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中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书第1页共35页1引言随着人类社会的不断进步，随着语音芯片的普及，语音报播被广泛应用于车站报站器，语音型数字万用表，出租车语音报站器，排队机等，并且面向家庭个人使用的方向发展，更加人性化。随着电子技术的广泛应用，其自动化程度越来越高，使用范围越来越广，前景十分喜人。自动语音提示技术是计算机语音处理技术的一种应用，属于语音再生合成技术范畴。录放系统具有电路简明、应用方便、单片录放、不怕掉电、音色纯正、性价比高等特性，与此相关的语音系统已广泛地用于通信、工控、医疗、报警示讯等领域。同时，随着大规模语音处理集成电路的发展，在传统的控制领域，语音提示的应用也越来越广泛[1]。1.1本课题的意义语音是人类最自然、方便、快捷的交流方式,让人和机器能够通过自然语音进行交流是人们长期以来的梦想。随着单片机的技术的日益发展，人们已经不再满足于键盘输入，屏显输出这样传统的输入/输出方式，希望拥有更友好的人机界面，更便捷的操作方式。具有语音功能的单片机系统于是应运而生，而且得到了广泛的应用。近年来计算机在各行业的日益普及应用，给各行业带来了崭新的面貌。与此同时用户逐步对各种计算机应用系统提出了更高的要求，他们希望自己的系统有更高的自动化程度和更方便的人机界面。语音技术的进展给这种应用需要提供了一种有力的技术支持，逐渐被广大用户所接受，并广泛用于各种需要语音响应的场合。智能仪器、仪表、监控设备、工业控制系统等都有这种需求。所以研究语音播报器对生产，生活都有极其重要的意义[2]。1.2本课题的技术现状在声学领域，单片机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得单片机语音系统的实现成为可能。所谓语音芯片就是在人工或者控制器的控制下可以录音和放音的芯片。语音信号为模拟量，语音芯片存储播放声音的基本工作方式：声音——模拟量——A/D——存储——D/A模拟量——播放。采用这种方式的语音芯片的外围电路比较复杂，声音质量也有一定的失真，而另一类语音芯片采用EEPROM存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，不需要另加A/D和D/A转换电路，使用方便，且语音音质自然[3]。中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书第2页共35页1.3本课题的技术发展语音芯片的发展是极其迅速的，语音IC有很多种类，随着技术的发展，新产品不断涌现，原来可望而不可及的昂贵品种也能进入廉价的市场领域，原来设计控制都极为复杂的品种也随着集成技术的发展变得非常简单，因此，语音IC领域充满了生机和活力。一、随录随放型语声IC这类IC具有完整的录音机功能，和录音磁带机一样，它可以自由地通过话筒或模拟音频线路来进行录音，把语声存储到IC内部，在用户需要的时候，就可以还原存储的语声通过驱动喇叭放音。这其中又分几种类型：1、怕断电且语声的存储、保存需要比较大的电流的语声IC。像外语复读机里的语声复读芯片。这种电路以DRAM动态存储器IC为介质,它需要不断内部刷新，要保存其中的语声还需要比较大的电流消耗，通常需要几个到几十个毫安，一断电内部存储的语声就全部丢失了。特点是DRAM的价格便宜，如果使用有个别坏损单元的ADRAM就更便宜。这种ADRAM在电脑等需要精密计算的产品中是不能使用的，但在语声存储中只是多了一点点噪音对使用没有太大影响，因而在复读机中广泛使用。2、怕断电且语声保存需要很小的电流的语声IC。像一些录音贺卡，这种语声IC以SRAM静态存储器IC为介质，断电时保存的数码语声即丢失，但维持保存的工作电流很小，通常只有几微安，在录音贺卡等录音礼品中常将几粒扣式电池嵌入到产品中,这样可以保存录音几个月甚至一年多。特点是只用很小的电力就可以较长期保存语声。由于SRAM的需求量很小，其价格比DRAM要高得多，现在甚至比下面要提到的FLASHRAM还要高了，这类产品目前只存在于20秒录音以下的品种中，多数就是做录音贺卡用，已经没有多少发展前景了。3、不怕断电的语声IC，像一些数码录音笔，它以FLASHRAM闪烁存储器IC为介质，完全断电后语声还能保存十年以上。这种存储器是目前最被看好的方向，它可以反复使用、不需电流也能长期保存内部数据，由它制成的语声IC是一场技术革命。特点是目前价格较高，但在快速滑落中。美国ISD公司专门研制这类产品，并持有多项技术专利，生产从6秒至16分钟的一系列单片式语声芯片产品。由于该公司的严谨作风和产品定位，ISD系列芯片中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书第3页共35页的功能强大、性能质量优越，几乎是目前能使用在工业、车用产品中的极少选择之一[4]。1.4本设计的主要任务要求根据设计要求，提出基于单片机的语音拨播器的硬件电路设计方案，并应用Protel软件完成硬件电路原理图设计。通过对单片机的编程开发可实现语音的录放等基本功能。具体包括如下几个部分：·学习单片机的工作原理，并应用Protel软件设计出单片机的最小系统和语音系统的控制电路，使其能可靠工作。·学习有关语音方面的相关知识，拟采用集成语音芯片来实现语音的录放的功能。要求掌握该芯片的工作原理，完成其外围电路和与单片机的接口电路，包括话筒和扬声器的电路设计。·学习C程序设计语言，对单片机进行编程开发。并完成仿真和调试，实现语音拨播器的基本功能。中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书第4页共35页2总体方案设计2.1总体设计方案为了实现语音播报所需的功能，即按下开始键，启动录音，松开开始键，结束录音。结束录音后，循环播放所录音。而且为了使语音播报器的音质好,功能强,实验运行效果较好，使用起来也很简单。所以本设计采用的设计框图如图2.1所示：图2.1总体设计框图由上面的框图可知：本设计框图包括，按键，单片机，语音芯片，话筒和扬声器。其中单片机为本设计的控制核心，它控制语音芯片，实现对声音的存储和播放。语音芯片实现对语音的录入和播放。2.2微处理器的选取近年来，随着科学技术的发展，微型计算机技术日益发展，已经在许多领域得到了广泛的应用。随着集成电路工艺的发展，出现了单片机、DSP,ARM等多种单片机。DSP：它从16位~32位，内部采用哈佛结构，特别适合数据处理。其中16位DSP适合中高级工控到简单语音/图片（不含视频）处理；其中32位DSP适合复杂语音/图片/视频处理。ARM：是32位单片机，由于结构和计算速度的原因，目前适合做事务处理或者中低端应用，从中高级工控到简单语音/图片（不含视频）处理。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组单片机语音芯片扬声器话筒按键中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书第5页共35页合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[5]。51单片机虽然和DSP,ARM相比处理速度和运算速度上都比较慢，但它的体积小、质量轻、价格便宜，它的速度可以满足本次实验的要求，所以我们采用AT89C51这款单片机。AT89C51内部原理图如2.2图所示：RAM地址寄存器寄存器RAM128BRAM程序地址寄存器P0驱动器P2锁存器P2驱动器P1锁存器暂存器2B寄存器4KBROM暂存器1ACCSPP0锁存器PCPC增1缓冲器P3锁存器OSC中断、串行口及定时器PSWALUDPTRP1驱动器P3驱动器XTAL1XTAL2P0.0～P0.7P2.0～P2.7P3.0～P3.7P1.0～P1.7RSTALEVCCVSS定时控制指令译码器指令寄存器PSENEA图2.2AT89C51单片机内部原理图2.3语音芯片的选取目前市场流行的语音芯片有很多，从性价比的角度来考虑，美国ISD公司的ISD系列语音芯片可谓是一只独秀。ISD系列语音芯片具有以下优点：·采用模拟量数据存储在半导体存储器直接存储的专利技术，即将模拟量数据直接写入单个存储单元，不需要经过A/D，D/A转换。·内部集成了大容量的的EEPROM，不再需要扩展存储器。·控制简单，控制引脚与TTL电平兼容。·集成度高，使用方便。中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书第6页共35页·能较好的真时再现语音的自然效果，避免了一搬固体语音电路的因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象[6]。因此本例选用ISD公司的语音芯片ISD2560。ISD2560是ISD公司生产的语音录入和重放芯片ISD2500系列之一，ISD2500系列芯片包括ISD2560，ISD2575，ISD2590和ISD25120四种，他们的主要区别在于存储语音的时间长度，ISD2560的录音时间为60秒，ISD2575的录音时间为75秒，ISD2590的录音时间为90秒，而ISD25120的录音时间为120秒。ISD2560采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样值可直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实，自然得再现语音，音乐，音调和效果声，从而避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。ISD2560的采样频率为8kHZ，同一系列的产品采样频率越低，录音/放音时间越长，但同频带和音质会有所降低。ISD2560可重复录放10万多次，它是一种永久记忆型语音录音/放音电路，它具有音质自然，使用方便，单片存放，反复录音，功耗低，抗断电等许多优点，因此在许多领域获得了广泛的应用[7]。ISD2560省去了A/D和D/A转换器，集成度较高，内部包括前置放大器，内部时钟，定时器，采样时钟，滤波器，自动增益控制，逻辑控制，模拟收发器，解码器和480k字节的EEPROM。ISD2560内部的EEPROM存储单元均匀分为600行，有600个地址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的地址分辨率为100ms。此外，ISD2560还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线可完成不同的任务，以便实现复杂的信息处理功能，如信息的组合，连接，设定固定的信息段和信息管理等。ISD2560可不分段，也可按最小段长为单位来任意组合分段[8]。ISD2560内部原理图如图2.3所示：中北大学信息商务学院2009届毕业设计说明书第7页共35页内部时钟定时器采样时钟放大器放大器前置防混淆滤波器自动增益控制解码器模拟收发器存储器阵列平滑滤波器（AGC）电源地址缓冲器器件控制线混合扬声器驱动器XCLKANAINANAOUTMICMICREFAGCVccAVssAVssDVccDA0A1A2A3A4A5A6A7A8PDOVFP/RCEEOMAUXINSP+SP-模拟输入A912345678910111213141516171819202122232425262728480K图2.3ISD2560内部原理图由内部框图可见该系列芯片集成度很高，内部集成了高精度的时钟电路，故而无需外部配置晶振，其应用电路也得到大大简化。ISD2560可进行录、放两种操作。录入时，语音信号经过换能器MIC转变为电信号，该信号经过隔直电容去除直流分量后送入前置放大器，由于器件具有高输入阻抗，故耦合电容容量很小，可为0.17,微弱的电信号经过前置放大后由ANAOUT脚输出，经过隔直电容后送入ANAOUT脚，这种配置方式可以方便用户自行设计性能更加优良的前置放大器代替芯片内部已有的功能部件，另外ANAIN可作为线输入口，直接输入电声信号，既而信号进入自动增益AGC放大器，信号电平得到调理，使其符合存储电路的动态范围，AGC响应时间由连接在AGC脚的外接电阻、电容值确定。为使得采样信号不产生失真，采样系统必须满足奈奎斯特采样定律。ISD2560的采样频率8K，故实际应用中，为存储不失真音频信息，放大后的信号必须经过一个低通滤波器后方可送入存储单元，该滤波器为一五极点