基于msp430的數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)基于MSP430的數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)摘要：本系統(tǒng)由語音收集及前置放大模塊、帶通濾波器、電平調(diào)整電路、存儲器、D/A轉(zhuǎn)換電路、雙極性電流至電壓變換電路、音頻功率放大器、液晶顯示電路組成。駐極體話筒輸出電平經(jīng)增益約28dB的前置放大器NE5534放大至500mV左右，帶通濾波電路通帶為300Hz3400Hz，電平調(diào)整電路采用op07將信號轉(zhuǎn)換到02.5V 的范圍，控制核心采用超低功耗MSP430F149單片機，采用大容量SD卡作為數(shù)據(jù)存儲芯片，采用單片機內(nèi)集成12位A

2、DC，采樣頻率為8 KHz，數(shù)字信號經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換、電流至電壓變換后成為模擬語音信號,經(jīng)帶通濾波器再送往音頻功率放大器進行回放。本系統(tǒng)具有長時間錄音，較高保真地回放等特點。關(guān)鍵詞：MSP430F149；SD卡；錄音；回放；一、語音存儲與回放系統(tǒng)方案設(shè)計論證1存儲器選擇方案一：采用SD卡。存儲容量為1G，采用單片機模擬SPI總線實現(xiàn)SD卡的SPI模式的讀寫，速度快，硬件電路簡單操作簡便。方案二：采用SRAM62256。在電路中可利用8255 進行數(shù)字存儲器的擴展,其中PB ,PC 用于擴展地址,PA 用于擴展數(shù)據(jù)，擴展后容量只有256Kbit。方案比較：SD卡存儲容量很大，幾乎沒有錄音時間

3、的限制，硬件電路簡單；采用SRAM62256容許的錄音時間只有十幾秒，擴展存儲器的硬件電路比較復雜，通過比較分析，選擇存儲量大，電路簡單的方案一。2單片機選擇方案一：STC89C51單片機。含128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM，16位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線，需外設(shè)AD0809模塊，外擴存儲芯片。單片機經(jīng)過譯碼器實現(xiàn)地址擴展從而實現(xiàn)對AD0809，DA0832的操作。 方案二：MSP430F149單片機。系統(tǒng)時鐘較高，滿足SD卡讀寫時間要求，3.3V電平與SD卡電平兼容，片內(nèi)含2KB RAM，適合SD卡SPI模式下的512字節(jié)塊讀寫要求，片內(nèi)集成12位ADC，采樣速率高。方案比較：51單片機價格便宜

4、，但是內(nèi)部RAM容量小，時鐘較低，無A/D，采用51單片機外設(shè)電路比較復雜；430單片機低功耗，內(nèi)部RAM容量大，含A/D,滿足SD的讀寫要求，且外設(shè)電路更簡單，系統(tǒng)硬件開銷更小。通過比較分析，選擇方案二。3帶通濾波器選擇方案一：無源帶通濾波器。直接將一階RC低通濾波器和一階RC高通濾波器串聯(lián)構(gòu)成二階無源帶通濾波器。低通濾波器上限頻率為3400 Hz ,高通濾波器下限頻率為300 Hz。方案二：有源帶通濾波器。采用二階巴特沃斯低通濾波器和二階巴特沃斯高通濾波器串聯(lián)構(gòu)成四階巴特沃斯帶通濾波器。方案比較：無源RC濾波器電路簡單，參數(shù)改變?nèi)菀祝菬o源RC濾波器的幅頻特性不是很理想，通帶內(nèi)信號有一定

5、衰減；有源濾波器的幅頻特性好，引入的噪聲小，帶內(nèi)信號無衰減，且具有一定增益。通過比較分析，選擇方案二。4系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。MSP430F149單片機是本系統(tǒng)的核心器件，負責控制整個系統(tǒng)的正常工作，包括讀ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果及讀寫SD卡；寫DAC0832；按鍵輸入動作響應；LCD液晶驅(qū)動等。語音信號經(jīng)放大濾波及電平調(diào)整電路處理后變成可供ADC模擬輸入端正常采樣的電壓，單片機模擬SPI總線將ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果寫入SD卡，實現(xiàn)錄音功能。單片機讀取SD卡存儲的數(shù)字量送到DAC轉(zhuǎn)換成模擬量并經(jīng)過輸出電路處理后恢復原始語音信號，實現(xiàn)回放功能。按鍵的功能是切換錄音、播放、停止三種功能模式。液晶

6、模塊顯示當前工作模式。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、系統(tǒng)硬件設(shè)計與理論分析1話筒拾音及前置放大電路理論分析與參數(shù)計算麥克風輸出電平為20mV左右，需用放大器進行放大，以便推動后級電路。在本次設(shè)計中，我們通過比較選擇采用增益約為28dB的前置放大器NE5534來實現(xiàn)語音信號的放大，電路如圖2所示。 圖2 話筒拾音及前置放大電路圖麥克風輸出信號經(jīng)隔直電容C2濾掉信號的直流分量并接入放大器的反向輸入端2，放大器正向輸入端3經(jīng)電阻R3接地，反向輸入端2與輸出端6之間接500k的電位器，通過調(diào)節(jié)電位器的有效接入阻值可改變放大器的增益。這里，取放大器放大倍數(shù)為25，電位器有效接入電阻為25k左右，輸出端6的電壓

7、能達到500mV左右。電源供給端并上合適的電容如1uF，可起到濾掉高頻干擾的作用。2帶通濾波電路理論分析與參數(shù)計算為了濾除不必要的干擾和雜波,提高語音信號的信噪比，系統(tǒng)前向通道和后向通道要求各設(shè)計一個通帶為300 Hz 3 400 Hz 的帶通濾波器。本設(shè)計中采用四階巴特沃思帶通濾波器，其中低通濾波器U1上限截止頻率為3 400 Hz ,高通濾波器U2下限截止頻率為300 Hz ,電路如圖3 所示。 圖3 帶通濾波電路圖根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇低通級電路的電容值為C1=C2=1nF，高通級電路的電容值為C3=C4=100nF，由可計算出R1=R2=45.3k，由可計算出R5=R6=6.34k。根據(jù)R

8、4=(1.152-1)R3和R8=(2.235-1)R7以及加到運放同相端對地的直流電阻與加到反相端對地的直流電阻基本相等，計算得到R3=681k，R4=105k，R7=22.6k，R8=28k。實際取值為R1=R2=33k，R3=660k，R4=220k，R5=R6=5.6k。R7=22k，R8=30k。實際測試得到一個帶通濾波器的通帶為2503 500 Hz，另一個是3003 700 Hz，增益約7dB。3電平調(diào)整電路理論分析與參數(shù)計算電平調(diào)整電路將原先雙極性的語音信號轉(zhuǎn)換到02.5V 的電平范圍,以滿足單片機內(nèi)部12位ADC對模擬輸入端信號的要求。電路如圖4所示。 圖4 電平調(diào)整電路整個

9、電路由二級放大電路、加法器、限幅電路組成。采用增益約為10dB的OP07放大電路實現(xiàn)電平的二級放大，將電平范圍由原來的500mV放大至1.5v左右。采用放大器OP07構(gòu)成加法器，將二級放大后的交流信號經(jīng)電阻R3接入加法器正向輸入端3，同時為將電平范圍提升至02.5V，在加法器同相輸入端疊加一個1v左右的直流電平，該電平可由3.3v電源經(jīng)500k電位器分壓得到，計算得電位器有效接入電阻應為R=152k。限幅電路保證了在有外界干擾的情況下輸出信號下限不低于0v，上限不高于3.3v。4D/A轉(zhuǎn)換電路理論分析與參數(shù)計算采用8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832實現(xiàn)數(shù)字量至模擬量的轉(zhuǎn)換，這里采用直通型工作方式，

10、數(shù)字量一旦輸入，就直接進入D/C寄存器，進行D/A轉(zhuǎn)換。通過連續(xù)改變數(shù)字輸入端的數(shù)字信號即可實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)換。由于DAC0832是電流輸出型的D/A，所以在輸出級后加了一級運算放大器，運放輸出為，實現(xiàn)了將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕墓δ?。在運算放大器輸出端串聯(lián)一個隔直電容，完成恢復雙極性信號的目的。電路如圖5所示。 圖5 D/A轉(zhuǎn)換電路圖5音頻功率放大電路理論分析與參數(shù)計算數(shù)字信號經(jīng)D/ A 轉(zhuǎn)換、雙極性電流至電壓變換后已成為模擬語音信號，經(jīng)帶通濾波后需送往音頻功率放大器，做適當?shù)墓β侍嵘苿永然蚨鷻C進行回放。本設(shè)計中采用以TDA2030為核心芯片的有源功放電路，具有體積小、輸

11、出功率大，諧波失真和交越失真小等特點，且具有優(yōu)良的短路和過熱保護功能。電路如圖6所示。 圖6 音頻功率放大電路圖三、系統(tǒng)軟件設(shè)計 本次數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)軟件設(shè)計程序由四部分組成,即主程序、鍵盤中斷處理程序、系統(tǒng)ADC中斷處理程序、定時器中斷處理程序。主程序中將程序運行狀態(tài)分為三種,即RECORD(錄音)、PLAY(回放)、STOP(停止)，依靠LCD1602液晶顯示指示當前工作狀態(tài)。鍵盤中斷處理中，若“錄音”鍵按下,則設(shè)置當前狀態(tài)為“RECORD”；若“放音”鍵按下,則設(shè)置當前狀態(tài)為“PLAY；若“停止”鍵按下,則設(shè)置當前狀態(tài)為“STOP”。每進入ADC中斷，系統(tǒng)從AD口采樣轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每

12、轉(zhuǎn)換512字節(jié)數(shù)據(jù)，就將此塊數(shù)據(jù)寫入SD卡。利用定時器A產(chǎn)生定時中斷,定時時間為0. 125 ms，在定時中斷中進行從SD卡每次讀取512字節(jié)塊數(shù)據(jù)和寫DAC的操作。程序流程如圖7所示。讀取按鍵鍵值Key=1Key=2Key=4ADC12IE = 0 x01；開啟ADC采樣Num+；Num=512？設(shè)備初始化向SD卡寫512字節(jié)數(shù)據(jù) addr+； 讀取鍵值Y當前狀態(tài)錄音關(guān)閉采樣max=addr；播放關(guān)閉定時器P4OUT=0 x00；CCTL0 = CCIE;開啟定時器A進入中斷進入中斷P4OUT=SX_datasu+Su=512？從SD卡讀512字節(jié)數(shù)據(jù) addr+； 讀取鍵值YNN停止Add

13、r=max？NYKey=2？YN圖7 程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1調(diào)試儀器和調(diào)試方法(1)調(diào)試儀器調(diào)試儀器型號數(shù)字示波器Tektronix TDS1002函數(shù)信號發(fā)生器EE1411型直流穩(wěn)壓電源YB1732A3A3位半數(shù)字萬用表VC9806+秒表(2)調(diào)試方法利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生峰-峰值為1mV，頻率分別為250Hz、300Hz、500Hz、1000Hz、2500Hz、3000Hz、3400Hz和3500Hz的正弦信號接入帶通濾波器，用數(shù)字示波器觀察相同幅度、不同頻率的正弦信號經(jīng)帶通濾波器后的輸出情況，并做好相關(guān)的記錄。用秒表5次測試錄音存儲時間及相應的播放時間。2測試數(shù)據(jù) 表一 帶通濾波

14、器通帶測試數(shù)據(jù)頻率（Hz）輸入電壓（mV）輸出電壓（mV）增益（dB）2500.98861.54663.853001.00121.98635.955001.00052.11996.5210001.00102.22806.9425001.00012.23306.9730000.99932.23096.9734001.00062.20866.8935000.99981.55073.81表二 錄音、播放時間測試數(shù)據(jù)次數(shù)錄音時間（s）播放時間（s）154.22108.432016.945042.6510085.4 3測試結(jié)果分析通過表一，可以看到在輸入信號頻率為250Hz和3500Hz時，輸出電壓分別

15、為1.5466mV和1.5507mV，增益分別為3.89dB和3.81dB，相比表中2500Hz的增益6.97dB，下降了約3dB，這說明，截止頻率分別接近250Hz和3500Hz?？梢姡驹O(shè)計中前向通道帶通濾波器的實際通帶范圍為2503 500 Hz，基本符合要求。通過表二，可以看出5次不同時間的錄音，播放時間在錄音時間較短時基本和錄音時間一致，但錄音時間較長時播放時間較錄音時間有一定誤差，通過試聽發(fā)現(xiàn)，播放語音速度較錄音稍快，但影響基本可以忽略，回放雜音很小，語音輸出信噪比較高。系統(tǒng)可以實現(xiàn)長時間的錄音和較高保真的回放。五、結(jié)語在此次作品設(shè)計過程中，以低功耗、長時間錄音、高保真為出發(fā)點，從器件選型和電路設(shè)計都做了精心挑選，如選擇MSP430超低功耗單片機、大容量存儲芯片SD卡、語音放大及濾波電路等。在設(shè)計過程中，也遇到些問題，如做電平范圍調(diào)整電路時，剛開始沒接二極管進行限幅，結(jié)果用示波器觀察電路輸出信號時，外界很小的干擾聲音都會產(chǎn)生很多尖脈沖，不僅超出了單片機AD能正常采樣的正常電平范圍，甚至對單片機正常工作都產(chǎn)生威脅，在有外界干擾較多的情況下這種情形尤為嚴重，為解決這一問題，我們嘗試著在輸出端接了兩個二極