基于AT89S52 和K9F6408U0A 的語音數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計

  摘要： 在研究傳統(tǒng)語音錄放電路的基礎(chǔ)上，提出了一種基于AT89S52 的音頻信號采集、存儲與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機AT89S52 為控制器， 采用鍵盤和LCD 作為人機界面，ADC0809 采集音頻信號， 擴展8 MB 閃速存儲器K9F6408U0A作為數(shù)字化音頻信號的存儲器，通過軟件濾波濾除噪音；采用PWM 產(chǎn)生聲音的原理，使存儲在Flash 中的音頻數(shù)據(jù)控制PWM 每個波形的占空比，通過低通濾波器將聲音從PWM 的脈沖中分離，并驅(qū)動揚聲器。實驗表明：8 kHz 采樣頻率和8 位采樣位數(shù)可獲得清晰的語音以及較好的音樂聲，語音存儲時間達15 min。

數(shù)據(jù)采集技術(shù)涉及領(lǐng)域廣,采集信號的動態(tài)范圍寬,處理數(shù)據(jù)量大,對系統(tǒng)實時性能要求高。以數(shù)字信號的形式對信號進行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小及可靠性高等優(yōu)點，滿足了對信號快速、精確、實時處理及控制的要求。本設(shè)計利用了數(shù)字電路的這些優(yōu)點，對傳統(tǒng)的模擬錄音電路進行了改進，以較低的成本使性能得到了提高。

1 方案論證

本設(shè)計以數(shù)字化信號的形式對音頻信號進行處理，有以下3 種方案可供選擇：

1）直接利用語音芯片進行語音錄放。Winbond 公司的ISD系列語音芯片采用了Chip-Corded 專利技術(shù)， 聲音無需A/D轉(zhuǎn)換和壓縮就可直接存儲,不存在A/D 轉(zhuǎn)換誤差，在一個記錄位（BIT）可存儲多達250 級聲音信號,相當于通常A/D 技術(shù)記錄容量的8 倍。片內(nèi)集成了晶體振蕩器、麥克風前置放大器、自動增益控制、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)成一個完整的聲音錄放系統(tǒng)。

2）利用DSP 對采樣信號進行處理。DSP 是專門為快速實現(xiàn)各種信號處理算法而設(shè)計的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，其處理速度遠遠超過一般的CPU。

3）利用AT89S52 作為系統(tǒng)主控芯片，利用ADC0809 對音頻信號進行采集和A/D 轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字化音頻信號存儲到擴展的數(shù)據(jù)存儲器中，利用軟件對信號進行數(shù)字濾波，最后通過單片機輸出PWM 信號來完成放音。

從經(jīng)濟和技術(shù)等因素考慮對上述3 種方案進行比較：直接利用語音芯片可以減少很多外圍電路， 電路設(shè)計方便，但語音芯片使用不夠靈活。DSP 具有強大的數(shù)字信號處理功能，使用靈活，但該芯片價格較高，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，且價位不高。因此，方案3）為最佳設(shè)計方案。

2 硬件設(shè)計

圖1 為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。音頻信號通過拾音器將聲音信號轉(zhuǎn)換為可以處理的電信號，前置放大電路用來對拾音器的輸出進行放大， 與A/D 轉(zhuǎn)換電路匹配，A/D 轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對模擬信號的編碼。微處理器是系統(tǒng)的核心，它用來對數(shù)字化音頻信號進行處理和存儲，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個部分的工作，輸出PWM 波來驅(qū)動輸出電路。

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

單片機是系統(tǒng)的控制中心， 它主要實現(xiàn)以下的功能：控制LCD 顯示語音信號的相關(guān)信息， 控制按鍵識別和功能選擇； 控制音頻數(shù)據(jù)的采集并存儲在Flash ROM， 放音時讀取Flash ROM 中數(shù)據(jù)，用軟件方法產(chǎn)生PWM 脈沖信號，實現(xiàn)語音的存儲和回放。

2.2 聲音信號拾取、放大電路

聲音信號拾取電路就是將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。本設(shè)計選用麥克風，它是一種聲敏電阻，其阻值隨外界聲音信號的變化而變化，將其串聯(lián)在電路中，電阻的變化形成電壓的變化，經(jīng)過電容通交隔直，就得到了表征聲音信號特征的電信號。

然而由于聲音信號拾取電路輸出電壓的幅值很小，為20～25 mV，若將該信號直接與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， 會產(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)一個放大電路， 考慮到聲音信號拾取電路的輸出信號很小，放大電路的失真度和噪聲對系統(tǒng)的精度影響最大，故將其設(shè)計為抗共模干擾強的并聯(lián)負反饋放大電路, 由于音頻信號的頻寬較大，故選用寬頻帶，低輸出阻抗的雙運放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， 主要實現(xiàn)對放大后的聲音信號進行采樣。

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 信號與START信號接在一起，這樣可使得在信號的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動轉(zhuǎn)換。啟動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，并啟動下一次A/D 轉(zhuǎn)換。也可定時啟動A/D 轉(zhuǎn)換，并讀取上次轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2.4 聲音編碼存儲電路

在采樣時每一采樣點都會產(chǎn)生1 字節(jié)的數(shù)字編碼信號，由于采樣的頻率為8 kHz, 若錄音15 min, 則所需的存儲空間為7.031 25 MB，故系統(tǒng)選用8 MB 的Flash 存儲器K9F6408U0A，由于該存儲器的地址線和數(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)點在于其命令、數(shù)據(jù)和地址均可通過8 條I/O 接口線與主控制器進行通信， 大大簡化了系統(tǒng)的連線， 增強了系統(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 信號的上升沿，命令信號可通過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信號的上升沿， 地址信號可通過I/O 口鎖入地址寄存器；3）CE：片選線，低電平有效。在頁編程或塊擦除操作期間或器件處于忙狀態(tài)時，CE 高電平將被忽略，4）WE： 寫使能口，命令、地址和數(shù)據(jù)在WE 信號的上升沿被鎖定；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：寫保護口，低電平有效，當其為低時，編程和擦除操作禁止；7）R/B：操作狀態(tài)指示信號。為低時，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，從而方便實現(xiàn)系統(tǒng)主控制器對K9F6408U0A 的控制。AT89S52單片機與K9F6408U0A 存儲接口電路如圖3 所示。

AT89S52 與K9F6408U0A 存儲接口電路

圖3 AT89S52 與K9F6408U0A 存儲接口電路。

2.5 PWM 輸出電路

本設(shè)計采用單片機輸出PWM 信號驅(qū)動音頻放大電路，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)，對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，等效獲得所需波形，并且由于沒有使用D/A 轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)成本減少很多。PWM 的優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行D/A 轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。此外PWM 信號很容易通過MCU 的軟件進行控制，即使電路稍微有些系統(tǒng)誤差，易于通過軟件進行校正。

圖4 中， 利用單片機的P1.7 引腳輸出一定寬度的PWM信號，通過三極管整形后，作用在慣性環(huán)節(jié)上，得到的輸出信號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)動揚聲器發(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)用于低電壓消費類產(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,同時輸出端被自動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合。PWMOUT 為PWM 輸出電路的輸出，揚聲器為8 Ω，0.5 W。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)將電源+5 V用10 μF 和0.1 μF 的電容濾波后，會減小很多噪聲，效果較好。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)具有錄音、放音、暫停、清除存儲內(nèi)容等功能，各種功能由按鍵來選擇，系統(tǒng)首先掃描各個按鍵的狀態(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)初始化程序主要對單片機中斷、定時器、LCD 初始化、鍵盤、PWM、K9F6408U0A 存儲接口，以及ADC0809 地址、程序中要用到的各個變量進行設(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 個按鍵來設(shè)置，一旦按鍵按下就進入錄音或放音程序，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，則進入錄音程序。

錄音過程實質(zhì)上是啟動ADC0809 對模擬音頻信號進行采樣， 并將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲到外圍數(shù)據(jù)存儲器中的過程，故其主要包含對ADC0809 進行讀取， 對外圍數(shù)據(jù)存儲器進行寫入兩個部分。

提取聲音數(shù)據(jù)時，要注意采樣頻率、采樣位數(shù)、存儲容量與存儲時間的關(guān)系，通常8 kHz 的采樣頻率和8 位的采樣位數(shù)可獲得清晰的語音以及較好的音樂聲，并且占有較少的存儲空間。

以8 kHz 的采樣頻率啟動ADC0809，并讀取上次采樣結(jié)果，寫到外擴Flash 存儲器的代碼片段如下：




3.4 放音程序

若P1.0 按下，則執(zhí)行放音程序。放音過程實質(zhì)上是讀取外圍數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為一定寬度的PWM 波，進行輸出的過程。讀取K9F6408U0A 的子函數(shù)如下：

// 函數(shù)名稱： READBYTE


產(chǎn)生PWM 波形的步驟：1）設(shè)置定時器,產(chǎn)生定時中斷，若采樣率為11.025 kHz， 則設(shè)置定時器的定時中斷頻率為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)定時器中斷，并停止PWM 輸出。

3.5 暫停程序

在錄音過程中，如果需要暫時停止錄音可以按下暫停鍵進入暫停狀態(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)置了一個變量來指示現(xiàn)在是應(yīng)該暫停還是恢復(fù)。

3.6 存儲器內(nèi)容清除程序

當存儲器內(nèi)容已滿，而又需要錄音時，可以按下清除按鍵，清除一定容量的內(nèi)容，供用戶再次使用。

擦除：以塊為單位進行擦除。代碼片段如下。






4 調(diào)試注意事項

系統(tǒng)進行調(diào)試時，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125 μs 的時間內(nèi)完成，因此，壓縮錄音處理程序的代碼必須進行最大可能的優(yōu)化，以減少程序執(zhí)行時間，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造成采樣點的丟失。

2）在選擇ADC0809 的時鐘時，經(jīng)典選擇是640 kHz 左右，最初選擇將單片機的ALE 端4 分頻后作為ADC0809 的時鐘信號，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 的時鐘信號，問題得到解決。

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)控實現(xiàn)看門狗功能。

4）當采樣頻率為8 kHz，字長為8 位時，存儲語言時長超過15 min，回放語音質(zhì)量良好。

5 結(jié)束語

利用K9F6408U0A 8 MB NAND Flash 存儲器和單片機PWM 功能可為單片機的應(yīng)用增加語音功能。對聲音采樣數(shù)據(jù)的存儲方式是用直接的、原始的采樣數(shù)據(jù)。在具體的實際應(yīng)用中，可選用內(nèi)嵌A/D 轉(zhuǎn)換器的STC12C5A08AD，可省去外擴ADC0809，使電路更簡潔。創(chuàng)新之處在于不使用專用的語音芯片，實現(xiàn)使單片機應(yīng)用系統(tǒng)語音的存儲與回放。