一種嵌入式數(shù)字語(yǔ)音錄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展， 公安、鐵路、民航、金融等部門對(duì)語(yǔ)音記錄的需求不斷增長(zhǎng)。把語(yǔ)音生成技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)應(yīng)答系統(tǒng)、多媒體查詢系統(tǒng)、智能化儀表、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)或家用電氣產(chǎn)品中， 使它們具有語(yǔ)音輸出功能， 使之能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用語(yǔ)音實(shí)時(shí)報(bào)告系統(tǒng)的工作狀態(tài)、警告信息、提示信息或相關(guān)的解釋說(shuō)明等， 無(wú)疑在提高人機(jī)通信能力、減少對(duì)錯(cuò)誤處理的遺漏、提高系統(tǒng)性能、減輕人們的工作強(qiáng)度等方面都有極大的好處。

數(shù)字錄音系統(tǒng)是將現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)， 然后存儲(chǔ)在一定的存儲(chǔ)介質(zhì)上的一種錄音方式， 它也是數(shù)字語(yǔ)音處理技術(shù)中常用的一種方式。采用嵌入式數(shù)字錄音技術(shù)具有較高的效率和自動(dòng)化程度， 而且錄音時(shí)間長(zhǎng)， 并可將信息長(zhǎng)期保存于存儲(chǔ)介質(zhì)中， 同時(shí)對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行編輯整理非常方便， 并可快速查找。

數(shù)字錄音系統(tǒng)具有PC機(jī)實(shí)現(xiàn)和嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩種方式。使用PC機(jī)由于其體積龐大， 耗電高， 造價(jià)也高， 并且在某些情況下， 系統(tǒng)的穩(wěn)定性得不到保證， 所以用PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能和操作， 就會(huì)受到一定的限制。而嵌入式系統(tǒng)則具有體積小、供電方便、造價(jià)低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

1 總體硬件方案

本系統(tǒng)采用包含有A/D與D/A電路的語(yǔ)音芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換， 而不需要再另外設(shè)計(jì)專門的A/D與D/A變換電路。在語(yǔ)音信號(hào)從駐極體*進(jìn)入通用單片機(jī)之前， 通常應(yīng)該進(jìn)行信號(hào)的放大和濾波處理， 所以， 應(yīng)有相應(yīng)的輸入電路和器件； 同樣， 在放音的時(shí)候， 在信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A變換后， 也要經(jīng)過(guò)濾波和放大處理，最后通過(guò)揚(yáng)聲器將語(yǔ)音播放出來(lái)。另外， 本系統(tǒng)還可以從外部播放設(shè)備接收已有的語(yǔ)言信號(hào)， 并將語(yǔ)音信號(hào)存儲(chǔ)在語(yǔ)言芯片中， 然后在播放時(shí)將語(yǔ)音信號(hào)直接傳送到外部功放設(shè)備以達(dá)到更大輸出功率， 從而加強(qiáng)了本系統(tǒng)的兼容性、可擴(kuò)展性和嵌入性。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

為了實(shí)現(xiàn)更多的功能， 本系統(tǒng)加入了其他外圍硬件設(shè)備， 其擴(kuò)展功能模塊及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)擴(kuò)展有兩個(gè)可選的液晶顯示器LCD1602 和LCD12864， 而最終采用的LCD1602液晶顯示器的特點(diǎn)是體積小， 功耗低，具有背光功能， 采用通用接口芯片， 兼容性高。

時(shí)鐘芯片DS1302則是具有串行輸入輸出高性能的通用時(shí)鐘芯片。測(cè)溫芯片DS1820體積小， 并可用數(shù)據(jù)線供電， 同時(shí)具有獨(dú)特的單線口(只需一個(gè)接口引腳即可通訊) 是其最大特點(diǎn)。存儲(chǔ)器AT24C02， 采用串口通訊技術(shù)， 可三位尋址。系統(tǒng)中的紅外接收放大頭可接收通用遙控器的命令， 用于實(shí)現(xiàn)短距離控制和數(shù)據(jù)采集功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要用于控制和協(xié)調(diào)單片機(jī)及外部設(shè)備， 是無(wú)需用戶干預(yù)的各種程序的集合， 它的主要功能是調(diào)度、監(jiān)控和維護(hù)系統(tǒng)； 負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中各種獨(dú)立的硬件， 使得它們可以協(xié)調(diào)工作。

系統(tǒng)軟件可使使用者或其他系統(tǒng)將其當(dāng)作一個(gè)整體而不需要顧及到底層每個(gè)硬件是如何工作的。

下面介紹本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)依賴于軟硬件的協(xié)同工作。

軟件開發(fā)工作可由單片機(jī)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。它能實(shí)現(xiàn)錄/放音、中斷放音、停止錄音、讀取參數(shù)等功能。

單片機(jī)控制軟件采用循環(huán)查詢方式， 即各種操作都有一個(gè)按鍵控制， 系統(tǒng)會(huì)循環(huán)檢查按鍵值(SW1～SW6)， 若發(fā)現(xiàn)某按鍵置0， 即執(zhí)行相應(yīng)的操作， 若有按鍵同時(shí)置0， 則按照程序的順序先后執(zhí)行。圖2所示是本系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖2 主程序流程圖

2.2 中斷子程序

在單片機(jī)工作的同時(shí)， 不論是錄音還是放音， 系統(tǒng)都要完成三個(gè)過(guò)程的處理， 其目的是提高系統(tǒng)的處理能力。中斷程序是在微觀上的順序執(zhí)行， 但在宏觀上是并行執(zhí)行的。

軟件程序首先是初始化， 即進(jìn)行開中斷準(zhǔn)備工作。然后是定時(shí)器開始定時(shí)中斷， 即在單片機(jī)運(yùn)行一個(gè)機(jī)器周期后， 片內(nèi)中斷存儲(chǔ)器自動(dòng)加1，直至存儲(chǔ)器溢出后， 中斷標(biāo)志位置1， 單片機(jī)在下一個(gè)機(jī)器周期里響應(yīng)中斷子程序， 最后， 中斷子程序結(jié)束， 返回中斷前的主程序繼續(xù)運(yùn)行， 程序又開始等待下一次中斷。循環(huán)中斷子程序的工作流程如圖3所示。

圖3 循環(huán)中斷處理子程序流程圖

2.3 錄音和放音子程序

錄音初始化首先會(huì)通過(guò)查找系統(tǒng)參數(shù)找到錄音區(qū)的空白塊和空白頁(yè)的起始地址， 語(yǔ)音文件的數(shù)據(jù)就從該地址開始存儲(chǔ)； 同時(shí)讀出最大錄音時(shí)間和長(zhǎng)度， 這兩個(gè)參數(shù)是用來(lái)自行停止錄音的。

當(dāng)沒有收到錄音結(jié)束的命令時(shí)， 如超過(guò)最大時(shí)間或長(zhǎng)度， 錄音即自行停止。讀出這兩個(gè)參數(shù)后，先打開控制A/D變換速率的定時(shí)器， 然后再打開A/D變換操作。圖4所示是錄音子程序流程圖。

錄音結(jié)束后， 首先停止當(dāng)前操作， 然后語(yǔ)音芯片掉電待命； 最后返回主程序繼續(xù)運(yùn)行。

放音初始化主要是根據(jù)輸入語(yǔ)音文件所在起始?jí)K的地址， 從指定地址開始發(fā)出放音命令， 接著再發(fā)送從當(dāng)前地址開始的放音命令直到播完(EOM) 或存儲(chǔ)器末尾為止(OVF)； 若按下STOP鍵， 則可直接停止放音并返回主程序。其放音子程序流程圖如圖5所示。

圖4 錄音子程序流程圖 圖5 放音子程序流程圖。

3 PCB板設(shè)計(jì)

電路圖設(shè)計(jì)完成后， 即可進(jìn)行PCB板的制作。本項(xiàng)目中用Protel99SE軟件進(jìn)行版圖繪制，設(shè)計(jì)中充分考慮了電磁兼容等問(wèn)題。圖6所示是本系統(tǒng)的PCB的制作版圖。

圖6 PCB的制作版圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足高端用戶的需求， 本系統(tǒng)的硬件還可以進(jìn)行升級(jí)， 也可選用其他的40腳直插的單片機(jī)AT89C52、AT89S52、AT89C53、AT89S53、STC89S51、STC89S52、STC89S53等； 對(duì)于現(xiàn)今的語(yǔ)音芯片而言ISD4003、ISD4004都是可選的；升級(jí)存儲(chǔ)器也是本系統(tǒng)的一個(gè)亮點(diǎn)， 系統(tǒng)可使原有2K 字節(jié)的存儲(chǔ)器升級(jí)為4KB、8KB、64KB、128KB， 甚至還可以達(dá)到幾兆的特定容量。所有可替換的元件都具有較好的兼容性， 可滿足各類場(chǎng)合下的應(yīng)用要求。