基于ISD4004的语音报值交直流电压表的设计.doc

基于ISD4004的语音报值 交直流电压表的设计 西安交通大学 姜萌 彭保基 杨东平 指导教师：张鹏辉 2004年9月 摘要：本文介绍了基于语音芯片ISD4004的语音报值交直流电压表的设计。电路由数据采集部分，A/D转换部分，键盘与显示部分，单片机控制部分，语音报值部分和扩展功能部分组成。电路使用了并行与串行总线相结合的方式，使设计与编程灵活简便。创意新颖有趣，富于人性化，避免了频繁观察仪器显示之苦，对减轻工程技术人员的工作量和提高工作效率现实意义。 关键词：单片机，SPI串行总线，I2C串行总线，双积分A/D转换 一、设计任务与要求 设计一个可以实现数字显示和语音报数双功能的简易交直流数字电压表，基本框图如下： 基本要求： 测量范围：直流0～12V，交流最大允许输入10V； 频率测量范围：10Hz～100kHz； 三位半数码管显示电压值； 分辨率：0.1V; 准确度:1%1字; 带显示的数字稳定后同时用语音报出所显示的电压值。 发挥部分： 测量直流电流的数字式电流表，最大测量值为200mA; 能根据数字显示的测量值，用语音报出数据。 二、方案论证与设计 根据题目要求，各模块方案论证如下： （一）数据采集部分 直流电压测量采用简单的电阻分压方式实现分档，电流测量采用取固定电阻两端电压的方法实现，这是一种。交流电压与电流测量部分方案论证如下： 方案一：采用简单的二极管半波或全波整流实现。电路简单，频率响应较好，但是二极管会有0.7V或1.4V的压降，导致电压表无法测量0.7V以下的小信号，故没有采用此方案。 方案二:采用由高性能运算放大器LF353构成的精密检波电路实现。运放构成的电路可以避免0.7V或1.4V的压降，采用高频性能比较好的检波二极管，能够在克服非线性失真的基础上保证频率响应。我们最终选择了这个方案。 （二）A/D转换部分 方案一：采用常用的逐次比较式A/D转换芯片,电路成熟，与单片机接口简单，转换速率快，但是如果要满足任务要求中的3位半精度必须选用12位以上分辨率的器件，这种器件抗干扰性能较差，而且成本很高购买比较困难，故没有采用。 方案二：采用常用4位半双积分A/D转换芯片ICL7135实现。ICL7135采用双积分转换方式，比逐次比较式转换精度高，4位半相当于14位的分辨率，远远满足任务的设计要求，而且价格低廉。尽管双积分式A/D转换器转换速率比较慢，但是任务对精度要求比较高，对转换速率并没有提出要求，而且经过软件编程，实现了ICL7135与单片机的接口连接，而且双积分形式的A/D转换方式能够大大提高抗干扰能力，能够完全消除平均值为0的干扰，所以我们采用了这个方案。 （三）数字显示与键盘输入部分 方案一：使用单片机本身I/O口通过扫描与编码实现显示与键盘输入。这种方法不需要外围硬件，接口简单，但需要占用大量I/O口与单片机内部资源，容易造成各个功能模块之间的冲突，使系统的反应速度下降，而且编程比较复杂，故没有采用。 方案二:使用通用并行键盘显示控制电路8279或用8255扩展I/O口来实现。此种方法技术比较成熟，但占用I/O依然很多，电路比较繁冗，而且成本较高，考虑到成本与简洁性，没有采用。 方案三：使用周立功公司的专用显示与键盘控制芯片ZLG7290，它采用I2C协议，能够同时驱动8位共阴数码管和64个按键，提供光标闪烁等多种便捷控制功能，而且成本低廉。使用该芯片可以大大降低显示与键盘部分对I/O口的占用和编程的工作量，所以我们选择了这种方案。 （四）语音播放部分 方案一：使用通用A/D器件对音频信号进行采样和转换，然后保存到数据存储器地址单元当中，放音时将不同地址单元的语音信息进行组合，通过D/A器件转换以后还原为模拟音频信号。这种方案思路清晰，但外扩接口比较复杂，如果使用高精度与高速的转换器件，数据量很大，单片机处理比较困难；如果使用低精度低速的转换器件，语音质量将大打折扣，故没有采用。 方案二：使用专用的语音处理设备与语音编程设备实现。先将模拟音频信号通过语音处理设备转换为相应的数字数据，然后用专用的语音编程设备将该数据烧写到单片机的程序存储器当中，然后在程序中对语音数据进行查表组合，再经过D/A转换输出模拟音频信号。这种方案编程容易，语音衔接流畅，但是对器件和设备要求高，在短时间和一般条件下不易实现，故没有采用。 方案三：使用专用语音录放芯片实现。专用芯片有很多型号，这里我们选择了现有产品中性能最好的ISD4004-08M芯片，该芯片能够连续录音8分钟，可分2400段，同时采用SPI串行总线接口，便于与单片机连接，8K的采样率可以提供高质量的语音信息，对于任务要求的完成已经游刃有余，所以我们选择了这个方案。 （五）数据分析部分 方案一:使用