基于單片機(jī)的語音錄放硬件電路設(shè)計(jì)與研究

易 群 李彩麗

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌330013）

0 引言

隨著單片機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，公交自動(dòng)報(bào)站、各種型號(hào)的學(xué)習(xí)機(jī)、電話自動(dòng)應(yīng)答等越來越多的人性化設(shè)備以其價(jià)格低、使用靈活、體積小、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，顯示出了很強(qiáng)的生命力。語音自動(dòng)錄放裝置是這些設(shè)備的核心部分，它利用先進(jìn)的芯片，采用智能控制技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)語音錄放功能，而且集復(fù)讀、跟讀等多種功能于一體。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的語音錄放電路，該語音錄放系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)語音錄入、播放、存儲(chǔ)、停止等基本功能，具有使用方便、簡(jiǎn)單易行、成本低廉等特點(diǎn)，還具有較好的可擴(kuò)展性，有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 語音錄放的工作原理

語音錄放是利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP（Digital Sign Processer）技術(shù)完成信號(hào)的傳輸和解碼語音文件的任務(wù)，中央處理器通常稱為MCU（單片微處理器），簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它運(yùn)行語音錄放的整個(gè)控制程序，也稱為Fireware（固件程序）。語音錄放系統(tǒng)的各個(gè)部件的工作如下：解碼器是芯片中的一個(gè)硬件模塊，或者說是硬件解碼，它可以直接完成語音數(shù)據(jù)流的解碼操作，并輸出PWM 數(shù)字音頻信號(hào)，再經(jīng)過音頻信號(hào)的濾波、放大，送到外接喇叭，驅(qū)動(dòng)喇叭。語音錄放的每個(gè)硬件部分都有其對(duì)應(yīng)的軟件代碼，硬件部分都由數(shù)字可編程邏輯控制器進(jìn)行控制。

語音錄放工作原理：首先將語音文件從內(nèi)存中取出并讀取存儲(chǔ)器上的信號(hào)→到解碼芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼→通過PWM將解出來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)→低通濾波→再把濾波后的模擬音頻放大后傳到耳機(jī)輸出口。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，其主要由按鍵、語音輸入、語音放大和HM628128A 存儲(chǔ)擴(kuò)展、LM324低通濾波以及功率放大這6部分電路組成。

臺(tái)灣凌陽公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)SPCE061A 具有體積小、可擴(kuò)展性強(qiáng)、芯片功率低、工作可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，芯片本身具備DSP功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，最高時(shí)鐘頻率可達(dá)到49 MHz，具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)等等，且該單片機(jī)內(nèi)置有D/A、A/D 轉(zhuǎn)換，并可實(shí)現(xiàn)在線仿真功能，這些都為我們實(shí)現(xiàn)數(shù)碼錄音和播放提供了良好、方便的條件。HM628128A 是臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的容量為4 Mbit的FLASH 存儲(chǔ)芯片，我們將它作為凌陽格式的語音資源的存儲(chǔ)裝置。本系統(tǒng)提供HM628128A 相關(guān)的讀寫模塊，此模塊也可應(yīng)用于HM628128A 同系列的相關(guān)FLASH 芯片中。

圖1 語音錄放系統(tǒng)整體框圖

另外，凌陽16位單片機(jī)具有一套易學(xué)易用、效率較高的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C 語言，可以實(shí)現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用，并且提供了語音錄放的庫函數(shù)，只要了解函數(shù)就容易完成語音錄放。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

本系統(tǒng)供電可采用兩種方式：

（1）DC9V 電源適配器經(jīng)7805、RT9161穩(wěn)壓3.3V。

（2）使用3節(jié)AAA 電池經(jīng)RT9161輸出3.3V。

電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

3.2 語音錄入部分

MIC－IN 輸入，它專門用于對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣。語音信號(hào)經(jīng)MIC轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由隔直電容隔掉直流成分，然后輸入至SPCE061A 內(nèi)部前置放大器。SPCE061A 內(nèi)部自動(dòng)增益控制電路AGC 能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號(hào)電平，當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，AGC電路自動(dòng)減小放大器的增益；當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí)，AGC 電路自動(dòng)增大放大器的增益，以便使進(jìn)入A/D 的信號(hào)保持在最佳電平，又可使削波減至最小。語音輸入電路如圖3所示。

圖3 語音輸入電路

3.3 時(shí)鐘電路

SPCE061A 時(shí)鐘電路接線圖如圖4 所示，外接晶振采用32 768Hz。32 768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘通常用于鐘表、實(shí)時(shí)時(shí)鐘延時(shí)及其他與時(shí)間有關(guān)的產(chǎn)品，SPCE061A 通過對(duì)32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘源分頻而提供了多種時(shí)鐘中斷源。

圖4 SPCE061A 時(shí)鐘電路

3.4 按鍵部分

本系統(tǒng)中的按鍵部分包括錄音鍵、播放鍵、停止鍵等，其電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 按鍵電路

（1）錄音鍵S1：按下錄音鍵，即可實(shí)現(xiàn)語音錄音。

（2）播放鍵S3：按下播放鍵，語音錄放系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)語音播放，單片機(jī)控制系統(tǒng)取出存儲(chǔ)器中的語音數(shù)據(jù)，再經(jīng)過濾波、放大，通過喇叭輸出原始錄音文件。

（3）停止鍵S2：在播放錄音或語音錄音時(shí)按停止鍵可實(shí)現(xiàn)暫停，通過此按鍵實(shí)現(xiàn)中斷語音的錄、放音。

3.5 濾波放大部分

PWM 輸出后須通過低通濾波器濾波，才能還原成人耳能識(shí)別的聲音。其設(shè)計(jì)電路如圖6所示。

圖6 濾波放大電路

4 軟件設(shè)計(jì)

錄放音的編解碼是靠調(diào)用庫函數(shù)完成的，我們只要完成數(shù)據(jù)的存入和讀出即可。

4.1 按鍵程序

按鍵流程圖如圖7所示。

圖7 按鍵流程圖

4.2 錄、放音程序

錄、放音的程序部分主要任務(wù)是對(duì)HM628128A 進(jìn)行讀寫，對(duì)語音采樣數(shù)據(jù)的編碼處理是通過調(diào)用庫函數(shù)完成的。寫（讀）程序包括初始化和寫（讀）兩部分，下面講解初始化和寫入時(shí)的參數(shù)傳遞過程。錄、放音流程圖如圖8所示。

圖8 錄、放音流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 凌陽單片機(jī)最小系統(tǒng)調(diào)試

驗(yàn)證最小系統(tǒng)是否正常工作主要是看能否進(jìn)行固件下載，DC供電首先確定正常（輸出3.3V），一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)要保證兩個(gè)必要條件：（1）復(fù)位電路工作正常，按芯片要求的信號(hào)進(jìn)行復(fù)位，即復(fù)位腳電壓正常。（2）晶振工作正常，即起振。復(fù)位電路的調(diào)試可以測(cè)量復(fù)位腳上電后的電壓，應(yīng)約為電源供電電壓3.0V 左右；而判斷晶振起振的最好辦法是使用示波器看晶振的兩個(gè)引腳輸出有無波形。

5.2 外圍接口設(shè)備調(diào)試

5.2.1 串口調(diào)試

借助串口調(diào)試助手ScomAssistant進(jìn)行。

5.2.2 鍵盤調(diào)試

鍵盤由3個(gè)鍵組成——錄音鍵、播放鍵、停止鍵，按3個(gè)按鍵看是否起作用。

5.2.3 系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)試

外圍電路調(diào)試完成、軟件調(diào)試成功以后，即可進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試。先將程序燒寫在單片機(jī)內(nèi)，然后調(diào)試。（1）按下錄音鍵，開始錄音；（2）再按下停止鍵，停止錄音；（3）按下播放鍵，開始播放錄音文件，停止播放，看是否達(dá)到要求效果。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于單片機(jī)的語音錄放實(shí)現(xiàn)方案，該設(shè)計(jì)方案電路易于實(shí)現(xiàn)，功能簡(jiǎn)單實(shí)用，可擴(kuò)展性較好，輸出聲音清晰、自然，具有較高的實(shí)用性。

［1］劉學(xué).MP3/MP4 工作原理與流程［J］.家電檢修技術(shù)，2012（4）.

［2］梅栴，劉紀(jì)紅，張振川.一種基于SPCE061A 的機(jī)器人語音交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2005（4）.

［3］鄧記才，張俊安，焦文潭.基于SPCE061A 的大容量數(shù)碼錄音筆設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008（23）.

［4］戴國(guó)安.語音識(shí)別在汽車防盜中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)西部科技，2011（13）.