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。
2.4 聲音編碼存儲(chǔ)電路
在采樣時(shí)每一采樣點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生1 字節(jié)的數(shù)字編碼信號(hào)，由于采樣的頻率為8 kHz, 若錄音15 min, 則所需的存儲(chǔ)空間為7.031 25 MB，故系統(tǒng)選用8 MB 的Flash 存儲(chǔ)器K9F6408U0A，由于該存儲(chǔ)器的地址線和數(shù)據(jù)線可復(fù)用[3]，這樣可節(jié)省I/O 接口。K9F6408U0A 的最大優(yōu)點(diǎn)在于其命令、數(shù)據(jù)和地址均可通過(guò)8 條I/O 接口線與主控制器進(jìn)行通信， 大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的連線， 增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除8 條I/O 接口線外，K9F6408U0A 還包括以下控制線，1）CLE： 命令鎖存使能端，高電平有效。在WE 信號(hào)的上升沿，命令信號(hào)可通過(guò)I/O 口鎖入命令寄存器；2）ALE：地址鎖存使能端，高電平有效。在WE信號(hào)的上升沿， 地址信號(hào)可通過(guò)I/O 口鎖入地址寄存器；3）CE：片選線，低電平有效。在頁(yè)編程或塊擦除操作期間或器件處于忙狀態(tài)時(shí)，CE 高電平將被忽略，4）WE： 寫(xiě)使能口，命令、地址和數(shù)據(jù)在WE 信號(hào)的上升沿被鎖定；5）RE： 讀使能口，在該口的下降沿將數(shù)據(jù)送到I/O 口線上，并使內(nèi)部列地址寄存器加1；6）WP：寫(xiě)保護(hù)口，低電平有效，當(dāng)其為低時(shí)，編程和擦除操作禁止；7）R/B：操作狀態(tài)指示信號(hào)。為低時(shí)，表示正在編程、擦除或讀操作，操作結(jié)束后變高。利用上述控制線，從而方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主控制器對(duì)K9F6408U0A 的控制。AT89S52單片機(jī)與K9F6408U0A 存儲(chǔ)接口電路如圖3 所示。
AT89S52 與K9F6408U0A 存儲(chǔ)接口電路
圖3 AT89S52 與K9F6408U0A 存儲(chǔ)接口電路。
2.5 PWM 輸出電路
本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)音頻放大電路，PWM 輸出電路如圖4 所示。PWM 是一種利用微處理器的數(shù)字輸出控制模擬電路的有效技術(shù)，對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效獲得所需波形，并且由于沒(méi)有使用D/A 轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)成本減少很多。PWM 的優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。此外PWM 信號(hào)很容易通過(guò)MCU 的軟件進(jìn)行控制，即使電路稍微有些系統(tǒng)誤差，易于通過(guò)軟件進(jìn)行校正。
圖4 中， 利用單片機(jī)的P1.7 引腳輸出一定寬度的PWM信號(hào)，通過(guò)三極管整形后，作用在慣性環(huán)節(jié)上，得到的輸出信號(hào)PWMOUT 將作用在音頻功放電路上，還原為聲音。
PWM 輸出電路
圖4 PWM 輸出電路。
2.6 音頻功率放大電路
為了使系統(tǒng)有足夠大的輸出，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，便于調(diào)節(jié)音量， 在PWM 輸出電路后使用了音頻信號(hào)功率放大器LM386 構(gòu)建功率放大電路，如圖5 所示。
音頻功放電路
圖5 音頻功放電路。
LM386 型音頻功率放大器主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在其引腳1 和8 之間外接電阻和電容， 便可將電壓增益調(diào)為任意值， 直至200。輸入端以地位參考,同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半, 在6 V 電源電壓下, 其靜態(tài)功耗僅為24 mW, 使得LM386 特別適用于電池供電的場(chǎng)合。PWMOUT 為PWM 輸出電路的輸出，揚(yáng)聲器為8 Ω，0.5 W。經(jīng)過(guò)調(diào)試發(fā)現(xiàn)將電源+5 V用10 μF 和0.1 μF 的電容濾波后，會(huì)減小很多噪聲，效果較好。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)具有錄音、放音、暫停、清除存儲(chǔ)內(nèi)容等功能，各種功能由按鍵來(lái)選擇，系統(tǒng)首先掃描各個(gè)按鍵的狀態(tài)，如果有按鍵按下，就轉(zhuǎn)往相應(yīng)的處理程序，系統(tǒng)程序流程如圖6 所示。
系統(tǒng)流程圖
圖6 系統(tǒng)流程圖。
3.1 系統(tǒng)初始化程序
系統(tǒng)初始化程序主要對(duì)單片機(jī)中斷、定時(shí)器、LCD 初始化、鍵盤(pán)、PWM、K9F6408U0A 存儲(chǔ)接口，以及ADC0809 地址、程序中要用到的各個(gè)變量進(jìn)行設(shè)置。
3.2 按鍵掃描程序
由于錄音和暫停是由和外部中斷引腳相連的2 個(gè)按鍵來(lái)設(shè)置，一旦按鍵按下就進(jìn)入錄音或放音程序，所以按鍵掃描程序用于掃描放音鍵和清除鍵是否按下。
3.3 錄音程序
與外部中斷0 相連的按鍵按下，則進(jìn)入錄音程序。
錄音過(guò)程實(shí)質(zhì)上是啟動(dòng)ADC0809 對(duì)模擬音頻信號(hào)進(jìn)行采樣， 并將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的過(guò)程，故其主要包含對(duì)ADC0809 進(jìn)行讀取， 對(duì)外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫(xiě)入兩個(gè)部分。
提取聲音數(shù)據(jù)時(shí)，要注意采樣頻率、采樣位數(shù)、存儲(chǔ)容量與存儲(chǔ)時(shí)間的關(guān)系，通常8 kHz 的采樣頻率和8 位的采樣位數(shù)可獲得清晰的語(yǔ)音以及較好的音樂(lè)聲，并且占有較少的存儲(chǔ)空間。
以8 kHz 的采樣頻率啟動(dòng)ADC0809，并讀取上次采樣結(jié)果，寫(xiě)到外擴(kuò)Flash 存儲(chǔ)器的代碼片段如下：
3.4 放音程序
若P1.0 按下，則執(zhí)行放音程序。放音過(guò)程實(shí)質(zhì)上是讀取外圍數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為一定寬度的PWM 波，進(jìn)行輸出的過(guò)程。讀取K9F6408U0A 的子函數(shù)如下：
// 函數(shù)名稱(chēng)： READBYTE
產(chǎn)生PWM 波形的步驟：1）設(shè)置定時(shí)器,產(chǎn)生定時(shí)中斷，若采樣率為11.025 kHz， 則設(shè)置定時(shí)器的定時(shí)中斷頻率為11.025 kHz；2）初始化PWM 模塊，產(chǎn)生11．025 kHz 的PWM波形；3）等待定時(shí)器中斷，在中斷處理程序中取采樣數(shù)據(jù)，并設(shè)置PWM 占空比寄存器，判斷聲音是否播放完成。若完成，則關(guān)定時(shí)器中斷，并停止PWM 輸出。
3.5 暫停程序
在錄音過(guò)程中，如果需要暫時(shí)停止錄音可以按下暫停鍵進(jìn)入暫停狀態(tài)， 再次按下暫停鍵可以返回暫停以前的狀態(tài)。
程序中設(shè)置了一個(gè)變量來(lái)指示現(xiàn)在是應(yīng)該暫停還是恢復(fù)。
3.6 存儲(chǔ)器內(nèi)容清除程序
當(dāng)存儲(chǔ)器內(nèi)容已滿(mǎn)，而又需要錄音時(shí)，可以按下清除按鍵，清除一定容量的內(nèi)容，供用戶(hù)再次使用。
擦除：以塊為單位進(jìn)行擦除。代碼片段如下。
4 調(diào)試注意事項(xiàng)
系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，應(yīng)注意以下方面：
1）由于在PCM（Pulse Code Modulation）編碼及DPCM 編碼模式下都要采用8 kHz 的采樣率，所以，每次壓縮中斷服務(wù)程序必須在不超過(guò)125 μs 的時(shí)間內(nèi)完成，因此，壓縮錄音處理程序的代碼必須進(jìn)行最大可能的優(yōu)化，以減少程序執(zhí)行時(shí)間，以免采樣和數(shù)據(jù)處理或信息顯示發(fā)生沖突，也可避免在中斷采樣時(shí)造成采樣點(diǎn)的丟失。
2）在選擇ADC0809 的時(shí)鐘時(shí)，經(jīng)典選擇是640 kHz 左右，最初選擇將單片機(jī)的ALE 端4 分頻后作為ADC0809 的時(shí)鐘信號(hào)，但發(fā)現(xiàn)影響了LCD 的輸出顯示。將ALE 改為2 分頻后（用1 M 觸發(fā)）作為ADC0809 的時(shí)鐘信號(hào)，問(wèn)題得到解決。
3）使用MAX813L 復(fù)位芯片替代RC 復(fù)位電路，使電路可靠復(fù)位，結(jié)合軟件監(jiān)控實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗功能。
4）當(dāng)采樣頻率為8 kHz，字長(zhǎng)為8 位時(shí)，存儲(chǔ)語(yǔ)言時(shí)長(zhǎng)超過(guò)15 min，回放語(yǔ)音質(zhì)量良好。
5 結(jié)束語(yǔ)
利用K9F6408U0A 8 MB NAND Flash 存儲(chǔ)器和單片機(jī)PWM 功能可為單片機(jī)的應(yīng)用增加語(yǔ)音功能。對(duì)聲音采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式是用直接的、原始的采樣數(shù)據(jù)。在具體的實(shí)際應(yīng)用中，可選用內(nèi)嵌A/D 轉(zhuǎn)換器的STC12C5A08AD，可省去外擴(kuò)ADC0809，使電路更簡(jiǎn)潔。創(chuàng)新之處在于不使用專(zhuān)用的語(yǔ)音芯片，實(shí)現(xiàn)使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)語(yǔ)音的存儲(chǔ)與回放。
