基于AT89S52 和K9F6408U0A 的語音數(shù)字系統(tǒng)設計

摘要： 在研究傳統(tǒng)語音錄放電路的基礎上，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）為最佳設計方案。

2 硬件設計

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。