基于51单片机的数字语音存储与回放系统设计

基于51单片机的数字语音存储与回放系统设计内容摘要：

编程 I/O 口线 （ 8） 2 个 16 位定时 /计数器 （ 9） 5 个中断源 （ 10）可编程串行 UART 通道 （ 11）低功耗空闲和掉电模式 （ 12）片内振荡器和时钟电路 AT89C51 芯片引脚排列详见附录 1，下面就本设计的相关的引脚作功能介绍。 P0 口是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低 8 位）和数据总线复用。 外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I/O口用。 P0 口每一个引脚可以推动 8 个 LSTTL 负载。 P1 口是具有内部提升电路的双向 I/O 端口（准双向并行 I/O 口），其输出可以推动 4 个 LSTTL 负载且仅可以作为用户的输入输出端口。 P2 口也是具有内部提升电路的双向 I/O 端口（准双向并行 I/O 口），如果程序访问的是外部 ROM 时，它是作高 8 位地址。 当仅使用内部 ROM 时，则作一般双向 I/O 口。 每一个引脚输出可以推动 4 个 LSTTL 负载 [7]。 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P3 口除了作为一般的 I/O口线外，更重要的用途是它的复用功能，如表 22 所示。 [键入文字 ] 8 RST：复位输入。 VCC： AT89C51 的正极，输入 +5V 电压。 GND：电源接地端。 XTAL1：接外部晶振的一个引脚。 在单 片机内部，它是一反相放大器输入端， 这个放大器构成了片内振荡器。 当它采用外部振荡器时，一些引脚应接地。 表 22 P3 口复用功能表 端口引脚 复用功能 RXD（串行通信输入） TXD（串行通信输出） INT0（外部中断 0 输入，低电平有效） INT1（外部中断 1 输入，低电平有效） T0（计数器 0,外部事件计数输入端） T1（计数器 1,外部事件计数输入端） WR（外部随机存储器的写选通，低电平有效） RD（外部随机存 储器的读选通，低电平有效） XTAL2：接外部晶振的一个引脚。 在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。 当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。 EA/VPP：当该引脚为低电平时，单片机读取的是外部的程序存储器中的程序来执行。 因此对于 8031 来说， EA 脚必须接低电平，因为它无片内程序存储器。 而对于 AT89C51 或其它内部有程序存储器的单片机来说，当初引脚接高电平时，单片机首先会在片内程序存储器中取指令，当 PC 的内容超过 FFFH 时系统会自动转向片外程序存储器中取指令。 ISD2560 语音芯片 用 ISD 系列语音芯片进行录音可具有音质自然、单片存储、反复录放、低功耗等优点。 一块 ISD 芯片上集成有麦克风前置放大器（ AMP）、自动增益控制电路（ AGC）、抗混淆和平滑滤波器、模拟存储阵列、扬声器驱动器、控制接口和内部精确的参考时钟，加上外部元件（液晶、麦克风、扬声器、开关和少数电阻、电容），再加上电源即可组成最简单语音系统。 ISD2560 语音芯片是美国 ISD 公司较为成熟的语音录放产品。 它是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间达 60s，可重复录放 10 余万次。 芯片采用多电平[键入文字 ] 9 模拟量 直接存储专利技术， 无需 外围 的 A/D、 D/A 转换 电路。 每个采样 数据 值 直接由芯片自动 存储在片内 ROM 单元中， 播放时直接将存储的数据导出，所以它能 十分 真实地再现 人声 、音乐、 语 调和声效，可避免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 集成度较高，内部有前置放大器、自动增益控制、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、逻辑控制、模拟收发器、解码器和 480K 的 EEPROM 等 [8]。 ISD2560 引脚说明 ISD2560 的引脚排列详见附录 1，各引脚的主要功能说明如下： A0/M0~A6/M A7~A9：地址线， ISD 器件可以实现 1～ 600 段录放语音功能，每段录放音都有一个起始端，该起始地址的选择由 A0~A9 确定。 当 A A9 同时为高电平时可以选择工作模式。 AUX IN：当 CE 和 RP/ 为高，放音不进行，或处于放音溢出状态时，本端的输入信号通过内部功放驱动喇叭输出端。 VSSD、 VSSA：数字地和模拟地，这两脚最好在引脚焊盘上相连。 SP+、 SP：扬声器输出。 VCCA、 VCCD：模拟电源、数字电 源，尽可能在靠近供电端处相连。 MIC：本端连至片内前置放大器，外接话筒应通过串联电容耦合到本端，耦合电容值和本端的 10KΩ 输入电阻。 MIC REF：本端是前置放大器的反向输入。 当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。 AGC： AGC 动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量时失真都能保持最小。 响应时间取决于本端的 5KΩ 输入阻抗外接的对地电容的时间常数。 释放时间取决于本端外接的并联对地电容和电阻的时间常数。 470KΩ 和 的标称值在绝大多数场合下可获得满意的效果。 ANA IN：芯片录音信号输出端，它通过外接电容与话筒的 ANA OUT 端相连接。 ANA OUT：前置放大器的输出，前置电压增益取决于 AGC 端电平。 OVF ：芯片处于存储空间末尾时本端输出低电平脉冲表示溢出，之后状态随[键入文字 ] 10 CE 端变化，直至 PD 端变为高电平。 CE ：当低电平有效时（而且 PD 为低），允许语音芯片进行录放操作。 芯片在本端的下降沿锁存地址线和 RP/ 端的状态。 PD：当该端为高电平时，芯片停止工作，且不耗电，芯片发生溢出，即 OVF端输出低电平后，本端口短暂变高电平。 只有复位芯片，才能使之再次工作。 EOM ： EOM 是在录音时由芯片自动插入到语音信息的结尾作为结束的标志。 当放音时，一遇到 EOM，本端口即刻输出低电平脉冲。 芯片内部会检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于 时，本端变低，芯片只能放音。 XCLK：外部时钟输入端。 本端内部有下拉元件，不用时应接地。 RP/ ：本端口状态在 CE 的下降沿锁存。 为高电平时选择放音，为低电平时选择录音。 录音时，由地址端提供起始地址，录音持续到 CE 或 PD 变高，或内存空间溢出；如果是前一种情况，芯片自动在录音结束处写入 EOM 标志，说明录音结束。 放音时由地址端提供起始地址，放音直至遇到 EOM 停止标志。 如果 CE一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音会忽略 EOM，继续进行 下去。 由于 ISD2560 内置了若干种操作模式，因而可用最少的外围器件实现最多的功能。 操作模式也由地址端控制，当最高两位（ A A9）都为 1 时，其它地址端置高可选择某个（或某几个）特定模式。 因此操作模式和直接寻址相互排斥。 具体操作模式如表 23 所示。 操作模式可由微控制器也可由硬件实现。 表 23 模式控制说明表 模式控制 功能 典型应用 A0/M0 信息检索 快速检索信息 A1/M1 删除 EOM标志 在全部语音录放结束时，给出 EOM标志 A2/M2 未用 当工作模式 操作时，此端应接低电平 A3/M3 循环放音 从 0地址开始连续重复放音 A4/M4 连续寻址 可录放连续的多段信息 A5/M5 CE电平触发 允许信号中止 A6/M6 按钮控制 简化器件接口 [键入文字 ] 11 使用操作模式时需要注意两点： (1) 任何操作模式都是从 0 地址开始，随着不同操作模式，继而对应相应的地址。 当系统录音转为放音或进入省电状态时，地址计数器复位为 0。 当 CE 变低且最高两地址位同为高时，执行操作模式。 这种操作模式将一直有效，直到 CE 再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址 /模式端电平并执行相应的操作为止。 (2) 操作模式位不加锁定，可以在 MSB（ A A9）地址位为高电平时， CE电平变低的任何时间执行操作模式操作。 如果下一片选周期 MSB（ A A9）地址位中有一个 (或两个 )变为低电平，则执行信息地址，即从该地址录音或放音，原来设定的操作模式状态将丢失。 ISD2560 的分段录放音功能 2500 系列最多可分为 600 段，只要在分段录 /放音操作前 (不少于 300 纳秒 )，给地址 A0~A9 赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（ EOM）；而放音时芯片遇到 EOM 标志即自动停止放音。 2500 系列地址空间是这样分配的：地址 0~599 作为分段用 (见表 24)，地址600~767 未使用，地址 768~1023 为工作模式选择。 表 24 2500 系列地址空间表 十进制 二进制 信息时间 (秒 ) A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 2560 2575 2590 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 100 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 250 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 300 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 400 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 500 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 599 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 ISD2560 的应用 电路 ISD2560 芯片内部 EEPROM存储单元被均匀分为 600 行，共 600 个地址单元。 [键入文字 ] 12 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，共计 60s。 ISD2560 控制电平与 TTL 电平兼容，接口简单，使用方便。 图 23 是 ISD2560 语音录放的基本电路原理图 [9]。 图 23 ISD2560 基本电路原理图 录音时按下录音键 S S3 接地，使节电控制键 PD 端、录放模式键 RP/ 端为低电平。 此时启动录音；结束时松开按键，单片机又让录放模式键 RP/ 端回到高电平，即完成一段语音的录制。 同样的，按下录放模式键 RP/ 接高电平，使节电控制键 PD 端为低电平启动放音功能；结束时，松开按键，即完成一段语音的播放。 LM386 集成功率放大器芯片 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类电子产品的放大。 它起始内部电压增益为 20，因此可以节省大量外部电路元件。 但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。 LM386 芯片 的电子特性如表 25 所示。 输入端以地位参考，同时输出端被自[键入文字 ] 13 动偏置到电源电压的一半，在 6V 电源电压下，它的静态功耗仅为 24mW，使得LM386 特别适用于电池供电的场合。 输入电压范围可由 4V~12V，无动作时仅消耗 4mA 电流，且失真低。 表 25 LM386 电子特性表 项目 测试环境 规格 工作电压 Vs（ V） 4~5 输入电压 Vin（ V） ~+ 输入阻抗 Ri（ kΩ） 50 静电流 Iq（ mA） Vs=6V,Vin=0V 4~8 输出功率 Pout（ mW） Vs=6V， Rl=8Ω， THD=10% 250~325 电压增益 (dB) Pin 8开路 26 Pin 8以 10μF连接 46 频宽（ kHz） Pin 8开路 300 Pin 8以 10μF连接 60 LM386 的引脚排列详见附录 1。 引脚 2 为反相输入端， 3 为同相输入端，引脚 5 为输出端，引脚 6 和 4 分别为电源和地，引脚 1 和 8 为电压增益设定端。 使用时在引脚 7 和地之间接旁路电容，通常取 10μF。 LM386 的电源电压为 4~12V；静态消耗电流为 4mA；电压增益为 20200dB；在 8 脚开路时，带宽为 300KHZ；输入阻 抗为 50K；音频功率为。 尽管 LM386 的应用非常容易，但是在器件上电、断电瞬间，甚至平稳工作后的插拔音频插头、旋音量调节钮等操作都会带来的瞬态冲击，使喇叭产生非常讨厌的噪声，所以使用时需要做好相应除噪措施。 各引脚外围电路的接法介绍如下： (1) 通过在 1 脚、 8 脚间接入电容和电阻（ 1 脚接电容 “+”极）来改变增益，断开时增益为 20dB。 (2) 选好调节音量的电位器。 阻值不要太大， 10K 最合适，太大也会影响音质。 (3) 尽可能采用双音频输入 /输出。 好处是：。