电话留言机单片机控制系统设计.doc

摘 要 随着我国经济建设的迅猛发展 公安 铁路 民航 金融等部门对语音记录的 需求不断增长 把语音生成技术用于工业监控系统 自动应答系统 多媒体查询系统 智能化仪表 办公自动化系统或家用电气产品中 使它们具有语音输出功能 使之能 在适当的时候用语音实时报告系统的工作状态 警告信息 提示信息或相关的解释说 明等 无疑在提高人机通信能力 减少对错误处理的遗漏 提高系统性能 降低人们 的工作强度等方面都有极大的好处 而数字录音系统作为其中的一种 经常用于某些监主对话系统中 在适当的时 候用语音实时报告系统的工作状态和提示等 数字录音系统是将现场的语音模拟信号转变为离散的数字信号 然后存储在一 定的存储介质上的一种录音方式 它也是数字语音处理技术中常用的一种方式 采用 数字录音技术 有较高的效率和自动化程度 录音时间也长 并可将信息长期保存于 存储介质中 同时对语音信息进行编辑整理非常方便 可快速查找 实现数字录音系统可以采用PC机实现和嵌入式系统实现两种方式 当使用 PC机 的时候 由于它的体积庞大 耗电高 造价也高 并且在某些情况下系统的稳定性得 不到保证所以用PC机来实现前述的各项功能和操作 就受到了一定的限制 而嵌入式 系统的体积小 供电方便 造价低 稳定性也高 所以得到了广泛的应用 本论文介 绍了一种用单片机实现的嵌入式数字录音系统 该系统 为一个数字录音模块 可以将其封装在上面进行二次开发 它采用录音的原理 录音 时 单片机的CPU将语音信号转换为数字信号在存储器中 播放的时候 既可以播放 录音文件 也可以播放提前存储器中的语音文件 关键词 语音 数字 单片机 Abstract With the growth of the development of the economy the need for sound Record in the department of Gongan and Railway are increasing It is much Useful for the advance in the communication between the people and the machine and for the reducing of the mistake of the disposal in the system of industrial surveillance the system of the The digital recording system as one of a kind frequently used in some of the DAIJI prison system in the dialogue at an appropriate time to voice real time reporting system and the work of state and other tips Digital recording system is the scene of the voice analog signal into a discrete digital signal and then stored in a storage medium on a recording it is also digital voice processing technologies used in a way Use of digital recording technology efficiency and a higher degree of automation recording a long time and the information stored in long term storage medium while the voice information edited by the very convenient and fast to find Digital recording system can be used to achieve a PC and embedded systems in two ways When using a PC when because of its size power consumption high cost and in some cases system stability can not be guaranteed so using a PC to achieve the aforementioned functions and operation Subject to certain restrictions The small size of the embedded systems power supply convenience low cost high stability has been widely used This paper presents a MCU with embedded digital recording system which As a digital recording module that can be packaged in a second development above It uses the principles of sound recording sound recording the MCU CPU will voice signal into a digital signal in memory The players both can play audio files can also play early in the memory of the audio files 目 录 1 绪论 5 1 1 题目背景 5 1 2 语音留言系统的发展现状 展望 6 1 3 语音留言系统的应用 7 1 4 本文结构 7 2 硬件总体设计 2 2 1 系统描述 8 2 2 系统的元件选择 9 2 3 系统功能分析 9 2 4 各部分电路的设计 14 2 4 1 振铃电路 14 2 4 2 摘机挂机电路和 DTFM 双音多频解码集成电路 14 2 4 3 电话筒检测电路 14 2 4 4 4 4 键盘电路 14 2 4 5 录放音主电路 14 3 软件设计 22 3 1 录音程序设计 22 3 2 放音程序设计 24 4 系统的拓展 27 4 1 储存时间的拓展 27 4 2 ISD4004 清晰化和立体声语音系统扩展 28 结论 38 参考文献 39 致谢 40 附录 39 1绪论 1 1项目背景 随着公安 铁路等部门对语音记录的需求不断增长 出现了许多声音处理的产品 而数字录音系统作为其中的一种 经常用于某些监控对话系统中 在适当的时候用语 音实时报告系统的工作状态和提示信号等 本文介绍了一种用单片机实现的嵌入式数字录音系统 该系统为一个数字录音模块 可以将其封装在上面进行二次开发 它采用数字录音的原理 录音时 单片机的CPU 将语音信号转换为数字信号 存储存储器中 播放的时候 既可以播放录音文件 也 可以播放提前存入存储器中的语音文件 本文首先介绍了实现嵌入式录音的几种技术 然后介绍了数字录音的原理 在这之后进行了系统的总体结构设计和详细的软硬件设 计 给出了系统调试过程和实验结果 最后 对系统的应用前景进行了分析并提出了 改进设想 从实验结果来看 本论文所设计的嵌入式数字录音系统稳定性较好 当然要真正做到 商业化还需要做很多的改进工作 但它对许多要求录放的场合是十分有用的 嵌入式数字录音系统体积小 操作方便 供电简单 造价低 范围广 本文中介绍 的嵌入式数字录音系统的最大特点是具有同时寿音功能 为很多场合下需要证明播放 过语音文件提供了支持 本文中设计的嵌入式数字录音系统 主要是要满足以下几个指标 1 足够长的录音时间 至少 5 分钟以上的时间 主要满足对长时间数字语音记录的 需要 2 大容量非易失数据的存储器作为存储媒介 可以保存语音文件和一记录 3 灵活方便的控制方式 可以随心所欲地进行客户所需要的各种对语音的操作 4 合理的数据压缩方式 既保证语音的质量 又要尽可能地充分地利用存储空间 1 2 语音留言系统的发展现状 展望 语音信号处理属于信息科学的一个重要分支 大规模集成技术的高度发展和计算 机技术的飞速前进 推动了这一技术的发展 在数字音频技术和多媒体技术迅速发展 的今天 传统的磁带语音录放系统因体积大 使用不便 放音不清晰而受到了巨大挑 战 本课题组提出的体积小巧 功耗低的数字化语音存储与回放系统 可以有效的解 决传统的语音录放系统在电子与信息处理的使用中受到的限制 传统的磁带语音录放系统因其体积大 使用不便 在电子与信息处理的使用中受到 许多限制 体积小巧 功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代它 数字化 语音存储与回放系统的基本原理是对语音的录音与放音的数字控制 主要包括为了增 加语音存储时间 提高存储器的利用率 采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再 存储 而在回放时再进行解压缩 同时 对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰 从而确保了语音回放的可靠质量 80 年代以来 美 日等国的数字语音技术的研究工作进入了应用阶段 相继研制的大 规模集成电路语音芯片已经供应市场 并不断推出新的品种 数字语音技术的应用领 域十分广泛 首先是数字通信系统 当通过数字通信系统传送语音信号时 语音数字 化技术就是必不可少的了 发送端实际上即为语音编码 接收端为语音合成 在我们 的日常生活中 数字化语音存储与回放技术得到了广泛的应用 诸如公交车报站器 采访笔 MP3 播放器 手机等 使得产品的功能强大 淘汰了磁带录音的传统方式 方便了人们的生活 推动了社会的进步 近年来单片式语音集成电路发展迅速 ISD 公司已经推出语音容量为 6 秒至 16 分钟的 芯片 预计未来两年将推出单片 32 64 分钟的芯片 这样 大多数的语音电路设计都 能很方便地实现 更复杂的功能控制也可通过单片机或微电脑的软件配合来完成 目 前 十几分钟到几个小时的数码语音电路设计是亟待解决的问题 如沙盘模型的自动 语音讲解 广告播放 列车指挥黑匣子 119 电话录音系统 会议录音系统等 从我们自身专业与现阶段的知识构成出发 我们选择了以单片机为核心来实现语 音采集与回放 本课题多功能信号发生器是利用单片机 通过自主编写汇编程序 来 实现语音数据的传递 1 3 语音留言系统的应用 系统的应用方向 语音留言系统的应用有很多 包括中央录音系统 语音留言信箱 会议录音系统 等等 如会议录音系统 由于数字语音留言系统可录2至3个小时乃至更长的语音信息 十分适合于会议的记录 同时由于储存芯片的造价低廉 可多次擦写录音 而且可靠 性高 语音清晰 更重要的是数字语音系统本身可与PC机相连 使得语音信息的储存 能更为方便简单 并且可通过网络等方式传播出去 使得数字语音系统不但能达到录 音功能 更使得信息的传播更为简捷方便 由于以上的优点 语音留言系统在许多不 同的领域都得到广泛的 各种各样的应用 本文研究的是最常用的一种 将会研究的 是远程电话录音系统 电话留言系统的现状 中国的固定电话业务也呈现出举世瞩目的快速增长 近两年 随着科技的进步和 人们对信息交流的需求 带有录音功能的录音电话走向了市场 录音电话可以在无人 时自动接听电话并将对方的信息录下来 主人只需提取录音即可 最大可能的将可能 延误 失去的信息反馈给主人 早期的电话录音系统是使用盒式录音带 但由于体积 过大 使用不便 录音不清晰 受到诸多限制 后来又推出了集成电路存储话音的产 品 其原理是录音时把话音信号转换成数字信息存储在随即的存储器中 放音时 将 数字信息读出 经数 模准换和放大后能够音频信号送往线路上 单片机控制技术突飞猛进 让人们越来越认识到它的重要性 随着集成电路的迅 速发展 使得单片机的应用小型化 一改从前的那种大型机 中型机为主的机器 使 得单片机应用于模块很小的集成电路中 从而让单片机的应用得到更大的发挥 单片机技术不断成熟和发展 使得智能电话系统从功能到造价 从实用性到稳定 都有了巨大的提高 由于智能电话系统有着 按键显示 语音留言 语音拨号 语音 提示和远程控制等传统电话所不能比拟的优点 以及我国经济水平的不断提高 智能 电话系统已经在我得到了较为广泛的运用 1 4 本文结构 本文的主体包括五章 本章简要说明项目的背景 应用发展现状 第二章介绍系统 的总体设计思路 硬件总体设计 分电路设计 系统功能实现以及优缺点等 第三章介 绍系统的软件设计框图以及软硬件注释 第四章主要是系统的拓展 包括语音系统录 音时间的增长 采样频率的选择达到清晰化标准以及使用多芯片达到立体声要求等方 面 第五章为结束语 2 系统硬件设计 2 1 系统的描述 电话语音留言系统的构成如图 2 1 本系统是由中央控制器 信号检测电路 信号 解码电路 本地控制电路 状态检测电路 语音储存芯片 放音电路 录音电路组成 系统的控制分为两部分 一部分是本地远程控制 控制信号是由远端控制信号输 入的 另一部分是本地控制 控制信号由近端直接给出 远端控制过程是当信号输入时信号检测电路响应 信号解码电路等待 中央控制 器接到信号检测电路信号后 经过状态检测电路的反馈信息 作出控制调整 信号解 码电路工作 输入远端信号并解码送入控制器 控制器响应并使语音储存芯片和录音 电路工作 使得信号通过录音电路储存到语音储存芯片当中 本地控制电路是信号由本地控制电路直接给出 中央处理器响应 并使得放音电 路和语音储存芯片工作 使得语音储存芯片的信息通过放音电路以语音形式播放出来 信号检测 电路 信号解码 电路 中央控 制器 语音 储存 芯片 放音电路 录音电路 状态检测 电路 信 号 反馈 信号传输 响应信 号发送 解码信 号发送 图 2 1 电话语音留言系统的系统框图 2 2 电路的元件选择 本课题主要研究单片机实现能远程电话控制的语音留言系统 系统以单片机 AT89C51 作为芯片 再以 ISD4003 作为储放音芯片 加上振铃电路 4 4 键盘 摘机 电路 电话筒电路和双音多频解码集成电路 MT8870 为核心 通过电话线路遥控的远 程电话录音系统 由主近电路和接口电路 2 部分组成 单片机构成主控部分 进行主 要的信息处理 接收外部操作指令形成各种控制信号 并完成对各种信息的记录 接 口电路包括自动摘挂机控制电路 双音频 DTMF 译码 编码电路等 作为数字录音系统 因价格以及技术成熟程度所以该系统选择了 AT89C51 芯片 使用拥有录音 放音以及储存功能的 ISD4003 系列芯片 因电话功能需要 该电路中 加如了能响应来电的振铃电路 以及能实现远程操作的双音频解码电路 2 3 系统功能分析 系统的功能包括以下几方面 1 该系统主要应用于电话留言 能适用于嵌入式电话系统 并适用于双音频解码 电话 2 该系统能有 8 分钟的电话录音 并有 10 万次录音周期 能储存多个电话打入的 录音 3 系统有不怕断电 低功耗 耐用持久以及可靠性高等特点 4 能在有电话接入时 自动检测是否有人接听 然后进入电话录音程序 5 操作方面 录音时能对远程操作反应 放音时使用 4 4 键盘控制 6 录音时 挂电话能自动停止录音 主电路 见 PCB 原理图 2 4 电路分部介绍 2 4 1 振铃电路 当电话接收到振铃信号时 电话线路上有交流 48V 的电压信号 电容 C1 阻断了 直流 只让振铃信号 30Hz 左右 通过 zl1 将该指令信号整流 D1 将信号稳压 C2 将整流的信号滤波 抑制干扰 被 C2 平滑后的直流电压被用于驱动光电耦合器的发光 二极管 当振铃信号出现时光电耦合器的集电极电位变低 此信号的下降沿向 CPU 申 请中断 当电话线来电时 振铃电路经过的电压为正玄半波直流电压 当电压大于一 定值时 发光二极管导通 从而光电耦合器导通 INT0 接受低电平 当电压小于一定 直时 二极管关闭 光电耦合器关闭 INT0 又变为高电平 从而产生脉冲 电路如图 2 2 图 2 2 振铃电路图 2 4 2 摘机挂机电路和 DTFM 双音多频解码集成电路 该电路主要分为两部分 其中摘机挂机电路 是在主芯片响应振铃电路后 经查 询电话筒电路 在没人应答的情况下 接通 DTFM 双音多频解码集成电路 经 DTFM 电路音频解码后 代表拨号值的 4 位 BCD 码 Q1 Q4 送往 CPU 处理 其主要 作用是对远程控制系统的输入进行解码响应 电路如图 2 3 图 2 3 摘机挂机电路和 DTFM 双音多频解码集成电路图 摘机挂机电路工作原理 摘机 挂机电路其实就是一个电子开关 它的作用是完成摘机 挂机的动作 为 避免电话占线 电话电路和电话线之间平时应该是处于断开状态的 当你打电话到家 里来 如果出现了若干次铃响而且没人接听 这时候就需要让录音系统和电话线路接 通 即完成摘机动作 其实就是要在电话录音系统和电话线间放置一个开关 等电话 打入没人听时开关接通 平常断开 如图 当 P2 7 为低电平 0 时 v2 不导通 从而 V1 也不导通 当电话接通并没人 接听时 只要 89C51 端口 P2 7 置 1 V2 接通 V2 的集电极也有了电流通过 由于 V2 的集电极是通过电阻 R4 和 V1 的基极连接的 当 V2 集电极有电流时 V1 的基极也就有了偏置电流和电压 因此 V1 也就导通了 从而 SL2 V1 R6 之 间行成回路 并且将线路上的信号在 R5 两端产生电压降 想当于把电话线的信 号放于 R6 两端 R6 就相当于电话线的负载电阻了 该原理其实可以归结为 P2 7 接 通 该电路接通 从而 P2 7 作为电话线和录音系统之间的开关 而 P2 7 端口可以通过 89C51 设置控制 通过振铃电路的响应和查询电话筒电路的状态进行设置 得到能够 控制的电话录音系统 摘机挂机电路电路如图 2 4 摘机挂机电路后连接的是电话 DTFM 双音多频解码集成电路 图 2 4 摘机挂机电路图 DTFM 双音多频解码集成电路 双音频是电话键号传输的一种方式 从自动电话的制式来分 可分为 脉冲制式 及 双音频制式 两种 脉冲制式 也就是拨号的时候电话机发出的是一串一串的 无电 流脉冲 比如当拨号码 1 的时候 发出去的是 1 个 无电流脉冲 也就是一个 断电脉 冲 拨 2 的时候 发出去的是两个连续的 无电流脉冲 但是脉冲制式这种传输方式 是极为容易被干扰的 经过长途线路传送以后 由于线路电感和电容的影响 脉冲的 波形会发生严重畸变 传到对方以后很可能就完全变样了 所以这类逐步淘汰的产品 不宜选用 双音频就是拨电话的时候 拨每一个号码 发出去的都是由两个不同频率 的音频信号组合起来的双音频信号 比如拨 0 的时候 发出去的两个音频信号分别是 941HZ 和 1336HZ 拨 9 的时候发出去的两个音频信号分别是 952HZ 和 1477HZ 等等 我们用电话进行拨号时都能从听筒中听到一种按键的声音 这种声音其实就是由两个 不同的频率组合成的复合音 双音频电话机具有接通速度快 声音清晰等很多优点 而且对于电话新功能的使用来说 双音频电话机是不可缺的 所以该录音系统选择的 是音频解码电路 电路图如下图 2 5 图 2 5 双音频解码电路图 该电路使用 MT8870 他的芯片特点如下 1 DTMF8880 是 CMOS 大规模集成电路功耗低 52mW 并且将发送和接收电 路集成在一个芯片内 所以集成度高 2 可编程控制 容易与微机接口 微机可控制接收部分工作原理与 DTMF 信号接 收器 MT8870 相同 发送部分采用开关电容式 D A 变换器 因此 DTMF 信号失真小 频率精度高 片内计数器对双音频模式的占空时间进行精确定时 3 RSO 为寄存器选择输入端 2 为时钟输入端 与 R W 配合完成读写数据 IRQ CP 为中断请求信号输出端 OC 输出电路 或者在 CP 模式时 输出方波 标志 已收到 DTMF 信令编解码及各种公式模式选择 4 具有多种工作模式 所以功能很强 本系统的双音频电路使用 MT8870 解码器 该解码器能以 4 位并行二进制码解码 16 位键盘 解码图如图 2 6 图 2 6 MT8870 输出解码图 2 4 3 电话筒检测电路 该电路用于检测电话是否有人接听 当电话筒被拿起时 S1 断开 V4 不导通 从而 V5 基极为高电平 V5 导通 V5 集电极为低电平 输出到 P0 3 当电话无人接听 S2 接合 输出到 P0 3 为高电平 归结为有人接听 输出为高电平 无人接听 输出为 低电平 电路如图 2 7 图 2 7 电话筒检测电路图 2 4 4 4 4 键盘电路 该电路为共阳极 4 4 键盘 电路如图 2 8 图 2 8 4 4 键盘电路图 2 4 5 录放音主电路 录放音主电路是由 AT89C51 ISD4003 以及附属的录放音功放电路组成 1 i ATMEL公司的 AT89C51 其内含 4 KB的FLASH存储器 大家都熟悉 不多做介 绍 美国ISD公司推出的ISD4003系列单片语音录放电路 采用多电平直接模拟量存储 技术 将每个采样值直接存储在片内的快闪存储器中 能够非常真实 自然地现语音 音乐 音调和效果声 该电路具有操作简单 接口方便 录音时间长 可任意分段录 放 不怕断电及低功耗等诸多优点 因此 被广泛应用于自动化通信系统 移动电话 智能仪器及其他需要语音提示的各种电子产品中 ISD400 的所有操作必须由微控制 器控制 操作命令通过串行通信接口 SPI或Microwire 送人 本文介绍一种用51系列单 片机作控制器 通过单片机的串行口对ISD4003系列语音芯片进行录音 放音等控制的 方案 该方案结构简单 控制可靠 有较高的实用价值 ISD4003简介 1 单片 4 至 8 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 1 A 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 ISD4003系列工作电压3V 单片录放时间4至8分钟 音质好 适用于移动电话及其他便携 式电子产品中 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 芯片设计是基于所有操作必须由微 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 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 外部元件包括 麦克风 扬声器 开关和少数电阻 电容 再加上电源和电池 为了减 小噪声 芯片内部模拟 数字电路具有各自的电源 地线总线 以方便在印制板上实 现数字 模拟电路电源和地线分开走线 形成单点接地的布线规则 ISD 系列有多种型号 包括以下几种 ISD4003 使用 SPI 协议 SPI 总线接口时序及命令格式 ISD4003 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 ISD4003 而言 在时钟止升沿锁存 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 2 SS 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 4 SS 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 5 位控制码 加 11 位地址码 6 ISD 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 芯片支持 8 位 16 位命令格式 传输时序如图 2 9 所示 ISD4003 系列语音芯片 SPI 总线参数如表所示 图2 9传输时序图 89C51和ISD4003的连接电路如图2 10 图2 10 89C51和ISD4003连接电路图 89C51和ISD4003的RAC 与T0 端相接 RAC为行信号输人端 4 RAC 的计数值 对 应当前的行地址 对录放信息的精确定位 通信方式为串行通信 通信方式选为方式 0 89C51的串行输出口RXD接于MOSI ISD4003的串行输入接口 TXD和SCLK接 为串行时钟 MISO串行输出端 与P01相接 命令字图如图2 11 图2 11 ISD4003命令字图 命令字的高5位为操作码 低11位为操作地址 状态字的最高2位分别是溢出标志OVF 和信息段末尾标志EOM 紧跟其后的是行地址计数器的值 放音放大电路 4 语音放大电路 本系统采用差分驱动放大器 是对语音输入信号进行放大处理 以达到 ISD4004 输入信号的要求 使用功率放大器来驱动扬声器 通过放大滤波可以 使扬声器发出清晰而且响亮的语音信号 电路如图 2 12 图 2 12 放音输出放大电路图 录音输入电路 录音输入电路是要把由远端的电话声音信号录到芯片中 由于从电话线出来的信 号也需要送入 ISD4003 进行录音 因此需要将这条线引出来 以便于设法耦合到电话 线路上去 对于话筒 MIC 由于需要将电话线路上送来的声音信号耦合到语音芯片 ISD4003 中去 因此在 MIC 的另一端接到 C12 上 通过导通的 V3 接地 这样从电话 线进来的声音信号就能够在话筒 MIC 两端产生电压降 通过 C12 的电压差 使 MIC 的电压降能耦合到 ISD4003 的 IN 和 IN 电路如图 2 13 图 2 13 录音输入电路图 3 系统软件设计 3 1 录音主程序 录音主程序流程图 振铃电路 触发中断 待机 接听 Y 检测挂电话 否 N 延时程序 Y 录音程序 录音结束 返回待机 检测中断否 Y N 检测到 N 次振 铃 接通 DTFM 电 路 播放预定录音 远程用户按录音 键 主程序注释 前面说过 INT0 会接受一个 30HZ 的脉冲 当接受到第一个脉冲后 INT0 响应 但要防止躁声 同时要检测是否有人接电话 要判断电话筒电路输出 所以要给以延 时 然后再次检测是否继续有 INT0 脉冲 检测电话筒电路的输出 这样就可以判断是 否有电话打入 并且能在设定的振铃次数后接通 DTFM 电路 然后解码得出远程操作 按键的 BCD 码 从而得出操作指令 进入录音程序 子录音程序流程图 录音程序的操作如下 如果从 00 处录音 则按以下时序 1 发 POWER UP 命令 2 等待 TPUD 上电延时 3 发 POWER UP 命令 4 等待 2 倍 TPUD 5 发地址值为 00 的 SETREC 命令 6 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 录音地址是可以经过串行通信有 89C51 进行设置的 一段录音停止时 ISD4003 会自动产生一个 EOM 标志 同时在 INT 产生一个低脉冲信号 假如要在次基础上继 续录音 则可以使用 SET REC 继续录音 3 2 放音主程序 放音主程序流程图 待机 用户按键放录 音 检测有录音否 N Y 放音子程序 返回 放音主程序注释 用户使用 4 4 键盘 当需要放音时 按放音键 89C51 查询输入端口 在录音子程 序前放置标志位 标志有录音否 在 89C51 查询到要放音时 查询该标志位 若有标 志位 既有录音在 进如放音子程序 否则返回待机 放音子程序流程图如下 放音子程序步骤为 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 执行 PLAY 命令 从当前地址开始放音 遇到段结束标志 EOM 或存储器末尾标 志 OVF 时停止放音 同时 INT 引脚输出低电平 指示当前段播放结束 录音 放音段起始地址与每段最短时间及放音长度有关 例如 对 ISD4002 120 芯片来说 最多有 600 段 段地址编号为 000 599 每段最短录音时间为 200 ms 如 果每段记录一个单音 长度为 400 ms 即每个单音占用两段 则第 n 个单音对应的段 地址为 n 2 用户在放音时能使用快进模式 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 当需要播放两段或两段以上时 如果段与 段之间间隔很小时 可在上一段播放结束后 延迟一段时间 需通过试听确定延迟时间 的长短 一般为数十毫秒 再播放下一段 放音过程如图 13 3 a 所示 在放音操作过程中 执行 STOP 或 STOP WRDN 命令时 将终止当前放音操作 4 系统的拓展 4 1 储存时间的拓展 本系统所使用的单片机最长可以录音达 8 分钟 这对于一般的电话语音留言系统 而言是足够了的 但是对于某些语音系统 如语音智能控制系统 语音报警系统 会 议录音系统而言并不足够 近年来单片式语音集成电路发展迅速 ISD 公司已经推出语音容量为 6 秒至 16 分 钟的芯片 预计未来两年将推出单片 32 64 分钟的芯片 这样 大多数的语音电路设 计都能很方便地实现 更复杂的功能控制也可通过单片机或微电脑的软件配合来完成 目前 十几分钟到几个小时的数码语音电路设计是亟待解决的问题 如沙盘模型的自 动语音讲解 广告播放 列车指挥黑匣子 119 电话录音系统 会议录音系统等 数码录音时间为十分钟到几个小时的电路通常称为长时间数码录音电路 其显著 特点是 1 用于语音信号存储的大容量存储器大多需要外置控制 而不像短时间录音 电路那样能方便地内置在语音处理芯片中 2 为了降低大容量存储器的成本 大多采 用高级的压缩算法和专用的数字信号处理器芯片 除此之外 长时间数码语音电路的 硬件和软件设计成本都比较昂贵 项目开发人员和技术研究人员应事先充分了解各种 语音电路的设计特点以及目标项目的实际功能 然后有针对性地选择设计 才能达到 最高的性价比 下面介绍几种长时间 随录随放的数码语音电路 美国 ISD 公司的语音芯片采用独特的模拟存储技术 具有内置存储器单片化 优良的音质及产品系列化等特点 几乎占领了全部短时间可录放语音芯片市场 现在 该公司的产品也在向长时间应用靠拢 型号为 ISD4004 16 的单芯片可达到 16 分钟的 录放时间 仅靠单片机容量的扩展是不够的 用外部单片机控制设计的多片级联电路可使 录放时间达到单芯片的 2 16 倍以上 这种电路断电时不丢失语音 而且语音自然度 好 录制带有伴奏乐的广告 诗朗诵 解说词等有着较好的效果 ISD 芯片因价格和 体积原因而不适于很多片的级联 通常以制作 2 小时以内的录放电路为宜 极联的电 路图可以如图 5 1 图 4 1 ISD4003 极联的电路图 4 2 ISD4004 清晰化和立体声语音系统扩展 4 2 1 声音清晰化处理 ISD4004 芯片的使用中 经常会碰到所录的声音失真这种情况 ISD4004 采用的是 模拟量直接存储技术 能够真实 自然地再现声音 但是要想不失真地再现原始语音 信号 其采样频率也必须满足采样定理 当采样频率 Fs 大于信号最高频率 Fm 的 2 倍 时 在采样过程中就不会丢失信息 并且可以用采样后的信号重构原始信号 即 Fs 2Fm 2Fm 为最小采样频率 亦为 奈奎斯特频率 ISD4004 8M 的采样率为 8 0 kHz 满足采样定理的频率标准 虽然录放时间较短但是音质较好 甚至可满足播放简 单背景音乐的需求 4 2 2 声音立体化原理 在实际的语音系统中双声道立体声是一项应用最为普遍的技术 他是利用人们的 听觉错觉 通过改变两个扬声器的声级差 能使聆听者前方产生一定角度的声音方向 信息 从而使人们在聆听时有 身临其境 的听觉感受 然而目前较为简单的语音录放 系统多数采用单声道 当需要实现双声道语音系统时 往往采用复杂的硬件电路才能 构成一个双声道语音系统 使得双声道语音系统的制作成本大大提高 因此用一个较 为简单的电路来实现双声道语音系统就显得很有实用价值 立体声录放的实现采用两片 ISD4004 8M 芯片构成 工作原理为 将输入的双声道语 音信号分为左右声道分别接入两片 ISD4004 8M 芯片信号输入端 录音时由单片机发 出让两片芯片同时录音的指令 进行同步录音 使得输入的信号在存储的时候就能保 证其原有的声级差 从而达到了双声道录音的目的 放音时由单片机同时发出放音指 令 两片芯片同时放音 因存储时信号原有声级差已经保存 所以放音时可再现原始 的立体声 也可以在放音时对两个芯片发送放音指令的时间间隔进行操作 可达到调 整立体声的效果 结束语 本文在深入研究了单片机和ISD400系列的配合使用 从软硬件方面全面设计了一 个语音留言系统 阐述了AT89C51和ISD4000系列的录放音控制基础 拓展和使用 论述了一种嵌入式数字录音系统的设计和实现 它可以非常轻松的进行扩展和移植 同时它具有该系统具有稳定性高 功耗小等功能等特点 应用到机器人语音提示 飞 机自动告警以及心电信号记录回放等系统中去 具有十分广阔的应用前景 该系统比较还有许多不足之处 但随着科技的发展 该系统也可以不断的祢补这 些不足 参考文献 1 黄友锐 单片机原理及应用 合肥工业大学出版射 2006 11 2 何立民 单片机与嵌入式系统应用 北京航空航天大学出版社 2006 10 P344 346 3 姜杏辉 邹丽新 孙平 马励行 现代电子技术 陕西电子杂志社 2007 年第 21 期 4 石从 微计算机信息 微计算机信息杂志社 2004 年 10 期 5 李雪梅 现代电子技术 陕西电子杂志社 2006 年 29 卷 20 期 41 页 36 37 页 6 中青世纪科技有限公司 ISD4000 语音单片机通用开发 7 广州周立功单片机发展有限公司 MT8870 技术资料 致谢 感谢 附录 主程序 6 SS EQU P0 0 片选 MISO EQU P0 1 数据输出 INT EQU P0 2 中断 S1 EQU P0 3 ORG 0000H AJMP DAIJI ORG 0003H AJMP INTX ORG 001BH AJMP GUA2 ORG 1000H MAIN MOV R7 00H MOV R8 00H DAIJI MOV SP 10H SETB IT0 下降沿有效 SETB EA 开中断 SETB ET0 CLR ET1 CLR TF1 MOV R0 20H 中断 N 次 SJMP D1 D1 MOV R4 5 SAO JBC P1 7 SAO1 SJMP D1 SAO1 LCALL YS50 DJNZ R4 SAO JBC P1 0 START SAO2 JBC P1 1 STOP SAO3 JBC P1 2 REST SJMP D1 扫描键盘 录音主程序 LP1 DJNZ R1 T1 LP2 AJMP DAIJI 对方挂电话了 INTX ACALL YS50 CLR IE0 MOV R1 30 DJNZ R0 LP1 INT0 响应 进入 INTX 然后进入 LP1 和 T1 的循环中 如果 R1 到 0 都没有 INT0 再响应 即 240MS 内振铃电路没脉冲输入 则认为对方已经挂机 如果有脉冲再响应 R0 减 1 R1 复位 DTFM SETB P0 7 接通 DTFM 电路 MOV A PA 输入 DTFM 的号码 CJNE A 00H DTFM CLR TF1 CLR TR1 录音子程序 RECORD CLR EA ACALL DSTOP ISD 掉电 P ISD 掉电 ACALL UP ISD 上电 CJNE R7 00H REC2 R7 00H 起始录音 R7 01H 继续录音 FIRST MOV 20H 00H ISD 低位地址 MOV 21H 00H ISD 高位地址 MOV A 20H ACALL ISDX MOV A 21H SETB ACC 7 CLR ACC 6 SETB ACC 5 CLR ACC 4 CLR ACC 3 ACALL ISDX SETB SS 关片选 REC2 MOV 36H 10 延时 500MS ACALL YS50 延时录音 DJNZ 36H REC2 从当前地址继续录音 MOV A 0B0H 发 1011 0XXX ACALL ISDX SETB SS 关片选 REC3 LCALL GUA REC4 CJNE R2 A STOP 挂电话停止录音 JB P0 2 OVF OVF 标志 AJMP REC3 继续录音 从指定 00 开始放音 START CJNE R8 00H YAN FIRST2 MOV 20H 00H ISD 低位地址 MOV 21H 00H ISD 高位地址 MOV A 20H 发地址 A7 A0 ACALL ISDX MOV A 21H 发地址 A9 A8 SETB ACC 7 SETB ACC 6 SETB ACC 5 CLR ACC 4 CLR ACC 3 ACALL ISDX MOV R8 01H R8 00 起始放音 R8 01 继续放音 SETB SS 关片选 YAN MOV 36H 10 延时 500MS ACALL YS50 延时录音 DJNZ 36H REC2 从当前地址继续放音 MOV A 0F0H 发 11110 XXXXXXXX ACALL ISDX 发 SETPLAY SETB SS 关片选 D2 MOV R4 5 SAO4 JBC P1 7 SAO1 SJMP D2 SAO5 LCALL YS50 DJNZ R4 SAO4 JBC P1 0 START SAO6 JBC P1 1 STOP SAO7 JBC P1 2 REST JBC P0 2 SAO4 LCALL OVF 放音停止键盘扫描 REST MOV 20H 00H ISD 低位地址 MOV 21H 00H ISD 高位地址 MOV R8 00H LCALL STOP OVF MOV R8 00H MOV R7 00H LCALL STOP STOP MOV A 30H 发 0X11 0XXX ACALL ISDX SETB SS 关片选 ACALL YS50 50mS 延时 ACALL YS50 50mS 延时 AJMP DAIJI 停止录音返回待机状态 DSTOP CLR SS MOV A 10H 发 0X010 XXXXXXXXXX ACALL ISDX SETB SS 关片选 ACALL YS50 50mS 延时 ACALL YS50 50mS 延时 RET 停止当前操作停止并掉电 UP MOV A 20H ACALL ISDX SETB SS 关片选 ACALL YS50 50mS 延时 ACALL YS50 50mS 延时 RET 上电 ISDX CLR SS MOV SCON 00H CLR ES CLB TI MOV SBUF A OUT1 JNB TI OUT1 CLR TI RET 串行通信发送 YS50 MOV TMOD 01H MOV TH0 3CH 50mS 延时初值置入 MOV TL0 0B0H 65536 X 1 50MS SETB TR0 65536 50000 1 JNB TF0 CLR TF0 CLR TR0 RET T1 MOV TMOD 00H MOV TH1 0FFHB MOV TL1 0FFH SETB TR1 LP3 JBC TF1 LP41 SJMP LP3 YS100 MOV R3 20 MOV TMOD 00H MOV TH1 0FFH MOV TL1 0FFH SETB TR1 L3 JBC TF1 L4 SJMP L3 L4 MOV TH1 63H MOV TL1 18H DJNZ R3 L3 CLR TF0 CLR TR0 RET GUA MOV A 00H MOV R2 A CLR ET0 SETB ET1 SETB EA LCALL YS1000 GUA1 RET GUA2 MOV R2 01H SJMP GUA1 END