助我渡过难关。同时也非常感谢同学们的帮助，在基地的时候是你们指导我完成板的制作和焊接，也感谢你们在我测试时的帮助。参考文献1吴杰,张保平. ISD4004芯片在现场录放音系统中的应用J. 微处理机,2004,04:60-62.2高红亮，张同忠，杨杰.采用ISD4004的电梯语音系统的设计J电子技术，2005年9月.3 王振红,李洋,郝承祥. ISD4004语音芯片在远程通讯中的应用J. 现代电子技术,2001,09:78-81.4万隆，巴奉丽.单片机原理及应用技术M.北京：清华大学出版社，2010.35 庄建清,徐玮. 51单片机综

27、合学习系统SPI总线的基本原理与应用实例J. 电子制作,2008,09:28-30.6张晓博,李永江.半双工对讲机的设计与制作J. 信息系统工程,2010,02:34-35.7 薛钧义,张彦斌.16位单片机原理及应用M.北京:北京航空航天大学出社,20038 李兰友,韩其睿,江忠.数字信号处理单片机及其应用M.北京:电子工业出版社，1997.89王振红， 李洋， 郝承祥.ISD4004 语音芯片的工作原理及其在智能控制系统中的应用 J.国外电子元器件，2002年03月第 25卷第 1期.10杨海东，陈高平ISD400416M语音芯片的循环录放电路设计J单片机与嵌入式系统应用，2004年12月.

28、11孟振中. 基于ISD4004芯片的语音录放系统设计J. 成功(教育),2008,01:218-219.12王南阳.单片优质语音录放集成电路应用手册M.机械工业出版社，2006年01月.13 罗亚非16位单片机应用基础M北京：北京航空航天 大学出版社 ，2003 14 李晓白，秦红磊，朱俊杰16位单片机C语言开发M 北京：北京航空航天大学出版社，2006 15闵联营，董华松Visual Basic程序设计M北京：北京大学出 版社 2006 附录I 程序#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intb

29、it playbit,recbit;/定义两个位变量，放音和录音位/定义放音命令,定义常量/#define ISDPOWERUP 0X20 /ISD4004上电#define ISDSTOP 0X10 /ISD4004下电#define OPERSTOP 0X30 /ISD4004停止当前操作#define PLAYSET 0XE0 /ISD4004从指定地址开始放音#define PLAYCUR 0XF0 /ISD4004从当前地址开始放音#define RECSET 0XA0 /ISD4004从指定地址开始录音#define RECCUR 0XB0 /ISD4004从当前地址开始录音sbi

30、t SS=P10; /LOW IS ACTIVELYsbit MOSI=P11;sbit MISO=P12;sbit SCLK=P13; sbit K1=P35;sbit K2=P36;sbit K3=P37;sbit LED1=P01;sbit LED2=P02;void delayms(uchar ms);uchar playcout,reccout; /放音和录音次数。/放音部分子程序，放音地址由ADDR决定/void play(uint addr) uint y;SS=0;MOSI=0;/发送开始SCLK=0;for(y=0;yy)&0 x01)MOSI=1;else MOSI=0;_

31、nop_();_nop_();_nop_();SCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();/发送结束SS=1;/上电结束delayms(50);SS=0;MOSI=0;/发送地址SCLK=0;for(y=0;yy)&0 x01)MOSI=1;else MOSI=0;_nop_();_nop_();_nop_();SCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();/发送地址结束MOSI=0;/放音SCLK=0;for(y=0;yy)&0 x01)MOSI=1;else MOSI=0;_nop_();_nop_();_nop_();SCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();SS=1;SS=0;MOSI=0;/放音SCLK=0;for(y=0;yy)&0 x01)MOSI=1;else MOSI=0;_nop_();_nop_();_nop_();SCLK=1;_nop_();_nop_();_nop_();SS=1; /lu音部分子程序，地址由ADDR决定/void rec(addr) uint y;SS=0;MOSI=0;/发送开始SCLK=0;fo