家庭语音防盗系统的设计

1家庭语音防盗系统的设计【摘要】：目前，市场上的语音录放系统，多采用的是顺序录音，不具备循环录音功能，而且存在着难以实现自动播音、无法实现直接对地址的操作、不能有效利用存储器资源等问题。本次设计将AT89S51单片机系统和语音芯片ISD4004联系起来，形成一个基于ISD4004语音芯片的智能化的语音录放系统，通过ISD4004语音芯片和AT89S51单片机芯片的有机接合实现了语音录放系统控制的智能化，成为一个既能够循环录放、又能智能化管理的语音录放电路，具有较高的实际应用价值。作为家庭防盗的语音录放系统，它能够录下一些主人的话，当红外检测装置检测到有未知的进入者时，会适时地发出语音警告，起到一定的保护作用，而且成本很低，反应灵活，适合大部分家庭的应用。1设计思路1．1课题的选取最初的设计灵感来自于以前做过的一个语音播放作品，当时用很简单的电路和很少的元件实现了一个市场上一般音响的功能，用在自己的电脑来放音乐。通过查阅一些相关的资料，再加上一些功能来作为此次的设计作品。这样，操作起来比较简单，而且这个作品很实用，设计出来的系统可以应用到家庭防盗系统、公交报站系统、旅游景点导游系统中，应用范围很广泛。考虑到家庭财产的安全，设计出的语音系统再连接一个红外检测装置，就可以用在防盗系统中，起到一定的保护作用。而且相比于市场上昂贵的防盗产品，这样简单实用的设计更适用于一般的家庭。1．2设计思路采用AT89S51和ISD4004语音芯片再配合麦克风、LM386功放组成一个简单的语音录放系统，实现以下功能：录制并播放语音，包括音乐、歌曲、说话的声音以及自然界的声音等；设置四个按键和一个拨动开关，按键实现语音的播放、停止、快进和感应控制，拨动开关实现录音和放音的切换；配置一个复位按键，消除以前的录音；配置两个LED发光二极管和两个一位七段数码管，一个LED发光二极管显示是否正常工作，另一个用来指示对语言芯片的操作，数码管显示当前录放的段数。上面的录放系统再外接一个热释电传感RE200B及传感信号处理器BISS0001就可以完成一个简单的家庭语音防盗系统，当有人接近门窗时，热释电传感器检测到人的存在，就会向控制系统AT89S51发出信号，然后会通过放音电路放出以前存储在ISD4004语音芯片中的语音，起到语音警告的作用，吓走不法分子。2工作原理2录放系统主要由ISD4004、AT89S51、LM386和热释电传感器RE200B组成，AT89S51负责控制，ISD4004芯片负责录音，LM386用作功放，热释电传感器RE200B负责检测是否有人接近门窗。现在将主要芯片的资料介绍如下：2．1ISD4004芯片ISD4004是美国ISD公司制造的一种新款语音芯片。与ISD其它系列语音产品不同的是，ISD4004是一种微控制器“从”设备，而“主”控制器可以是内置有SPI兼容接口的微控制器，也可以用I/O仿真SPI通信协议。ISD4004系列工作电压为3V，单片录放时间为8～16分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。2．1．1特点：（１）单片8至16分钟语音录放；（２）内置微控制器串行通信接口；（３）3V单电源工作；（４）多段信息处理；（５）工作电流25-30mA，维持电流1μA；（６）不耗电信息保存100年(典型值)；（７）高质量、自然的语音还原技术；（８）10万次录音周期(典型值)；（９）自动静噪功能；（１０）片内免调整时钟，可选用外部时钟；2．1．2内部框图：图2-1ISD4004系列语音芯片内部框图芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮阵列。(内部结构如图２-１所示)。芯片设计是基于所有操作3必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，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。采样频率可为4.0、5.3、6.4、8.0kHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年(典型值)，反复录音10万次。2．1．2引脚功能描述ISD4004的引脚排列如图２-２所示，各引脚功能如下：（１）电源(18-VCCA、27-VCCD):此引脚提供芯片工作所需的电压。为了使噪声最小，芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且分别引到外封装的不同管脚上，模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近器件。（２）地线(11/12/23-VSSA、4-VSSD):此引脚接芯片工作的地线。芯片内部的模拟和数字电路使用不同的地线。（３）同相模拟输入(17-ANAIN+):这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时，信号由耦合电容输入，最大幅度为峰峰值32mV，耦合电容和本端的3KΩ电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值16mV。（４）反相模拟输入(16-ANAIN-):差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入，最大幅度为峰峰值16mV，本端的标称输入阻抗为56K。单端驱动时，本端通过电容接地。两种方式下，ANAIN+和ANAIN-端的耦合电容值应相同。（５）音频输出(13-AUDOUT):此端提供音频输出，可驱动5KΩ的负载。（６）片选(1-SS):此端为低，即向该ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。（７）串行输入(2-MOSI):此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供ISD输入。（８）串行输出(3-MISO):此端为ISD的串行输出端。ISD未选中时，本端呈高阻态。4图2-2ISD4004-08MP系列引脚（９）串行时钟(28-SCLK):此端为ISD的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD，在下降沿移出ISD。（１０）中断(25-INT):本端为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或OVF时，本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。OVF标志----指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM标志----只在放音中检测到内部的EOM标志时，此状态位才置1。（１１）行地址时钟(24-RAC):此端为漏极开路输出端。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的存贮器共2400行)。8kHz采样频率的器件，RAC周期为200ms，其中信号175ms保持高电平，低电平为25ms(如图２-３所示)。快进模式下，RAC的218。75μs是高电平，31。25μs为低电平。该端可用于存储管理技术。175ms25ms图2-3ISD4004-08MP录放时序（１２）外部时钟(26-XCLK):本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在-6/+4%内，此时建议使用稳压电源。若要求更高精度，可从本端输入外部时钟(如附录所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定，故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要，因内部首先进行了分频。在不外接时钟时，此端必须接地。（１３）自动静噪(14-AMCAP):当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时，自动静噪功能使信号衰弱，这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF的电容，构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪功能的翻转点。大信号时，自动静噪电路不衰减，静音时衰减6dB。1mF的电5容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。2．1．3工作原理与功能特性（1）SPI协议(串行外端接口)ISD4004工作于SPI串行接口。SPI协议是一个同步串行数据传输协议，协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作，因此对ISD4004而言，在时钟上升沿锁存MOSI引脚的数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。协议的具体内容为：①所有串行数据传输开始于SS下降沿。②SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间则保持为高电平。③数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。④SS变低，输入指令和地址后，ISD才能开始录放操作。⑤指令格式是(8位控制码)加(16位地址码)。⑥ISD的任何操作(含快进)如果遇到EOM或OVF，则产生一个中断，该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。⑦使用读指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时，控制及地址数据也应同步从MOSI端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然，也允许在一个SPI周期里，同时执行读状态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。⑧所有操作在运行位(RUN)置1时开始，置0时结束。⑨所有指令都在SS端上升沿开始执行。（2）SPI接口指令以下列举了几种对ISP器件进行操作时的指令次序：①信息快进用户不必知道信息的确切地址，就能快进跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍，遇到EOM后停止，然后内部地址计数器加1，指向下条信息的开始处。②上电顺序器件延时TPUD(8kHz采样时，约为25ms)后才能开始操作。因此，用户发完上电指令后，必须等待TPUD，才能发出一条操作指令。例如，从00从处发音，应遵循如下时序:1发POWERUP命令；2等待TPUD(上电延时)；3发地址值为00的SETPLAY命令；4发PLAY命令；器件会从此00地址开始放音，当出现EOM时，立即中断，停止放音。如果从00处录音，则按以下时序:a。发POWERUP命令；b。等待TPUD(上电延时)；c。发POWERUP命令；d。等待2倍TPUD；e。发地址值为00的SETREC命令；f。发REC命令；器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF(存贮器末尾)时，录音停止。6表２-１SPI接口指令表注：快进只能在放音操作开始时选择。（3）SPI端口的控制位SPI控制位图如图所示MessageCuelng(MC)IgnoreAddressBit(AB)PowerUp(PU)Play/Record(P/R)RUN图２-４SPI端口控制位图（4）SPI控制寄存器SPI控制寄存器控制器件的每个功能，如录放、录音、信息检索(快进)、上电/掉电、开始和停止操作、忽略地址指针等。详见表下POWERUP00100XXXXXXXXXXXXXXXXXXX上电:等待TPUD后器件可以工作SETPLAY11100XXXA15-A0从指定地址开始放音(必须后跟PLAY指令，使放音继续)PLAY11110XXXXXXXXXXXXXXXXXXX从当前地址开始放音(直至EOM或OVF)SETREC10100XXXA15-A0从指定地址开始录音。必须后跟REC指录音继续REC110110XXXXXXXXXXXXXXXXXX从当前地址开始录音(直至OVF或停止)SETMC11101XXXA15-A0从指定地址开始快进。必须后跟MC指令快进继续MC11111XXXXXXXXXXXXXXXXXXX执行快进，直到EOM。若再无信息，则进入OVF状态STOP0X110XXXXXXXXXXXXXXXXXXX停止当前操作STOPPWRDN0X01XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX停止当前操作并掉电RINT0X110XXXXXXXXXXXXXXXXXXX读状态:OVF和EOMEOM0VFP0-------P15000000C4C3C2C1C0XXXA15-----A0MISOSelectLogicMOSI7表２-２SPI控制寄