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1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程学院毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1 课题研究目的及意义随着近几年电子技术的不断更新与发展，越来越多的录音系统产品从传统的模拟信号方式逐渐转变成了数字信号的方式，并采用了工作方式更为先进的数字信号处理技术。录音系统主要作为一款用于收集语言信号的装置，在采集音频信号方面得到了广泛的使用。在目前市面上，录音系统通常只有几个比较单一的功能，主要包括录音、存储、回放以及监听等，因此市面上销售的录音系统通常不能满足野外生物的保护上，没有远程监控的功能性要求，并且这些录音系统还不能用于一些特殊人员对录音信号的加密保护。因此对采集的语音信息进行安全性的保护以及对信号的可控
2、性，这两个内容已经逐渐成为了新一代录音系统的研究方向。在音频信号的处理过程中主要包括三个阶段，分别是音频信号的采样和量化以及编码。由于采用数字信号处理技术具有抗外界干扰强，信号处理范围广，持续工作的稳定性高，同时还能对数据进行压缩等优点。在数字录音系统中，语言信号是信息处理的基础，信号额传输与存储都不能离开控制器的存在，因此系统在正常的工作状态中时，会出现很多的信号收到外界干扰信号的影响，这样就容易导致信号收到外界信号的威胁，由此就使得数字化签名的发展、数字加密身份的验证以及音频信号的加密处理等高科技技术，尤其近些年出现的数据加密处理技术使得新型的录音系统得到了广泛的使用，为高保密性的语音信号
3、提供了安全性的解决思路。与此同时随着我国的高集成电路技术的快速发展，在一个集成电路芯片上可以将中央处理器、随机存储器、定时器、flash存储器以及输入/输出接口集成在内，这样的高度集成的电子芯片，我们称之为单片机。由于单片机的在很多的控制领域得到了广泛的运用，到了20世纪的七十年代，单片机发展到了新一代的80C51、M68HC11系类，在这些系类的单片机内，扩展了许多的控制功能，包括内部的模数转换器、脉冲宽度调制发生器、数模转换器、高速输入/输出接口以及UART串口通信模块等，在很大的程度上已经突破了微型计算机的传统概念。在1976年，国际上的Intel公司第一个推出MCS48系列的单片机，这
4、款单片机具有体积小，功能丰富，成本低等特点，赢得了广泛的使用，它为后来的单片机发展奠定了重要的基础。直到现在，单片机在现代生活中运用的越来越广泛，几乎在所有的方面中都有它的存在，开发者可以利用单片机实现自动控制，数据处理等功能。无线射频通信技术和高集成电路处理技术的不断成熟，促进了人们在许多的生产方式上以及生活节奏上带来了巨大的便利，无线射频通信技术同时也在自动控制生产方面也具有巨大的推动力量，无线射频通信技术的使用在很大的程度上增加了通信技术的运用范围。因此，在本文的研究中提出了一种基于单片机的录音系统设计方案，采用单片机进行控制，能够进行对音频信号的录制，同时还可以将录制的音频信号进行播放
5、，配有按键输入模块以方便操作人员对系统进行调节，最终实现对音频信号的智能化控制。 1.2 课题目前研究现状 从古至今，声音就是我们进行传递信息的媒介，用于沟通的桥梁，它的出现使我们的生活得到了许多的便利，因此它的重要性不言而喻。近年来随着高科技技术的不断成熟与发展，我们可以在生活中看到各种各样的音频信号录音设备，这些设备通常都具有录制音频信号的功能，随着技术的不断更新，音频设备录音系统也随之不断的进行升级。市面上我们看到的一般的数字音频录音设备，这些产品通常采用较为简单的方式来实现语音信号的采集、包括信号的存储以及后期对音频信号的播放，同时具有较为完善的功能，可以在最大的程度上保证输出的音频信
6、号不失真，最大可能的还原先前的信号，但是对于录制较为复杂音频信号，则需要功能较为完善的语音系统，因此可以利用存储信息大的硬盘来实现对信号的存储，而对于小型的录音系统设备，由于存在存储空间有限的缺陷，其应用的范围较窄。英国的发明家爱迪生在上个世纪的70年代末期研制出了世界上的第一个可以录制音频信号的机械式留声机，该仪器的研制代表着人类实现了对音频信号进行收集并播放的设备的研制成功，之后在爱迪生的研制基础上，人类对音频信号的处理技术得到了巨大的发展，取得了很多的成果，这些技术都为现代的数字化音频系统的研制提供了新的发展基础。现代研究人员对音频信号的收集和处理，已经开始从最开始使用的简单波形编码方式
7、逐渐转变为采用数字化信号的编码和压缩方式，这样的数据处理方式在很大的基础上减少了更多的存储数据。例如，原始的音频信号通常是直接采用8KHz的采样率进行抽样，再利用16bits的线性编码的方式进行音频信号的采集，通常录音系统就直接将收集到的语音信号进行存储的操作，而若是在录音系统中采用压缩的方式对采集到音频信号进行处理，使音频数据进行压缩，这样就可以大大减少系统的存储量，而如果需要恢复音频信号时，系统利用编码后合成的方式，将输出的语音信号达到不失真的结果。近年来，我国的高科技技术也得到了巨大的发展，其中对语音系统的研究也取得了很大的成绩，在市面上就已经有很多我国自主研发的录音系统，这些系统通常都
8、是采用我国自主设计的语音芯片，这些独特的语音芯片内部集成了音频信号处理的能力，在一些单片机控制器的内部就逐渐开始集成了一些简单的音频信号处理功能，所以这些单片机在处理音频信号方面存在独特的优势。在国外的录音系统的研制上，美国生产的ISD音频信号处理芯片是全球最为典型的音频信号处理芯片，该芯片主要的功能是实现模拟量的音频信号在半导体的存储器上进行储存的技术，即实现音频模拟信号写入数字的存储单元中，该处理过程通常不需要采用模数转换器和数模转换器进行数据的转换，可以很真实播放出录制到的音频信号，避免了音频信号在量化及压缩的过程中产生失真的现象。在国内外音频信号处理技术的运用已经开始进入一个较为成熟阶
9、段中，并广泛的运用在各种音频产品以及工业化产品的许多方面。1.3 本文主要研究内容本文主要设计的是基于单片机的录音系统，该录音系统主要由单片机控制器模块，ISD4004语音采集与播放单元，按键输入单元，单片机与计算机串口通信单元和稳压电源供电单元组成。系统通过利用单片机技术实现对整个录音系统的控制，并利用语音芯片ISD4004实现语音的采集与播放，同时串口通信电路可以实现单片机与计算机之间的通信，实现程度代码的下载，按键输入单元可实现人员对系统的操作。本文共有5章，各章节主要内容如下。第1章 绪论部分，主要介绍本设计的目的、意义，以及研究现状及发展趋势。第2章 总体方案设计部分，介绍了系统的要
10、求与性能指标、系统整体的结构框图。第3章 硬件电路设计，对整个系统的硬件系统进行详细的介绍。第4章 软件设计部分对系统的软件设计方法进行了介绍。第5章 结束语对全文进行了总结，并提出了将来的改进方向。第2章 总体设计方案2.1 系统总体实施方案下图2-1就是本次设计的基于单片机的录音系统设计框图，从下图中我们可以看出，最终的基于单片机的录音系统是由单片机处理器单元、ISD4004语音芯片控制下的录音和语音播报单元，键盘输入单元，单片机与计算机串口通信单元和电源供电单元组成。图2-1 基于单片机的录音系统总体设计框图从上图中可以看出，该方案是通过利用单片机控制器作为本次设计的主控制器单元，通过利
11、用语音芯片ISD4004实现对语音信号的录音以及语音信号的播放，同时当单片机检测到有键盘被按下时，单片机将执行键盘被按下所对应的程序，从而实现操作人员对录音系统的控制，串口通信模块单元是将计算机终端与单片机处理器进行数据的连接，起到数据的传输以及程序下载的功能，电源供电模块为整个系统提供电能，用于保证系统的正常运行。2.2 各模块的选型分析2.2.1 控制器的选择在录音系统的设计中，主控器的选择通常有以下几种选择方式。第一，在现阶段的部分企业采用的是DSP控制器作为录音系统的主要的控制器，DSP控制器是现场可编程门阵列，该控制器是在PAL和GAL以及CPLD等可编程控制器器件的基础上进一步发展
12、的产物，它是作为专用集成电路的领域中的一种半定制电路而出现的，既可以达到解决了定制电路的不足，还能克服原有可编程器件门电路数有限的缺点。但是由于DSP控制器在价格方面偏高，而且需要配套外置的模拟数字转换功能模块才能实现对外界信号的采集和识别，从而进一步增加了设计成本，因此在本文的设计中采用该控制器没有绝对的优势。因此，在本文录音系统的设计中以DSP控制器作为主控制器不是最佳的选择。其二，通过利用模拟分立元件进行电路的搭接的方式进行录音系统的设计，例如利用电容、电感、电阻晶体管等非线形无源元件组成的智能控制电路，采用这个方案会使得设计电路较为繁琐，而且利用分立元件数量将会很多，使得操作起来不是特
13、别方便，并且从整体上会使得成本较高，与此同时，这种设计方式还存在元件分散性大等缺点，导致在集成数字化时显得很不方便，容易导致测量误差的出现。因此，该方案同样不是最好的选择。其三，采用单片机STC89C52RC作为本次设计的控制器。在21世纪初，该单片机宏晶科技半导体公司推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，单片机的指令代码和传统的8051单片机系类完全兼容，同时，该单片机内部所含有的硬件资源与传统的8051单片机基本是相一致的，而且该单片机是属于8051单片机系列中最为典型的代表，同时具有易于获得的特点，我们在电子市场都可以买到而且价格合理，适合学生使用，在编程上可以采用汇编语言或者是
14、C语言进行操作，由于这些语言在大学里基本都有学习研究过，从而使得我们用起来很方便。所以综合考虑，本次设计主控制器选择STC89C52RC单片机将是最好的选择。在主控制器确定好之后，因为在录音系统中主要包括ISD4004语音信号采集与播放单元，键盘输入单元以及单片机与计算机串口通信单元组成，由于这些都是建立在单片机最小控制系统的基础上,通过选择此款单片机可以完全可以满足语音信息的采集和语音信号的播放和单片机与计算机通信以及数据处理等方面的要求。2.2.2 语音芯片的选择在本次的设计中，我们可以选择语音芯片ISD4004来实现语音信号的采集与播放。美国ISD公司在21世纪推出了ISD系列的音频信号
15、处理芯片产品。该系列语音芯片采用多电平模拟存储专利技术，因此可以使得声音信号不需要模数转换和解码，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，没有模数转换误差，使采集到的语音信号能够真实及自然地再现语音和音乐及效果声。避免了一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声。下图2-2是ISD4004语音芯片的实物图。图2-2 ISD4004实物图ISD4004语音芯片采用CMOS技术，其内部含有晶体振荡器和防混叠滤波器以及平滑滤波器和自动静噪与音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等，在硬件电路的设计过程中只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。2.2.3 电源芯片的选型在本文电源的设
16、计部分，采用LM2940作为本次设计的电源稳压芯片。LM2940三端稳压器是一款能固定电压输出的低压差稳压器，其中它经过稳压之后的电压输出为+5V，同时最高电流输出可达1A，并且当该稳压器在输出电流为1A时，它的输入输出电压差小于0.8V。该稳压器的最大输入电压可达+26V，工作温度在-40+125以内，同时其内部包含静态电流降低电路和电流限制功能以及过热保护和电池反接及反插入保护电路。LM2940稳压器在使用的过程中，其外围电路的设计简单，用少的元器件就可以实现电路的功能，在规定的输入电压和输出负载的条件下，稳压器的输出电压误差在2以内，内部振荡器的振荡频率误差在8之间，典型的待机电流值为50A。2.3 本章小结本章的内容主要对基于单片机的录音系统的总体设计方案方面进行了介绍，该录音系统主要由
