基于isd4004芯片的语音录放系统设计大学本科毕业论文.doc

山东大学科技创新大赛设计论文论文题目：基于语音模块的mp3摘 要基于ISD4004芯片的语音录放系统设计用单片机控制语音芯片，再把单片机和语音芯片嵌入到通信设备，智能仪器，治安报警及儿童玩具中，就可做成语音播放的机器。本文介绍了基于stc89C51单片机及ISD4004语音板为主要部件的语音录放电路的工作原理、硬件和软件的设计。ISD4004系列工作电压3V,单片录放时间8至16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入。论文概述了语音录放电路的原理，并且在介绍语音录放系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。针对录放系统的录音、放音部分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了单片机stc89C51应用在系统中的应用，分析了系统各部分的硬件及软件实现。关键词：ISD4004 stc89C51单片机 hc05蓝牙模块 语音录放AbstractThe design of voice recording and playback system based on isd4004 With the single-chip microcomputer control, and then make the pronunciation chip microcontroller and pronunciation chip embedded in communication equipment, intelligent instruments, security alarm and children's toys, so can make a speech broadcast machine.This paper introduces ISD4004 based on AT89C52 single chip computer and of the main parts of speech plate as the working principle of voice recording circuit and the design of hardware and software. ISD4004 series working voltage, monolithic 3V recording time 8 to 16 minutes, timbre, suitable for mobile phones and other portable electronics. Chip design is based on all the operation must by SPI into. This paper summarizes the principle of voice recording circuit, and introduces the function of speech on the basis of recording system, puts forward the general structure of the system. Recording system for the recording, playback part of the overall design scheme is demonstrated. This paper introduces microcontroller AT89C52 single applications in system, the application system were analyzed each part of hardware and software realization. Keywords: ISD4004；stc89C51；voice recording and playback摘 要IABSTRACTII目 录III引 言11. ISD4004介绍1.1性能简述和引脚图1.2引脚描述2 SPI(串行外设接口)2.1协议介绍2.2 信息快进2.3上电顺序2.4 SPI端口的控制位2.5 SPI控制寄存器2.6时序3蓝牙模块设计1. ISD4004介绍1.1性能简述和引脚图ISD4004 系列工作电压 3V,单片录放时间 8 至 16 分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产 品中。芯片采用 CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密 度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器 中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,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"。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下 降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存 100 年(典型值),反复录音 10 万次。图5 ISD4004引脚图 图6 ISD4004实物图1.2引脚描述1 电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的 不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。2 地线:(VSSA,VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。3 同相模拟输入(ANA IN+) 这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时, 信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值 32mV,耦合电容和本端的 3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的 低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值 16mV，为 ISD33000 系列相同。4 反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为 峰峰值 16mV音频输出(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动 5K的负载。5 片选(SS) 此端为低,即向该 ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。6 串行输入(MOSI) 此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。7 串行输出(MISO) ISD 的串行输出端。ISD 未选中时,本端呈高阻态。8 串行时钟(SCLK) ISD 的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步 MOSI 和 MISO 的数据传输。数据在 SCLK上升沿锁存到 ISD,在下降沿移出 ISD。9 中断(/INT) 本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到 EOM 或 OVF 时,本端变低并保 持。中断状态在下一个 SPI 周期开始时清除。中断状态也可用 RINT 指令读取。OVF 标志-指示 ISD 的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM 标志-只在放音中检测到内部的 EOM 标志时,此状态位才置1。10 行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个 RAC 周期表示 ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004 系列中的 存贮器共 2400 行)。该信号 175ms 保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC 的 218.75s 是高电 平,31.25s 为低电平。图 7 时序 11 外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级 芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化 在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部 的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首 先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。12 自动静噪(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有 助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接 1mF 的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部 分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减 6dB。1mF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接 VCCA 则禁止自动静噪。2 SPI(串行外设接口)2.1协议介绍ISD4004工作于SPI串行接口。SPI 协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的 SPI 移 位寄存器在 SCLK 的下降沿动作,因此对 ISD4004 而言,在时钟止升沿锁存 MOSI 引脚的数据,在下降沿将数据送至 MISO 引脚。协议的具体内容为：1 所有串行数据传输开始于 SS 下降沿。2 SS 在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间则保持为高电平。3 数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。4 SS 变低,输入指令和地址后,ISD 才能开始录放操作。5 指令格式是(8 位控制码)加(16 位地址码)。6 ISD 的任何操作(含快进)如果遇到 EOM 或 OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个 SPI 周期开始时被清除。7 使用"读"指令使中断状态位移出 ISD 的 MISO 引脚时,控制及地址数据也应同步从 MOSI 端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然,也允许在一个 SPI 周期里,同时执行读状 态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。8 所有操作在运行位(RUN)置 1 时开始,置 0 时结束。9 所有指令都在 SS 端上升沿开始执行。2.2 信息快进 用户不必知道信息的确切地址,就能快进跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的 1600 倍,遇到 EOM 后停止,然后内部地址计数器加 1,指向下条信息的开始处。2.3上电顺序器件延时 TPUD(8kHz 采样时,约为 25 毫秒)后才能开始操作。因此,用户发完上电指令后,必须等待TPUD,才能发出一条操作指令。参见表2.3。例如,从 00 从处发音,应遵循如下时序:1 发 POWERUP 命令;2 等待 TPUD(上电延时);3 发地址值为 00 的 SETPLAY 命令;4 发 PLAY 命令。器件会从此 00 地址开始放音,当出现 EOM 时,立即中断,停止放音。如果从 00 处录音,则按以下时序:1 发 POWER UP 命令;2 等待 TPUD(上电延时);3 发 POWER UP 命令;4 等待 2 倍 TPUD;5 发地址值为 00 的 SETREC 命令;6 发 REC 命令。器件便从 00 地址开始录音,一直到出现 OVF(存贮器末尾)时,录音停止。指令8 位控制码<16 位地址>操作摘要POWERUP00100XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX>上电:等待 TPUD后器件可以工作SET PLAY11100XXX< A15-A0>从指定地址开始放音。后跟 PLAY 指令可使放音继续进行下去PLAY11110XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >从当前地址开始放音(直至 EOM 或 OVF)SET REC10100XXX<A15 -A0>从指定地址开始录音。后跟 REC 指令可使录音继续进行下去REC10110XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >从当前地址开始录音(直至 OVF 或停止)SET MC11101XXX<A15 -A0>从指定地址开始快进。后跟 MC 指令可使快进继续进行下去MC11111XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >执行快进,直到 EOM.若再无信息,则进入 OVF 状态STOP0X110XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >停止当前操作STOP WRDN0X01XXXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >停止当前操作并掉电RINT0X110XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX >读状态:OVF 和 EOM表2 指令表注：快进只能在放音操作开始时选择。2.4 SPI端口的控制位SPI端口有两个硬件控制位MISO 和MOSI，SPI控制寄存器控制放、录、信息检索、上电、掉电、启动和停止、忽视地址指示等功能。详见图2.4图 8 各端口功能2.5 SPI控制寄存器SPI控制寄存器控制器件的每个功能,如录放、录音、信息检索(快进)、上电/掉电、开始和停止操 作、忽略地址指针等。位值功能位值功能RUN 1 0允许/禁止操作开始 停止PU10电源控制上电 掉电P/-R10录/放模式放音 录音IAB10操作是否使用指令地址忽略输入地址寄存的内容 使用输入地址寄存的内容MC10快进模式允许快进 禁止P15-P0A15-A0行指针寄存器输出输入地址寄存器 表 3 控制器功能 注：IAB 置 0 时,录、放操作从 A9-A0 地址开始。为了能连贯地录、放到后续的存储空间,在操作到达该 行末之前,应发出第二个 SPI 指令将 IAB 置 1,否则器件在同一地址上反复循环。这个特点对语音提 示功能很有用。RAC 脚和 IAB 位可用于信息管理。SPI端口简单框图如下：图 8 SPI 端口2.6时序SPI总线协议是一个环形总线结构，由ss（cs）、sck、sdi、sdo构成，其时序主要是在sck的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。假设下面的8位寄存器装的是待发送的数据10101010，上升沿发送、下降沿接收、高位先发送。那么第一个上升沿来的时候数据将会是sdo=1；寄存器=0101010x。下降沿到来的时候，sdi上的电平将所存到寄存器中去，那么这时寄存器=0101010sdi，这样在8个时钟脉冲以后，两个寄存器的内容互相交换一次。这样就完成里一个spi时序。SymbolParametersMinTypMaxUnitsTSSS/SS Setup Time500nsecTSSH/SS Hold Time500nsecTDISData in Setup Time200nsecTDIHData in Hold Time200nsecTPDOutput Delay500nsecTDFOutput Delay to Hiz500nsecTSSmin/SS HIGH1µsecTSCKhiSCLK High Time400nsecTSCKlowSCLK Low Time400nsecF0CLK(Frequency)1000kHz表 4 SPI 时序参数3. 蓝牙模块设计蓝牙模块主要是为了实现上位机与下位机的数据传输，本设计是通过蓝牙转串口模块，实现上位机与下位机的无线通讯功能，所以本质上使用的是单片机串口通信。串行通讯的特点是：数据按位顺序传送，最少仅需一根传输线即可完成，成本低但传送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。 串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。在单片机中，主要使用异步通讯方式。 图4.5 USB与蓝牙模块相连 本设计采用主从式一体模式的HC-05模块。致谢历时两个月的设计过程中，我首先边查资料，我感觉到即使是一个简单的电路，要想很轻松的焊好，也不是很容易的事情。有时可能是阻值选错。这使我深深感受到理论与实际间的差距。通过这样的设计，提高了我的动手能力。，使我软件调试知识也提高了。本设计采用的是STC89C51单片机，这主要是因为该单片机的稳定性比较好和执行指令的速度很快。还可以采用其它系列的单片机。经过自己不断的搜索努力以及老师的耐心指导和热情帮助，本设计已经基本完成。通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学两年的学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这两个月的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础。由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，敬请各位老师批评指正。参考文献郭天祥，51单片机C语言教程：电子工业出版社；15