基于AT89S52 和K9F6408U0A 的語(yǔ)音數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 在研究傳統(tǒng)語(yǔ)音錄放電路的基礎(chǔ)上，提出了一種基于AT89S52 的音頻信號(hào)采集、存儲(chǔ)與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52 為控制器， 采用鍵盤(pán)和LCD 作為人機(jī)界面，ADC0809 采集音頻信號(hào)， 擴(kuò)展8 MB 閃速存儲(chǔ)器K9F6408U0A作為數(shù)字化音頻信號(hào)的存儲(chǔ)器，通過(guò)軟件濾波濾除噪音；采用PWM 產(chǎn)生聲音的原理，使存儲(chǔ)在Flash 中的音頻數(shù)據(jù)控制PWM 每個(gè)波形的占空比，通過(guò)低通濾波器將聲音從PWM 的脈沖中分離，并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。實(shí)驗(yàn)表明：8 kHz 采樣頻率和8 位采樣位數(shù)可獲得清晰的語(yǔ)音以及較好的音樂(lè)聲，語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)15 min。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)涉及領(lǐng)域廣,采集信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍寬,處理數(shù)據(jù)量大,對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能要求高。以數(shù)字信號(hào)的形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了對(duì)信號(hào)快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。本設(shè)計(jì)利用了數(shù)字電路的這些優(yōu)點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的模擬錄音電路進(jìn)行了改進(jìn)，以較低的成本使性能得到了提高。

1 方案論證

本設(shè)計(jì)以數(shù)字化信號(hào)的形式對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，有以下3 種方案可供選擇：

1）直接利用語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音錄放。Winbond 公司的ISD系列語(yǔ)音芯片采用了Chip-Corded 專(zhuān)利技術(shù)， 聲音無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換和壓縮就可直接存儲(chǔ),不存在A/D 轉(zhuǎn)換誤差，在一個(gè)記錄位（BIT）可存儲(chǔ)多達(dá)250 級(jí)聲音信號(hào),相當(dāng)于通常A/D 技術(shù)記錄容量的8 倍。片內(nèi)集成了晶體振蕩器、麥克風(fēng)前置放大器、自動(dòng)增益控制、抗混疊濾波器、平滑濾波器、聲音功率放大器等，只需很少的外圍器件，就可構(gòu)成一個(gè)完整的聲音錄放系統(tǒng)。

2）利用DSP 對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理。DSP 是專(zhuān)門(mén)為快速實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，其處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般的CPU。

3）利用AT89S52 作為系統(tǒng)主控芯片，利用ADC0809 對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采集和A/D 轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字化音頻信號(hào)存儲(chǔ)到擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，利用軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，最后通過(guò)單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)來(lái)完成放音。

從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等因素考慮對(duì)上述3 種方案進(jìn)行比較：直接利用語(yǔ)音芯片可以減少很多外圍電路， 電路設(shè)計(jì)方便，但語(yǔ)音芯片使用不夠靈活。DSP 具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，使用靈活，但該芯片價(jià)格較高，不適于一般的應(yīng)用。方案3）中器件均為常用芯片，易于獲取，且價(jià)位不高。因此，方案3）為最佳設(shè)計(jì)方案。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖1 為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。音頻信號(hào)通過(guò)拾音器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以處理的電信號(hào)，前置放大電路用來(lái)對(duì)拾音器的輸出進(jìn)行放大， 與A/D 轉(zhuǎn)換電路匹配，A/D 轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的編碼。微處理器是系統(tǒng)的核心，它用來(lái)對(duì)數(shù)字化音頻信號(hào)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部分的工作，輸出PWM 波來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出電路。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

2.1 單片機(jī)

單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心， 它主要實(shí)現(xiàn)以下的功能：控制LCD 顯示語(yǔ)音信號(hào)的相關(guān)信息， 控制按鍵識(shí)別和功能選擇； 控制音頻數(shù)據(jù)的采集并存儲(chǔ)在Flash ROM， 放音時(shí)讀取Flash ROM 中數(shù)據(jù)，用軟件方法產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的存儲(chǔ)和回放。

2.2 聲音信號(hào)拾取、放大電路

聲音信號(hào)拾取電路就是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。本設(shè)計(jì)選用麥克風(fēng)，它是一種聲敏電阻，其阻值隨外界聲音信號(hào)的變化而變化，將其串聯(lián)在電路中，電阻的變化形成電壓的變化，經(jīng)過(guò)電容通交隔直，就得到了表征聲音信號(hào)特征的電信號(hào)。

然而由于聲音信號(hào)拾取電路輸出電壓的幅值很小，為20～25 mV，若將該信號(hào)直接與A/D 轉(zhuǎn)換電路相連，由于A/D轉(zhuǎn)換器最小分辨電壓也為毫伏數(shù)量級(jí)， 會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，為了保證系統(tǒng)的精度，在和A/D 轉(zhuǎn)換電路相連之前，需串聯(lián)一個(gè)放大電路， 考慮到聲音信號(hào)拾取電路的輸出信號(hào)很小，放大電路的失真度和噪聲對(duì)系統(tǒng)的精度影響最大，故將其設(shè)計(jì)為抗共模干擾強(qiáng)的并聯(lián)負(fù)反饋放大電路, 由于音頻信號(hào)的頻寬較大，故選用寬頻帶，低輸出阻抗的雙運(yùn)放NE5532。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

A/D 轉(zhuǎn)換電路由A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809 與系統(tǒng)處理器AT89S52 組成， 主要實(shí)現(xiàn)對(duì)放大后的聲音信號(hào)進(jìn)行采樣。

ADC0809 與AT89S52 的電路連接如圖2 所示。

ADC0809 與AT89S52 的連接電路

圖2 ADC0809 與AT89S52 的連接電路

從圖2 中可以看到，把ADC0809 的ALE 信號(hào)與START信號(hào)接在一起，這樣可使得在信號(hào)的前沿寫(xiě)入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換只需要一條P2.7=0 指令。在此之前，要將P2.7 清零并將最低3 位與所選的通道對(duì)應(yīng)的地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR 中。ADC0809 的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC 取反后與AT89S52 的INT1 相連，采用中斷方式讀取A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動(dòng)下一次A/D 轉(zhuǎn)換。也可定時(shí)啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換，并讀取上次轉(zhuǎn)換結(jié)果。