基于凌阳单片机的录音笔设计

基于凌阳单片机的录音笔设计内容摘要：

路 10bitAD转换器和 2路音频输出电路使得设计电路简单了很多。 SPCE061A最小系统如图。 芯片 提供两个 16位通用的并行 I/O口： IOA0IOA15， IOB0IOB15。 这两个口的每一位都可以通过编程单独定义为输入或输出口。 其中 A口的 IOA0IOA7用作输入口时具有触键唤醒功能，可以应用于低功耗的场合。 鉴于所要求功能，我将 IOA0IOA7与 18键盘连接， A0A7做输入口。 SPCE061A的并行 I/O口可以通过编程设置为上拉输入、下拉输入、悬浮输入或同相输出、反相输出的状态。 要求按键执行程序所定义功能因此设置为下拉输入。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论 文 17 图 SPCE061A最小系统 音频电路 音频电路由音频输入电路以及音频输出电路两部分组成。 音频输入电路 音频输入电路包括 MIC录音输入和 AGC电路。 人的声音频率在 300Hz3400Hz范围之内，因此 所设计的 录音笔只需要记录这样一个范围的声音 信号 即可。 SPCE061A内置的 AGC电路，它的作用是当输入信号较强时使放大器增益自动降低 ； 当信号较弱时，又使其增益。 因此，从 MIC输入的音频信号经过 SPCE061A内置的AGC电路将语音信号的放大值控制在一定范围内，便可进行 AD转换 ， 如图。 [8] 第 3 章 硬件设计 18 图 MIC输入驱动电路图 输入信号有两个通道：一个由 LINE_In通道输入；另一个由 MIC_In通道输入。 MIC_In一般用于麦克风通道插入， 专门用于对语音信号进行采样。 语音信号经 MIC转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入至 SPCE061A内部前置放大器。 在MIC_In前端有两级 OP放大器，因此对信号的放大有两种选择，一是在关闭 SPCE061A内部自动增益控制电路 AGC时， MIC_In前端的 OP放大器使信号放大。 二是启用 AGC自动调整增益的值，以防止信号饱和。 AGC能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平，当输入信号 增大时， AGC电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，以便使进入 A/D的信号保持在最佳电平，又可使削波减至最小。 当 OPAMP2的输出＞ ， AGC自动降低 OPAMP1的增益，以防止被放大的信号饱和。 因此为了能更好的控制系统所获取的信号选择启用 AGC。 [9] A/D 转换接口 模 /数转换器 ADC是外界与计算机进行信息传递的通道。 它是一种信号转换接口，可以把模拟量信号转换成数字量信号以便输入给计算机对其进行各种处理。 芯片采用逐次逼近式原理实现 A/D转换。 ADC的结构及工作原理是：由 10位数 /模转换器 DAC0、10位缓存器 DAR0、逐次逼近寄存器 SAR以及比较器 COMP组成逐次逼近式的 ADC，如图。 图中的 ADC有两种工作方式：手动方式和自动方式。 [10] 在 ADC 自动方式被启用后 ,会产生出一个启动信号 ,此时 ,DAC0 的电压模拟量输出值与外部的电压模拟量输入值进行比较 ,.逐次逼近式控制首先将 SAR 中数据的最高有效位试设为 39。 139。 ,而其它位则全设为 39。 039。 ,即 10 0000 ,DAC0 输出电压 VDAC0(1/2满量程 )就会与输入电 压 VIN 进行比较 .如果 VINVDAC0,则保持原先设置为 39。 139。 的位 (最东北电力大学自动化工程学院学士学位论 文 19 高有效位 )仍为 39。 139。 否则 ,该位会被清 39。 039。 .接着 ,逐次逼近式控制又将下一位试设为 39。 139。 ,其余低位依旧设为 39。 039。 ,即 110000 0000B,VDAC0 与 Vin 进行比较的结果若 VinVDAC0,则仍保持原先设置位的值 ,否则便清 39。 039。 该位 .这个逐次逼近的过程一直会延续到 10 位中的所有位都被测试之后 , A/D 转换的结果保存在 SAR 内 . 图 逐次逼近式的 ADC结构 ADC在手动方式下取消了自动方式的逐次逼近寄存器 SAR的功能，取而 代之的是内部比较器 COMP和缓存器 DAR0，以模拟 SAR的作用。 换言之，手动方式是指须用软件程序来控制模拟信号的输入采样或保持，通过写入 A/D数据单元来控制比较器基准电压值 VDAC0，以及通过读比较器的比较结果来推测模拟输入电压值 VIN。 当外部 2V的电压模拟信号输入到 ADC的输入端上，可试着写入 A/D数据单元一个数字量值1000000000B，它实际对应于。 由于 2V V，故 COMP第一次比较输出的结果为 „1 ‟，则 ADC的转换结果暂为 1000000000B。 接着写入 A/D数据单元下 一个数字量值。 [11]在对系统硬件设计中，我根据设计要求将 ADC设计为手动方式。 D/A 转换模块 单片机内部 D/A转换电路的使用与其它内部接口的使用相同，都是可编程控制的接口，通过程序设置其工作方式、工作状态等。 SPCE061A单片机内部有 DAC1和 DAC2两路 10位的 DAC转换器，可以形成双通道的音频输出，也可以作为其它的模拟输出信号。 转换输出是以模拟电流信号的方式分别通过 AUD1和 AUD2管脚输出。 DAC与SPCE061A连接图如图。 第 3 章 硬件设计 20 D A C 1 _ P I N 2 1 D A C 2 _ P I N 2 2 S P C E 0 6 1 A D A C S P Y 0 0 3 0 图 DAC与 SPCE061A连接图 音频输出电路 音频输出电路采用凌阳功放芯片 SPY0030， SPY0030 音频输出大于 700mw， 而供电电压仅需。 电路中 SPY0030 的放大倍数被固定为 20 倍 ， 音量的大小可以通过电位器调整。 喇叭直流阻抗 8 欧，左右两个通道音量分立调节并备有两个外部音频信号放大输入端。 [12]录入后的语音信号经 MIC 转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入至 SPCE061A 内部前置放大器 ，经过 2 路 10 位精度的 DA 转换后 ， 通过功放SPY0030A 即可完成 语音的播放。 音频输出扬声器驱动电路图，如图。 图 音频输出扬声器驱动电路 SPCE061A的音频输出有两种方式，一种是音调输出方式（ Tone Mode），另一种则为语音输出方式（ Speech Mode）。 二者的区别在于其输出的控制机理不同。 前者是通过控制 Timer溢出所产生的不同频率来决定声波振动次数的多寡，从而决定发出的声音音调的高低，譬如好听的乐音；后者则是用与声音（不论是音乐还是语音）数据采样率相同的速率将声音数据通过数 /模转换（ D/A）通道还原成音频电压或电流输出，其中声音数据采样率 可决定声音音质的好坏，并决定了声音数据所需占据的存储空间。 在本系统设计中我采用语音输出方式 ,数据采样率采用相同的 8KHz。 东北电力大学自动化工程学院学士学位论 文 21 SPR4096 存储电路 SPR4096为自带 SIO接口的 FLASH/SRAM存储芯片， SIO是一种串行输入输出接口 ,它可以与其它设备进行数据通讯，在 SPCE061A内通过 IOB0和 IOB1端口复用实现与设备进行串行数据交换， SPR4096与 SPCE061的硬件连接如图 ， SPR4096的 SCK接SPCE061A的 IOB0， SDA接 SPCE061A的 IOB1。 SPR4096与 SPCE061A之间的通讯采用SIO协议来实现的。 使整个系统扩展了 4M BitFLASH/32K BitSRAM，这同语音录放相配合会产生很好的效果。 图 SPR4096和 SPCE061A的连接图 在所设计的系统中 SPR4096串行接口运行时的工作频率可达 5MHz。 SPR4096有两个电源输入端 VDDI和 VDDQ。 VDDI是给内部 FLASH和控制逻辑供电的； VDDQ是专门为 I/O供电的。 供电电压为 VDDQ： ,VDDI：。 SPR4096电路与 SPCE061 的 IO 接 口 为 ： IOB0_SCK ， IOB1_SDA ， IOB2_CS_FLASH ， 其 中IOB2_CS_FLASH口用于控制 SPR4096内 FLASH与 SRAM的选择 ， 当 IOB2_CS_FLASH为低电平的时候选择 FLASH，当为高电平的时候用于选择 SRAM。 如图 FLASH部分电路原理图 ， SDA为数据传输位 、 SCK为同步时钟输入位。 第 3 章 硬件设计 22 R E S T _ N _ 4 0 9 6V D D 1V D D QV S SN C V S SC F 3 N CC F 4 S C KV S S Q C F 7 S D AV S SI O B _ S D AI O B _ S D AI O B 0 _ S C KV S SJ D H 1 图 FLASH部分电路原理图 串行设备输入输出口 (SIO) SIO的电路连接原理图如 ： V S S S C KV S S Q S D AV D DC F 0 S P C E 0 6 1 AC F 1C F 2C F 7V D D 11 23 45 6SI O B 0I O B 1I O B 2S C KS D AS C KS D A 图 SIO电路原理图 串行输出入端口 SIO提供了一个 1位的串行接口，用于与其它设备进行数据通讯。 在 SPCE061A内通过 IOB0和 IOB1这 2个口来实现与设备进行串行交换数据的功能。 其中， IOB0用来作为时钟口 (SCK),IOB1则用来作为数据端口 (SDA)，用于串行数据的接东北电力大学自动化工程学院学士学位论 文 23 收或发送。 SIO传输速率最快可设为 CPUCLK/4，默认值为 CPUCLK/16。 SPCE061A的SIO速率最快可达 12288KHz。 SIO可根据外设的差别来选择不 同的寻址模式，有 8/16/24位三种寻址模式可选择。 [13] 按键 控制 电路 18键盘的 8列分别定义为 COL COL COL COL COL COL COLCOL8，行定义为 ROW。 在系统设计中将 IOA0IOA7分 别与 COL1COL8连接 ， IOA8与ROW连 接。 用户可自行选择 ROW接至 DGND或 VDDIO。 设置相应的控制口为下拉输入，如果某个按键按下，表示该按键对应的输出端变为高，便可检测出是哪个按键被按下。 设计所设置的按键功能如表。 表 按键功能 1键 2键 3键 4键 5键 录音 停止录音 停止放音 播放第一段语音 播放下一段录音 删除所有录音 液晶显示电路 我在设计中所选用的 LCD液晶模组 是 12864的点阵 LCD， SPLC501是凌阳的 LCD驱动芯片，采用最新的 COG技术使驱动和液晶合二为一，这使得外围电路非常简单，编程同样也很简单。 在系统设计要求的基础上我加入 LCD模组完成所要求的显示实验 ,使 得 在系统运行按键时 LCD会有相应的显示 ,可以读出相关的信息。 LCD与 SPCE061A的连接图，如图。 在 LCD旁边会有一个 HEADER162芯片 ，如果将其与 LCD短接，则为默认 I/O接法，我们还可以用排线自选 I/O进行连接，芯片的各个排针的具体含义请参见表。 LCD与 IO口的连接方式是： DB0DB7接到 IOA8IOA15； CS具体连接方式视实际情况而定。 若端口复用 ， 则 CS可 连 接至 IOB9， 若 无需端口复用 ， CS可简化连接至 DGND； RESET接到系统的 RESET， A0接到 IOB4， R/W接到 IOB5， EP接到IOB6， 这是默认连接方式 ， 也可以通过排线根据需要进行连接。 在设计中 我 用 A0A7连接了 18键盘，因此需用端 口 复用 CS连接至 B9。 第 3 章 硬件设计 24 表 HEADER162 芯片针脚 含义 B 4B 6 S P C E 0 6 1 AB 5 B 9 A 8 A 1 5C S D 0 D 7A 0 L C D C 8 6E P S P G 1 2 0 6 3 Y S 2R / WG N DV 3G N DS W I T C HS W I T C H 图 LCD与 SPCE061A的连接图 硬件连接 硬件连接图如图 ， 分。