单片机的语音存储及回放系统终.docVIP

基于单片机的语音存储及回放系统 摘要 随着科技的不断发展，人们对语音的存储系统也有了更高的要求，从最初的磁盘（唱片），到流行一时的磁带、CD等等。但是这些语音的存储系统都有一定的缺陷，不是存储形式过时，就是不容易将语音存入。因此，我们需要用新的理念设计一个语音的存储及回放系统。本设计采用了MCS-51单片机，利用A/D、D/A转换将声音信号（模拟量）转成数字信号（数字量）存储起来并实现随时回放功能。 关键字：MSC-51单片机、A/D转换、D/A转换、声音信号、数字信号 一、总体设计方案介绍 1.1语音编码方案： 人耳能听到的声音是一种频率范围为20 Hz～20000 Hz ,而一般语音频率最高为3400 Hz。语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一定幅度的模拟量电信号,然后再转换成数字量的全过程。根据“奈奎斯特采样定理”, 采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍， 由于语音信号频率为300～3 400 Hz ,所以把语音采集的采样频率定为8 kHz。从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法[4]。但要将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。基于这种思路的算法，除了传统的一些脉冲编码调制外，目前已使用的有VQ技术及一些变换编码和神经网络技术，但是算法复杂，目前的单片机速度底，难以实现。结合实际情况，提出以下几种可实现的方案。 （1）短时平均跨零记数法 该方案通过确定信号跨零数，将语音信号编码为数字信号，常用于语音识别中。但对于单片机，由于处理数据能力底，该方法不易实现。 （2）实时副值采样法 采样过程如图2.1所示。 图2.1 采样过程 具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。其中第三种实现方法最具特色，该方法可使数据压1：4.5，既有调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误差不向后扩散。 1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择 单片机语音生成过程,可以看成是语音采集过程的逆过程,但又不是原封不动地恢复原来的语音,而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时,只要依原先的采样直经D/ A 接口处理,便可使原音重现。 （1）A/D转换芯片的选择 根据题目要求采样频率fs=8KHZ，字长=8位，可选择转换时间不超过125μs的八位A/D转换芯片。目前常用的A/D转换实现的方法有多种，鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片AD574。该芯片是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换 图2-1-1 89C51有40个引脚，4个8位并行输入/输出（I/O）端口：P0、P1、P2、P3，其中，P1是完整的8位准双向I/O口，两个外中断，2个16位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。此外，89C51的时钟频率可为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入工作状态，省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件系统复位方可继续工作。 1.3系统总体结构 数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。 整个系统框架图如图3.1所示： 图3.1 整体框图 系统组成如图所示,由输入通道、AT89C51单片机和输出通道三部分组成。输入通道部分由拾音器、前置放大电路和带通滤波器组成；输出通道由带通滤波器、后级放大电路组成[9]。拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25mV，此电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路。考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。此处将其通过一增益为46dB的放大器，因此，将带通滤波器设计为典型的300Hz~3.4kHz,输出级带通滤波器亦为300Hz~3.4kHz,这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理知欲使采样信号无失真，抽样频率最低为6.8kHZ，考虑到留有一定的余地，这样就