基于AT89S52和K9F6408UOA的语音数字系统设计

数据采集技术涉及领域广，采集信号的动态范围宽，处理数据量大，对系统实时性能要求高。以数字信号的形式对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。本设计利用了数字电路的这些优点，对传统的模拟录音电路进行了改进，以较低的成本使性能得到了提高。

1 方案论证
    本设计以数字化信号的形式对音频信号进行处理，有以下3种方案可供选择：
    1)直接利用语音芯片进行语音录放。Winbond公司的ISD系列语音芯片采用了Chip-Corded专利技术，声音无需A／D转换和压缩就可直接存储，不存在A／D转换误差，在一个记录位(BIT)可存储多达250级声音信号，相当于通常A／D技术记录容量的8倍。片内集成了晶体振荡器、麦克风前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、平滑滤波器、声音功率放大器等，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)利用DSP对采样信号进行处理。DSP是专门为快速实现各种信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器，其处理速度远远超过一般的CPU。
    3)利用AT89S52作为系统主控芯片，利用ADC0809对音频信号进行采集和A／D转换，将转换得到的数字化音频信号存储到扩展的数据存储器中，利用软件对信号进行数字滤波，最后通过单片机输出PWM信号来完成放音。
    从经济和技术等因素考虑对上述3种方案进行比较：直接利用语音芯片可以减少很多外围电路，电路设计方便，但语音芯片使用不够灵活。DSP具有强大的数字信号处理功能，使用灵活，但该芯片价格较高，不适于一般的应用。方案3)中器件均为常用芯片，易于获取，且价位不高。因此，方案3)为最佳设计方案。

2 硬件设计
    图1为系统硬件结构图。音频信号通过拾音器将声音信号转换为可以处理的电信号，前置放大电路用来对拾音器的输出进行放大，与A／D转换电路匹配，A／D转换电路实现对模拟信号的编码。微处理器是系统的核心，它用来对数字化音频信号进行处理和存储，协调系统各个部分的工作，输出PWM波来驱动输出电路。

2．1 单片机
    单片机是系统的控制中心，它主要实现以下的功能：控制LCD显示语音信号的相关信息，控制按键识别和功能选择；控制音频数据的采集并存储在Flash ROM，放音时读取Flash ROM中数据，用软件方法产生PWM脉冲信号，实现语音的存储和回放。
2．2 声音信号拾取、放大电路
    声音信号拾取电路就是将声音信号转换为电信号的装置。本设计选用麦克风，它是一种声敏电阻，其阻值随外界声音信号的变化而变化，将其串联在电路中，电阻的变化形成电压的变化，经过电容通交隔直，就得到了表征声音信号特征的电信号。
    然而由于声音信号拾取电路输出电压的幅值很小，为20～25 mV，若将该信号直接与A／D转换电路相连，由于A／D转换器最小分辨电压也为毫伏数量级，会产生很大的误差，为了保证系统的精度，在和A／D转换电路相连之前，需串联一个放大电路，考虑到声音信号拾取电路的输出信号很小，放大电路的失真度和噪声对系统的精度影响最大，故将其设计为抗共模干扰强的并联负反馈放大电路，由于音频信号的频宽较大，故选用宽频带，低输出阻抗的双运放NE5532。
2．3 A／D转换电路
    A／D转换电路由A／D转换器ADC0809与系统处理器AT89S52组成，主要实现对放大后的声音信号进行采样。ADC0809与AT89S52的电路连接如图2所示。

    从图2中可以看到，把ADC0809的ALE信号与START信号接在一起，这样可使得在信号的前沿写入(锁存)通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。启动A／D转换只需要一条P2．7=0指令。在此之前，要将P2．7清零并将最低3位与所选的通道对应的地址送入数据指针DPTR中。ADC0 809的转换结束信号EOC取反后与AT89S52的相连，采用中断方式读取A／D转换结果，并启动下一次A／D转换。也可定时启动A／D转换，并读取上次转换结果。
2．4 声音编码存储电路
    在采样时每一采样点都会产生1字节的数字编码信号，由于采样的频率为8 kHz，若录音15 min，则所需的存储空间为7．031 25 MB，故系统选用8 MB的Flash存储器K9F6408U0A，由于该存储器的地址线和数据线可复用，这样可节省I／O接口。K9F6408UOA的最大优点在于其命令、数据和地址均可通过8条I／O接口线与主控制器进行通信，大大简化了系统的连线，增强了系统的稳定性。除8条I／O接口线外，K9F6408 UOA还包括以下控制线，1)CLE：命令锁存使能端，高电平有效。在信号的上升沿，命令信号可通过I／O口锁入命令寄存器；2)ALE：地址锁存使能端，高电平有效。在信号的上升沿，地址信号可通过I／O口锁入地址寄存器；3)：片选线，低电平有效。在页编程或块擦除操作期间或器件处于忙状态时，高电平将被忽略，4)：写使能口，命令、地址和数据在信号的上升沿被锁定；5)：读使能口，在该口的下降沿将数据送到I／0口线上，并使内部列地址寄存器加1；6)WP：写保护口，低电平有效，当其为低时，编程擦除操作禁止；7)R／B：操作状态指示信号。为低时，表示正在编程、擦除或读操作，操作结束后变高。利用上述控制线，从而方便实现系统主控制器对K9F6 408U0A的控制。AT89S52单片机与K9F6408UOA存储接口电路如图3所示。

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2．5 PWM输出电路
    本设计采用单片机输出PWM信号驱动音频放大电路，PWM输出电路如图4所示。PWM是一种利用微处理器的数字输出控制模拟电路的有效技术，对一系列脉冲的宽度进行调制，等效获得所需波形，并且由于没有使用D／A转换器，系统成本减少很多。PWM的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行D／A转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。此外PWM信号很容易通过MCU的软件进行控制，即使电路稍微有些系统误差，易于通过软件进行校正。

    图4中，利用单片机的P1．7引脚输出一定宽度的PWM信号，通过三极管整形后，作用在惯性环节上，得到的输出信号PWMOUT将作用在音频功放电路上，还原为声音。
2．6 音频功率放大电路
    为了使系统有足够大的输出，驱动扬声器发声，便于调节音量，在PWM输出电路后使用了音频信号功率放大器LM386构建功率放大电路，如图5所示。

    LM386型音频功率放大器主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在其引脚1和8之间外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6 V电源电压下，其静态功耗仅为24 mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。PWMOUT为PWM输出电路的输出，扬声器为8 Ω，0．5 W。经过调试发现将电源+5 V用10μF和0．1μF的电容滤波后，会减小很多噪声，效果较好。

3 系统软件设计
    系统具有录音、放音、暂停、清除存储内容等功能，各种功能由按键来选择，系统首先扫描各个按键的状态，如果有按键按下，就转往相应的处理程序，系统程序流程如图6所示。

3．1 系统初始化程序
    系统初始化程序主要对单片机中断、定时器、LCD初始化、键盘、PWM、K9F6408UOA存储接口，以及ADC0809地址、程序中要用到的各个变量进行设置。
3．2 按键扫描程序
    由于录音和暂停是由和外部中断引脚相连的2个按键来设置，一旦按键按下就进入录音或放音程序，所以按键扫描程序用于扫描放音键和清除键是否按下。
3．3 录音程序
    与外部中断O相连的按键按下，则进入录音程序。
    录音过程实质上是启动ADC0809对模拟音频信号进行采样，并将A／D转换结果存储到外围数据存储器中的过程，故其主要包含对ADC0809进行读取，对外围数据存储器进行写入两个部分。
    提取声音数据时，要注意采样频率、采样位数、存储容量与存储时间的关系，通常8 kHz的采样频率和8位的采样位数可获得清晰的语音以及较好的音乐声，并且占有较少的存储空间。
    以8 kHz的采样频率启动ADC0809，并读取上次采样结果，写到外扩Flash存储器的代码片段如下：
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3．4 放音程序
    若P1．O按下，则执行放音程序。放音过程实质上是读取外围数据存储器中的数据，将其转化为一定宽度的PWM波，进行输出的过程。读取K9F6408UOA的子函数如下：
     
  
    产生PWM波形的步骤：1)设置定时器，产生定时中断，若采样率为11．025 kHz，则设置定时器的定时中断频率为11．025 kHz；2)初始化PWM模块，产生11．025 kHz的PWM波形；3)等待定时器中断，在中断处理程序中取采样数据，并设置PWM占空比寄存器，判断声音是否播放完成。若完成，则关定时器中断，并停止PWM输出。
3．5 暂停程序
    在录音过程中，如果需要暂时停止录音可以按下暂停键进入暂停状态，再次按下暂停键可以返回暂停以前的状态。程序中设置了一个变量来指示现在是应该暂停还是恢复。
3．6 存储器内容清除程序
    当存储器内容已满，而又需要录音时，可以按下清除按键，清除一定容量的内容，供用户再次使用。
    擦除：以块为单位进行擦除。代码片段如下。

   

4 调试注意事项
    系统进行调试时，应注意以下方面：
    1)由于在PCM(Pulse Code Modulation)编码及DPCM编码模式下都要采用8 kHz的采样率，所以，每次压缩中断服务程序必须在不超过125 μs的时间内完成，因此，压缩录音处理程序的代码必须进行最大可能的优化，以减少程序执行时间，以免采样和数据处理或信息显示发生冲突，也可避免在中断采样时造成采样点的丢失。
    2)在选择ADC0809的时钟时，经典选择是640 kHz左右，最初选择将单片机的ALE端4分频后作为ADC0809的时钟信号，但发现影响了LCD的输出显示。将ALE改为2分频后(用1 M触发)作为ADC0809的时钟信号，问题得到解决。
    3)使用MAX813L复位芯片替代RC复位电路，使电路可靠复位．结合软件监控实现看门狗功能。
    4)当采样频率为8 kHz，字长为8位时，存储语言时长超过15 min，回放语音质量良好。

5 结束语
    利用K9F6408UOA 8 MB NAND Flash存储器和单片机PWM功能可为单片机的应用增加语音功能。对声音采样数据的存储方式是用直接的、原始的采样数据。在具体的实际应用中，可选用内嵌A／D转换器的STC12C5A08AD，可省去外扩ADC0809，使电路更简洁。创新之处在于不使用专用的语音芯片，实现使单片机应用系统语音的存储与回放。