基于AT89S52和K9F6408UOA的語音數(shù)字系統(tǒng)設計

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

1 方案論證
本設計以數(shù)字化信號的形式對音頻信號進行處理，有以下3種方案可供選擇：
1)直接利用語音芯片進行語音錄放。Winbond公司的ISD系列語音芯片采用了Chip-Corded專利技術，聲音無需A／D轉換和壓縮就可直接存儲，不存在A／D轉換誤差，在一個記錄位(BIT)可存儲多達250級聲音信號，相當于通常A／D技術記錄容量的8倍。片內(nèi)集成了晶體振蕩器、麥克風前置放大器、自動增益控制、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，就可構成一個完整的聲音錄放系統(tǒng)。
2)利用DSP對采樣信號進行處理。DSP是專門為快速實現(xiàn)各種信號處理算法而設計的、具有特殊結構的微處理器，其處理速度遠遠超過一般的CPU。
3)利用AT89S52作為系統(tǒng)主控芯片，利用ADC0809對音頻信號進行采集和A／D轉換，將轉換得到的數(shù)字化音頻信號存儲到擴展的數(shù)據(jù)存儲器中，利用軟件對信號進行數(shù)字濾波，最后通過單片機輸出PWM信號來完成放音。
從經(jīng)濟和技術等因素考慮對上述3種方案進行比較：直接利用語音芯片可以減少很多外圍電路，電路設計方便，但語音芯片使用不夠靈活。DSP具有強大的數(shù)字信號處理功能，使用靈活，但該芯片價格較高，不適于一般的應用。方案3)中器件均為常用芯片，易于獲取，且價位不高。因此，方案3)為最佳設計方案。

2 硬件設計
圖1為系統(tǒng)硬件結構圖。音頻信號通過拾音器將聲音信號轉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行放大，與A／D轉換電路匹配，A／D轉換電路實現(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)字化音頻信號進行處理和存儲，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個部分的工作，輸出PWM波來驅動輸出電路。

2．1 單片機
單片機是系統(tǒng)的控制中心，它主要實現(xiàn)以下的功能：控制LCD顯示語音信號的相關信息，控制按鍵識別和功能選擇；控制音頻數(shù)據(jù)的采集并存儲在Flash ROM，放音時讀取Flash ROM中數(shù)據(jù)，用軟件方法產(chǎn)生PWM脈沖信號，實現(xiàn)語音的存儲和回放。
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換為電信號的裝置。本設計選用麥克風，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轉換電路相連，由于A／D轉換器最小分辨電壓也為毫伏數(shù)量級，會產(chǎn)生很大的誤差，為了保證系統(tǒng)的精度，在和A／D轉換電路相連之前，需串聯(lián)一個放大電路，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，故將其設計為抗共模干擾強的并聯(lián)負反饋放大電路，由于音頻信號的頻寬較大，故選用寬頻帶，低輸出阻抗的雙運放NE5532。
2．3 A／D轉換電路
A／D轉換電路由A／D轉換器ADC0809與系統(tǒng)處理器AT89S52組成，主要實現(xiàn)對放大后的聲音信號進行采樣。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轉換。啟動A／D轉換只需要一條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的地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。ADC0 809的轉換結束信號EOC取反后與AT89S52的相連，采用中斷方式讀取A／D轉換結果，并啟動下一次A／D轉換。也可定時啟動A／D轉換，并讀取上次轉換結果。
2．4 聲音編碼存儲電路
在采樣時每一采樣點都會產(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，則所需的存儲空間為7．031 25 MB，故系統(tǒng)選用8 MB的Flash存儲器K9F6408U0A，由于該存儲器的地址線和數(shù)據(jù)線可復用，這樣可節(jié)省I／O接口。K9F6408UOA的最大優(yōu)點在于其命令、數(shù)據(jù)和地址均可通過8條I／O接口線與主控制器進行通信，大大簡化了系統(tǒng)的連線，增強了系統(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，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：寫保護口，低電平有效，當其為低時，編程擦除操作禁止；7)R／B：操作狀態(tài)指示信號。為低時，表示正在編程、擦除或讀操作，操作結束后變高。利用上述控制線，從而方便實現(xiàn)系統(tǒng)主控制器對K9F6 408U0A的控制。AT89S52單片機與K9F6408UOA存儲接口電路如圖3所示。