基于单片机的语音播报器设计
P1 锁存器
P3 锁存器
程序地址 寄存器
缓冲器 PC 增 1
PC DPTR
OSC
P1 驱动器
P3 驱动器
XTAL1
XTAL2
P1.0~P1.7
P3.0~P3.7
图 2.2 AT89C51 单片机内部原理图
2.3 语音芯片的选取
目前市场流行的语音芯片有很多,从性价比的角度来考虑,美国 ISD 公司的
ISD 系列语音芯片可谓是一只独秀。ISD 系列语音芯片具有以下优点:
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26 XC LK
AN A IN 20
21 AN A OU T
17 M IC
18 M IC REF
19 AG C
内部时钟 定时器
模拟输入 放大器
防混淆滤波器
前置 放大器
自动 增益控 制
(AG C)
解码器
采样时钟
模拟收发器
480K
2、怕断电且语声保存需要很小的电流的语声 IC。像一些录音贺卡,这种语声 IC 以 SRAM 静态存储器 IC 为介质,断电时保存的数码语声即丢失,但维持保存的 工作电流很小,通常只有几微安,在录音贺卡等录音礼品中常将几粒扣式电池嵌入 到产品中, 这样可以保存录音几个月甚至一年多。特点是只用很小的电力就可以较 长期保存语声。由于 SRAM 的需求量很小,其价格比 DRAM 要高得多,现在甚至比下 面要提到的 FLASHRAM 还要高了,这类产品目前只存在于20秒录音以下的品种中, 多数就是做录音贺卡用,已经没有多少发展前景了。
语音是人类最自然、方便、快捷的交流方式,让人和机器能够通过自然语音进 行交流是人们长期以来的梦想。随着单片机的技术的日益发展,人们已经不再满足 于键盘输入,屏显输出这样传统的输入/输出方式,希望拥有更友好的人机界面, 更便捷的操作方式。具有语音功能的单片机系统于是应运而生,而且得到了广泛的 应用。近年来计算机在各行业的日益普及应用,给各行业带来了崭新的面貌。与此 同时用户逐步对各种计算机应用系统提出了更高的要求 ,他们希望自己的系统有 更高的自动化程度和更方便的人机界面。语音技术的进展给这种应用需要提供了一 种有力的技术支持,逐渐被广大用户所接受,并广泛用于各种需要语音响应的场合。 智能仪器、仪表、监控设备、工业控制系统等都有这种需求。所以研究语音播报器 对生产,生活都有极其重要的意义[2]。 1.2 本课题的技术现状
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2 总体方案设计
2.1 总体设计方案 为了实现语音播报所需的功能,即按下开始键,启动录音,松开开始键,结束
录音。结束录音后,循环播放所录音。而且为了使语音播报器的音质好, 功能强, 实 验运行效果较好,使用起来也很简单。所以本设计采用的设计框图如图 2.1 所示:
·采用模拟量数据存储在半导体存储器直接存储的专利技术,即将模拟量
数据直接写入单个存储单元,不需要经过 A/D,D/A 转换。
·内部集成了大容量的的 EEPROM,不再需要扩展存储器。
·控制简单,控制引脚与 TTL 电平兼容。
·集成度高,使用方便。
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中北大学 信息商务学院 2009 届毕业设计说明书 ·能较好的真时再现语音的自然效果,避免了一搬固体语音电路的因为量 化和压缩所造成的量化噪声和失真现象[6]。 因此本例选用 ISD 公司的语音芯片 ISD2560。ISD2560 是 ISD 公司生产的语音 录入和重放芯片 ISD2500 系列之一,ISD2500 系列芯片包括 ISD2560,ISD2575, ISD2590 和 ISD25120 四种,他们的主要区别在于存储语音的时间长度,ISD2560 的 录音时间为 60 秒,ISD2575 的录音时间为 75 秒,ISD2590 的录音时间为 90 秒,而 ISD25120 的录音时间为 120 秒。 ISD2560 采用多电平直接模拟量存储专利技术,每个采样值可直接存储在片内 单个 EEPROM 单元中,因此能够非常真实,自然得再现语音,音乐,音调和效果声, 从而避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。 ISD2560 的采样频率为 8kHZ,同一系列的产品采样频率越低,录音/放音时间 越长,但同频带和音质会有所降低。ISD2560 可重复录放 10 万多次,它是一种永 久记忆型语音录音/放音电路,它具有音质自然,使用方便,单片存放,反复录音, 功耗低,抗断电等许多优点,因此在许多领域获得了广泛的应用[7]。 ISD2560 省去了 A/D 和 D/A 转换器,集成度较高,内部包括前置放大器,内部 时钟,定时器,采样时钟,滤波器,自动增益控制,逻辑控制,模拟收发器,解码 器和 480k 字节的 EEPROM。ISD2560 内部的 EEPROM 存储单元均匀分为 600 行,有 600 个地址单元,每个地址单元指向其中一行,每一个地址单元的地址分辨率为 100ms。此外,ISD2560 还具备微控制器所需的控制接口。通过操纵地址和控制线 可完成不同的任务,以便实现复杂的信息处理功能,如信息的组合,连接,设定固 定的信息段和信息管理等。ISD2560 可不分段,也可按最小段长为单位来任意组合 分段[8]。ISD2560 内部原理图如图 2.3 所示:
3、不怕断电的语声 IC,像一些数码录音笔,它以 FLASHRAM 闪烁存储器 IC 为 介质,完全断电后语声还能保存十年以上。这种存储器是目前最被看好的方向,它 可以反复使用、不需电流也能长期保存内部数据,由它制成的语声 IC 是一场技术 革命。特点是目前价格较高,但在快速滑落中。
美国 ISD 公司专门研制这类产品,并持有多项技术专利,生产从6秒至16分钟 的一系列单片式语声芯片产品。由于该公司的严谨作风和产品定位,ISD 系列芯片
·学习单片机的工作原理,并应用 Protel 软件设计出单片机的最小系统和语 音系统的控制电路,使其能可靠工作。
·学习有关语音方面的相关知识,拟采用集成语音芯片来实现语音的录放的功 能。要求掌握该芯片的工作原理,完成其外围电路和与单片机的接口电路,包括话 筒和扬声器的电路设计。
·学习 C 程序设计语言,对单片机进行编程开发。并完成仿真和调试,实现语 音拨播器的基本功能。
这类 IC 具有完整的录音机功能,和录音磁带机一样,它可以自由地通过话筒 或模拟音频线路来进行录音,把语声存储到 IC 内部,在用户需要的时候,就可以 还原存储的语声通过驱动喇叭放音。这其中又分几种类型:
1、怕断电且语声的存储、保存需要比较大的电流的语声 IC。像外语复读机里 的语声复读芯片。 这种电路以 DRAM 动态存储器 IC 为介质, 它需要不断内部刷新, 要保存其中的语声还需要比较大的电流消耗,通常需要几个到几十个毫安,一断电 内部存储的语声就全部丢失了。特点是 DRAM 的价格便宜,如果使用有个别坏损单 元的 ADRAM 就更便宜。这种 ADRAM 在电脑等需要精密计算的产品中是不能使用的, 但在语声存储中只是多了一点点噪音对使用没有太大影响,因而在复读机中广泛使 用。
存储 器阵列
平滑滤波器
混合
扬声器 驱动器电源ຫໍສະໝຸດ 地址缓冲器器件控制线
14 SP +
15 SP -
16 13 12 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 24 22 27 23 25 11 Vc c A VssA VssD Vc c D A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 PD O VF P/ R CE EO M AU X IN
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1 引言
随着人类社会的不断进步,随着语音芯片的普及,语音报播被广泛应用于车站 报站器,语音型数字万用表,出租车语音报站器,排队机等,并且面向家庭个人使 用的方向发展,更加人性化。随着电子技术的广泛应用,其自动化程度越来越高, 使用范围越来越广,前景十分喜人。自动语音提示技术是计算机语音处理技术的一 种应用,属于语音再生合成技术范畴。录放系统具有电路简明、应用方便、单片录 放、不怕掉电、音色纯正、性价比高等特性,与此相关的语音系统已广泛地用于通 信、工控 、医疗、报警示讯等领域。同时,随着大规模语音处理集成电路的发展, 在传统的控制领域,语音提示的应用也越来越广泛[1]。 1.1 本课题的意义
在声学领域,单片机技术与各种语音芯片相结合,即可完成语音的合成技术, 使得单片机语音系统的实现成为可能。所谓语音芯片就是在人工或者控制器的控制 下可以录音和放音的芯片。语音信号为模拟量,语音芯片存储播放声音的基本工作 方式:声音——模拟量——A/D——存储——D/A 模拟量——播放。采用这种方式 的语音芯片的外围电路比较复杂,声音质量也有一定的失真,而另一类语音芯片采 用 EEPROM 存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中,不需要另加 A/D 和 D/A 转换电路,使用方便,且语音音质自然[3]。
P0.0~P0.7 P2.0~P2.7
VCC
P0 驱动器 P2 驱动器
VSS
RAM 地址寄存器
RAM 128B
P0 锁存器 P2 锁存器 4KB ROM
B 寄存器 暂存器RA1M 暂存器 2
ACC
SP
寄存器
ALU
PSEN ALE
EA RST
定指指 时令令 控译寄
制 码存 器器
PSW 中断、串行口及定时器
扬 声 器
单
按键
片
机
语音芯片
话 筒 图 2.1 总体设计框图
由上面的框图可知:本设计框图包括,按键,单片机,语音芯片,话筒和扬声 器。其中单片机为本设计的控制核心,它控制语音芯片,实现对声音的存储和播放。 语音芯片实现对语音的录入和播放。 2.2 微处理器的选取
近年来,随着科学技术的发展,微型计算机技术日益发展,已经在许多领域 得到了广泛的应用。随着集成电路工艺的发展,出现了单片机、DSP,ARM 等多种单 片机。DSP:它从 16 位~32 位,内部采用哈佛结构,特别适合数据处理。其中 16 位 DSP 适合中高级工控到简单语音/图片(不含视频)处理;其中 32 位 DSP 适合复 杂语音/图片/视频处理。ARM:是 32 位单片机,由于结构和计算速度的原因,目前 适合做事务处理或者中低端应用,从中高级工控到简单语音/图片(不含视频)处 理 。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压,高性能 CMOS8 位微处 理器,俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造,与工业 标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组