基于AT89S52和K9F6408UOA的語音數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

1 方案論證
本設(shè)計(jì)以數(shù)字化信號的形式對音頻信號進(jìn)行處理，有以下3種方案可供選擇：
1)直接利用語音芯片進(jìn)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(chǔ)，不存在A／D轉(zhuǎn)換誤差，在一個(gè)記錄位(BIT)可存儲(chǔ)多達(dá)250級聲音信號，相當(dāng)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(fēng)前置放大器、自動(dòng)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(gè)完整的聲音錄放系統(tǒng)。
2)利用DSP對采樣信號進(jìn)行處理。DSP是專門為快速實(shí)現(xiàn)各種信號處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，其處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìn)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(chǔ)到擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，利用軟件對信號進(jìn)行數(shù)字濾波，最后通過單片機(jī)輸出PWM信號來完成放音。
從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等因素考慮對上述3種方案進(jìn)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(jì)方便，但語音芯片使用不夠靈活。DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號處理功能，使用靈活，但該芯片價(jià)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(jià)位不高。因此，方案3)為最佳設(shè)計(jì)方案。

2 硬件設(shè)計(jì)
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(jìn)行放大，與A／D轉(zhuǎn)換電路匹配，A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)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(jìn)行處理和存儲(chǔ)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)部分的工作，輸出PWM波來驅(qū)動(dòng)輸出電路。

2．1 單片機(jī)
單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，它主要實(shí)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(chǔ)在Flash ROM，放音時(shí)讀取Flash ROM中數(shù)據(jù)，用軟件方法產(chǎn)生PWM脈沖信號，實(shí)現(xiàn)語音的存儲(chǔ)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(jì)選用麥克風(fēng)，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(huì)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(gè)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(jì)為抗共模干擾強(qiáng)的并聯(lián)負(fù)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對放大后的聲音信號進(jìn)行采樣。ADC0809與AT89S52的電路連接如圖2所示。

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(dòng)轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)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。ADC0 809的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC取反后與AT89S52的相連，采用中斷方式讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動(dòng)下一次A／D轉(zhuǎn)換。也可定時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，并讀取上次轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2．4 聲音編碼存儲(chǔ)電路
在采樣時(shí)每一采樣點(diǎn)都會(huì)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(chǔ)空間為7．031 25 MB，故系統(tǒng)選用8 MB的Flash存儲(chǔ)器K9F6408U0A，由于該存儲(chǔ)器的地址線和數(shù)據(jù)線可復(fù)用，這樣可節(jié)省I／O接口。K9F6408UOA的最大優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行通信，大大簡化了系統(tǒng)的連線，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除8條I／O接口線外，K9F6408 UOA還包括以下控制線，1)CLE：命令鎖存使能端，高電平有效。在信號的上升沿，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。在信號的上升沿，地址信號可通過I／O口鎖入地址寄存器；3)：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(shí)，高電平將被忽略，4)：寫使能口，命令、地址和數(shù)據(jù)在信號的上升沿被鎖定；5)：讀使能口，在該口的下降沿將數(shù)據(jù)送到I／0口線上，并使內(nèi)部列地址寄存器加1；6)WP：寫保護(hù)口，低電平有效，當(dāng)其為低時(shí)，編程擦除操作禁止；7)R／B：操作狀態(tài)指示信號。為低時(shí)，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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主控制器對K9F6 408U0A的控制。AT89S52單片機(jī)與K9F6408UOA存儲(chǔ)接口電路如圖3所示。