数字录音笔

数字录音笔 数字录音笔的 ———数字录音笔的设计 系别: 班级: 姓名: 学号: 指导老师: 0 数字录音笔的设计 摘要 基于51单片机录音笔的设计 论文提出了以51单片机为控制核心的录音笔设计方案。通过单片机以及语音芯片ISD4004、显示芯片LCD1602 结合实现了硬件电路的设计，ISD4004 语音芯片使得大大简化了外围电路的设计，也很好保证了录音效果，LCD1602 使得人机交互更简洁方便。文中也给出了软件部分的程序，并通过proteus 对人机交互部分进行了仿真。 关键词:单片机;录音笔;语音芯片; 1 数字录音笔的设计 Abstract The Design Of Digital Recorder Based On The 51 Micro Chip Union This option give a way to make a digital recorder which is as the main controller. It through micro chip union, a voice chip ISD4004 and a display chip making the design of the circuit of the Hardware. The voice chip ISD4004 could make the periphery circuit easy. It could also make sure high quality sound .The chip LCD1602 make the system convenient to communicate with people. This article give the design of the software too. And the design of software has through the simulation of the proteus . Keywords:MCU ;Digital recorder ;Voice chip; 2 数字录音笔的设计 目录 摘要 ..................................................................................................................... 1 Abstract ............................................................................................................... 2 第一章 引言 ................................................................................................. 4 1.1录音笔的性能指标 ............................................................................... 4 1.1.1录音时间 .................................................................................... 5 1.1.2录音笔的音质效果 .................................................................... 5 1.1.3语音信息的存储 ........................................................................ 6 1.1.4录音笔的频率响应范围 ............................................................ 7 1.2录音笔相关功能 ................................................................................... 8 1.3录音笔发展未来展望 ......................................................................... 10 第二章 录音笔设计方案与论证 ..................................................................... 11 2.1录音笔设计方案 ................................................................................. 11 2.2录音笔设计方案论证及最终方案 ..................................................... 13 第三章 系统硬件介绍 ..................................................................................... 14 3.1语音电路与主控制电路设计 ............................................................. 14 3.1.1 ISD4004实物图 ...................................................................... 14 3.1.2 ISD4004 芯片简介 ................................................................. 14 3.1.3 51 单片机简介 ........................................................................ 18 3.1.3主控制电路与语音电路电路图 .............................................. 21 3.2人机接口电路的设计 ......................................................................... 23 3.2.1 LCD1602实物图 ..................................................................... 23 3.2.1 LCD1602 电路设计 ................................................................ 23 3.3键盘电路设计 ..................................................................................... 26 第四章 系统软件的设计与Proteus 仿真 ...................................................... 26 4.1编译环境介绍 ..................................................................................... 26 4.2程序总体流程 ..................................................................................... 29 4.3系统的Proteus 仿真 .......................................................................... 30 结论 ................................................................................................................... 32 参考文献 ........................................................................................................... 33 致谢 ................................................................................................................... 34 附录 ................................................................................................................... 35 系统主程序及部分子程序代码 ............................................................... 35 3 数字录音笔的设计 第一章 引言 录音笔对于我们现如今的人们已经是再熟悉不过的产品了，它已经应用在了很多地方，其中主体部分应该是记者了。正是基于录音笔能过录音的特点，在你无法凭借记忆记住重要谈话，或者重要会议的重要内容的时候，它便体现除了它的优势，清晰完整无误的记录下你要记录的东西，而你能够拿出更多的时间来处理其他事情，当你有充足的时间时再来处理这些未处理的内容。除此之外录音笔小巧易于携带，存储内容量大，基于这些优点，越来越多的得到人们的青睐～ 现在所说的录音笔指的数码录音笔，也称为数码录音棒或数码录音机，数字录音器的一种，为了便于操作和提升录音质量造型并非以单纯的笔型为主，携带方便，同时拥有多种功能，如激光笔功能、FM 调频、MP3 播放等。与传统录音机相比，数码录音笔是通过数字存储的方式来记录音频的。 1.1录音笔的性能指标 在了解录音笔性能之前，先来了解下一般的录音笔的基本原理。数码录音笔通过对模拟信号的采样、编码将模拟信号通过数模转换器转换为数字信号，并进行一定的压缩后进行存储。而数字信号即使经过多次复制，声音信息也不会受到损失，保持原样不变，并且已与存储与转移。 4 数字录音笔的设计 1.1.1录音时间 因为是录音设备，录音时间的长短自然是数码录音笔最重要的技术指标。根据不同产品之间闪存容量、压缩算法的不同，录音时间的长短也有很大的差异。目前内存为1G 的数码录音笔的录音存储时间在都在20-272 小时，电池连续工作时间一般在2-26 小时左右，可以满足大多数人的需要。不过需注意的是，如果很长的录音时间是由于其通过使用了高压缩率获得的话，往往会影响录音的质量。另外电池的使用时间也录音时间有重要关系。一 号AAA 型电池，有的小型产品般来说，大部分数码录音笔都用7 则采用了纽扣电池，还有的产品内置了充电电池。采用普通电池的好处是可以更换，而使用充电电池则比较便宜。应选择那些电池使用时间在20 个小时以上的数码录音笔，当然时间越长对于录音时间来说自然就越有利。 1.1.2录音笔的音质效果 通常数码录音笔的音质效果要比传统的录音机要好一些。录音笔通常标明有SP， LP 等录音模式，SP 示ShotPlay 即短时间模式，这种方式压缩率不高，音质比较好，但录音时间短。而LP 表示LongPlay，即长时间模式，压缩率高，音质会有一定的降低。不同产品之间肯定有一定的差异，所以您在购买数码录音笔时最好现场录一段音，然后仔细听一下音质是否有噪音。总得说来名牌产品如进口的SONY、三洋，国产的爱国者、亨思特、京华的音质会好些。 5 数字录音笔的设计 而录音时间的长短与录音笔支持的声音文件存储规格有关，目前常见的有LP(长时间录音)、SP(录音)、HQ(高质量录音)三种基本模式。除了这三种模式外，还有一种SHQ(超高保真录音)模式，不过有这种模式的数码录音笔很少。而标准录音时间是指在SP 模式下录音笔内存支持的最长录音时间。LP(LongPlay)即长时间录音，压缩率高，通过牺牲了一定的音质的情况下来延长录音的长度的，一般可以将录音的时间长度延长80,左右。也即以降低音频质量为代价，因此音质会有一定的降低。其中SP(Standard play)即标准录音时间，这种方式压缩率不高，音质比较好，录音时间适中。而HQ(High quilty)是高质量录音。这种录音方式压缩率十分低，音质非常好，但容量比较大，一般适合要求较高的场合使用。 1.1.3语音信息的存储 数码录音笔都是采用模拟录音，用内置的闪存来存储录音信息。闪存的特点是断电后，保存在上面的信息不会丢失，理论上可以经受上百万次的反复擦写(普通用户谁也不可能去数过)，因此反复使用的成本是零。闪存可以说是数码录音笔中最贵的部件，当然容量越大，价格就越贵，但是录音时间也就越长。从现在的情况来看，内置的512M 闪存可以存储大约136 小时录音信息，内置的1GB 闪存可以存储大约272小时录音信息。现在的产品除了内置内存外，有些数码录音笔则提供外置存储卡如CF，SM 等等;这种外置的缺点是一旦卡品质不好，或者时间长了金手指接触不良，容易产生数据错误;但是同时也方便交换共享录音内容 6 数字录音笔的设计 及资料传送，还可以利用读卡器将录音数据快速存入计算机。数码录音笔之所以能够做到又轻又小，也是因为它采用了闪存作为随机内存。在数码录音笔刚刚诞生的时候，闪存还属于比较希罕的玩意，价格也比较贵。如今闪存已经被广泛、大量的应用，大家对它的熟悉程度已经大大提高了，价格也较之以往大大下降了。因此数码录音笔的价格也下降了不少。 1.1.4录音笔的频率响应范围 频率响应是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象，这种声压和相位与频率的相关联的变化关系(变化量)称为频率响应，频率响应范围是最低有效声音频率到最高有效声音频率之间的范围，单位为赫兹(Hz)。从理论上讲，20,20000Hz的频率响应足够了。低于20Hz 的声音，虽听不到但人的其它感觉器官却能觉察，也就是能感觉到所谓的低音力度，因此为了完美地播放各种乐器和语言信号，放大器要实现高保真目标，才能将音调的各次谐波均重放出来。所以应将放大器的频带扩展，下限延伸到20Hz 以下，上限应提高到20000Hz 以上。这一范围正好是人耳所能听到的声音频率范围:最低的频率是从20Hz 起一直到最高频率20KHZ，20Hz 以下、20KHz以上人耳是听不到的。因此放大器要很好地完成音频信号的放大就必须有足够宽的工作频带。如:300Hz-3.5KHz。 7 数字录音笔的设计 1.2录音笔相关功能 随着电子产业的发展，录音笔的功能已经不仅仅局限在录音放音这个简单的层面了，现在的录音笔是集声音录放，FM 调频，MP3 播放，甚至于摄像等功能，下面就一般录音笔的重要性能进行下介绍。 (一) 电话录音功能 电话录音功能是指数码录音笔可以通过专用的电话适配器，将数码录音笔与电话连接起来，可以十分方便地记录通话内容，并且录音效果良好，声音纯净，几乎没有什幺噪音。这一功能对于记者进行电话采访来说特别有用。要知道，记者可是数码录音笔主要的消费群体。 (二) 定时录音 定时录音是根据实际需要，预先设定好开始录音的时间，一旦满足条件，录音笔自动开启录音功能。适合在一些特殊的场合、条件下使用。比如定时录制电台的广播节目。 (三) 外部转录 数码录音笔虽说功能强大，但是它不应该成为孤立的设备，只有加强交流，才能使数码录音笔的功能更加的完善。通过音频线，我们可以将数码录音笔与传统的录音机连接，将原先在磁带上的模拟信息转换成数字信息。 (四) USB 接口功能 拥有USB 接口功能为我们提供了很多方便，所谓USB 是指Universal Serial Bus，USB 支持热插拔，即插即用的优点，所以USB 接口已经成为MP3 的最主要的接口方式。USB 有两个规范， 8 数字录音笔的设计 即USB 1.1 和USB 2.0。USB 1.1 是已经过时的USB 规范，为USB 规范的第二版，支持12Mbps 的传输，实际约1.5MB/s。不过由于USB 。USB 2.0 规范是总线极易被干扰，所以实际速度通常不足1MB/s由USB 1.1 规范演变而来的。Hi-Speed 标准下，它的传输速率达到了480Mbps，折算为MB 为60MB/s，足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0 中的“增强主机控制器接口”(EHCI)定义了一个与USB 1.1 相兼容的架构。它可以用USB 2.0 的驱动程序驱动USB 1.1 设备。也就是说，所有支持USB 1.1 的设备都可以直接在USB 2.0 的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。为我们利用计算机来大量、快速处理录音笔的语音内容带来了很大的方便。 (五) 其它功能 虽说数码录音笔的录音时间较长，但也不是无限的，因此声控设计自动录音功能就变得非常的有用。这一功能能够使数码录音笔自动的感应声音，无声音时它处于待机的状态，有声音时才启动录音，最大限度的避免存储空间和电能的浪费。另外支持MP3 播放也是不少录音笔支持的功能之一。只要将MP3 文件存储到录音笔的内存中，再结合耳线或是机体内置的音源，用户就可以像MP3 那样听到自己喜欢的音乐，对于年轻人来说这使得录音笔更有吸引力。此外录音笔还支持FM 调频功能，可以随时随地做为收音机使用。定时录音功能，定时录音是根据实际需要，预先设定好开始录音的时间，一旦满足条件，录音笔自动开启录音功能。适合在一些特殊的场合、条件下使用。比如定时录制电台的广播节目。多种播放查找功能，可做复读机使用。由于是数字的录制方式，因此数码录音笔的播放、定位、查找都非常的方便。可以 9 数字录音笔的设计 实现循环播放、任意两点之间重复播放、自动搜索、定时放音等功能。通过这些功能，我们完全可以将数码录音笔作为一个复读机使用。 1.3录音笔发展未来展望 就声音录制而言， 虽然专业的数码录音笔不论在录音长度上还是品质上，都拥有绝对的优势，但随着多功能MP3、MP4、PDA 甚至是智能手机的普及，录音逐渐成为了随身数码设备中的一项附属功能。尽管不少缺乏技术的国内小厂都相继退出了数码录音笔市场，但以三星为代表的世界级数码巨头并没有轻言放弃，反而借助新的技术和设计，给这个看似一潭死水的市场注入了新的活力。 首先录音作为任何一款录音笔都是必不可少的基本功能，所以好的音质便成为了录音笔未来发展方向之一。随着闪存技术的长足进步， 存储容量已经不再是数码录音笔的发展瓶颈，相反，过大的容量还会显得有些“鸡肋”。于是，精明的商家开始重新恢复音质的魅力，并令其成为数码录音笔发展的一大方向。三星则在此基础上将其在家庭影院中的王牌3D 音效技术DNSe 运用到数码录音笔产品当中，这种音效增强技术与单纯地扩大频率范围完全不同，也就是说，即使用较小的率范围实现长时间录音，也能获得优化后的录制效果。 10 数字录音笔的设计 第二章 录音笔设计方案与论证 随着视听家电产品的不断丰富，已经有越来越多微小型产品走入人们的日常生活，他们最突出的优点是体积小，而且重量轻，给人们带来了方便。作为一种简单的获取和记录数字化文件的工具，录音笔风靡市场，成为学生记者、商务人士购置录音设备的首选。不仅在校园里取代了复读机，也成为时间紧张在职人员的掌上新宠。本设计中采用人们熟悉的51 单片机，以及液晶显示芯片，还有ISD4004 语音芯片完成一种简易的录音笔的设计。 2.1录音笔设计方案 对于录音笔的最基本的要求便是可以录音、播放，重复录音以及播放要求。这里对几种常见的方案进行分析，并说明本设计所采用的方案。 方案一: 基于单片机、数字信号处理器DSP、FLASH 存储器的数码录音放音系统。在录音时，语音信号经过处理后送到A/D 转换器，转换成数字信号，把这些数字信号送到数字信号处理器进行压缩处理，压缩后的语音数据与时间日期一起送到FLASH 中，回放时从FLASH 存储器中读取压缩的数据以及时间，经过D/A 转换后，再通过喇叭等具有播放功能的器件进行播放。具体框图如下所示: 11 数字录音笔的设计 DSPA/D 处转数字信号 压缩 语音信号 FLASH 理换存储器 器 器 方案一框图 方案二: 采用处理器集成型可重构系统PICEX 实现数码录音笔的核心部分设计，对于每一个模块功能实现模块都构成一个可实现重构功能模块。在系统完成各种任务时，可重构模块的运行是完全独立于内核的，在编程中使个个模块并行运行。录音状态时各部件采用流水线的方法，即每个部件的输入数据都取自上一个部件输出的一个值，各部件几乎同时进行工作，处于并行运行状态。 方案三: 通过51 单片机与语音功能集成芯片ISD4004，以及LCD1602 液晶芯片进行设计，由单片机控制ISD4004 来实现语音的录制存储以及播放清除等功能。并且通过LCD1602 来实现良好的人机交互界面。具体框图如下所示: 1602显示 显 示 指 令 51单片按键信息 语音指令 键盘接口 4004芯片 机 方案三框图 12 数字录音笔的设计 2.2录音笔设计方案论证及最终方案 对于方案一，人们在语音处理研究中已经研究出很多语音编码算法，有些编码算法已经固化到DSP 芯片内部，形成了专门的语音处理DSP 芯片，但是本设计并未采用DSP 来设计录音笔主要基于以下原因:首先硬件资源，对于实现一般功能的录音笔不需要那么多的硬件资源，所以采用DSP 那是对资源的一种浪费。其次考虑对本设计并不需要高速度、高精度运算，所以无需采用DSP 来实现。再次从功耗的角度讲，DSP 芯片功耗很高，对于实现录音笔无疑无需如此，此外对于DSP 来说价格也是相当昂贵。综合以上几点，本设计不采取DSP 及FLASH 这种方案。 对于方案二，虽然数据串行化输出，A/D、D/A 器件的操作可以再内核上实现当其他重构模块在工作是内核处于等待状态，提高了系统的并行性，节省了资源。这种设计所需重构部件多，设计工作量大操作时间长，所以本设计也不采取这种方案。 本设计采用的是方案三，因为方案三采用资源不多的51 单片机，这样节省了资源同时51 单片机运算速度已经足够用于检测按键，以及控制录音笔进行各种操作，而且这种设计无需对数字信号进行编码压缩的复杂的操作，实现简单，功耗不高，相对而言成本也不高，所以本设计采用了方案三来实现录音笔的设计。 13 数字录音笔的设计 第三章 系统硬件介绍 3.1语音电路与主控制电路设计 3.1.1 ISD4004实物图 3.1.2 ISD4004 芯片简介 芯片ISD4004 是整个录音笔芯片的核心部分。ISD4004L16M 系列单片录放时间8 至16 分，音质好。芯片采用CMOS 技术，内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM 阵列。最小的录放系统仅需麦克风、喇叭、两个按钮、电源及少数电阻电容。在录放操作结束后，芯 14 数字录音笔的设计 片自动进入低功耗节电模式、功耗仅0.5uA。 ISD4004 系列有唯一的录音控制和边缘/电平触发两种放音控制。不分段时外围线路最简，也可按最小段长为单位任意组合分段，大大提高了控制的灵活性芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样直接存储在片内单个EEPROM 单元中。因此，能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调各效果，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”。采样频率从5.3，6.4 到8.0KHz，对音质仅有轻微影响。片内信息可保存100 年(无需后备电源)，EEPROM 单片可反复录音十万次。 (1)功能概述 使用方便的单片8 至16 分语音录放 高质量、自然地语音还原技术 自动节电，维持电流0.5uA 3V 单电源工作 不耗电信息保存100 年(典型值) 采用COP，DIP，SOIC 封装及工业级 自动静噪功能 (2)ISD4004 引脚图 ISD4004128SSSCLK227MOSIVCCD326MISOXCLK425VSSDINT524NCRAC623NCVSSA722NCNC821NCNC920NCNC1019NCNC1118VSSAVCCA1217VSSAANAIN+1316AUOUTANAIN-1415AMCAPNC ISD4004 ISD4004引脚图 15 数字录音笔的设计 (3)内部结构框图 ISD4004 内部结构图 (4)引脚描述 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。 地线:(VSSA，VSSD)----芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。 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3KΩ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。 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5KΩ的负载。 片选(SS) 此端为低，即向该ISD4004 芯片发送指令，两条指 16 数字录音笔的设计 令之间为高电平。 串行输入(MOSI)----此端为串行输入端，主控制器应在串行 输入。 时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供ISD 串行输出(MISO)----ISD 的串行输出端。ISD 未选中时，本端呈高阻态。 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。 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。 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218.75μs 是高电平，31.25μs 为低电平。该端可用于存储管理技术。 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。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 17 数字录音笔的设计 接地。 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。 3.1.3 51 单片机简介 单片机是本次设计的核心部件，它要对键盘接口电路，LCD1602 显示电路，ISD4004 语音录放芯片衔接作用，使整个系统协调运行。 (1)片内振荡器及时钟信号的产生 AT89C51 是一个低功耗，高性能CMOS 8 位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000 次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51 指令系统及80C51 引脚结构，芯片内集成了通用8 位中央处理器和ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89C51 主要功能特性: 4k可反复擦写(>1000 次)ISP Flash ROM 32个双向I/O 口 18 数字录音笔的设计 2个16位可编程定时/计数器 全双工UART串行中断口线 RAM 128x8bit内部 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗(WDT)电路 AT89C51 140P1.0Vcc239P1.1P0.0338P1.2P0.1437P1.3P0.2536P1.4P0.3635P1.5P0.4734P1.6P0.5833P1.7P0.6932RSTP0.71031RXD P3.0EA1130TXD P3.1ALE1229INT0 P3.2PSEN1328INT1 P3.3P2.71427T0 P3.4P2.61526T1 P3.5P2.51625WR P3.6P2.41724RD P3.7P2.31823XTAL2P2.21922XTAL1P2.12021VssP2.0 AT89C51 51 单片机引脚图 该设计运用了AT89C51单片机丰富的片上资源，迅速的处理速 度，用定时器中断记录录音时间。 19 数字录音笔的设计 51 单片机系统电路图 (2)复位信号及其产生 其中51单片机外围电路包括由电容C1、C2、晶振Y1 组成的振荡电路，8051芯片内部有一个高增益反相放大器用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是8051 的19 脚和18 脚。在XTAL1 和XTAL2 两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，如图5 中的电容C1、C2、晶振Y1电容C1 和C2 通常取33pF 左右，对振荡频率有微调并且帮助起震作用。 RST 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即两个机器周期)以上。若使用频率为12MHz 的晶振，则复位信号持续时间应超过2μs 才能完成复位操作本系统采用上电复位，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，如上图中C3、R1 组成的电路。这样，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms。就可以实现自动上电复位，即 20 数字录音笔的设计 接通电源就完成了系统的复位初始化。 3.1.3主控制电路与语音电路电路图 主控制电路采用51单片机作为核心进行设计，主要作用是接受人机界面信息，并且转化成相应命令来控制语音芯片工作。 U0ISD1140P1.0VccVCCISD2239RSP1.1P0.0INT338ENP1.2P0.1SCLK437P1.3P0.2SS536P1.4P0.3S1SW-PBMOSI635P1.5P0.4RAC7345VP1.6P0.5MISO833R11KP1.7P0.6C31uF932RSTP0.71031RXD P3.0EA5V1130TXD P3.1ALE1229INT0 P3.2PSEN1328D7S1INT1 P3.3P2.71427D6T0 P3.4P2.6S21526D5T1 P3.5P2.51625D4S3WR P3.6P2.41724D3RD P3.7P2.31823D2XTAL2P2.21922D1Y1XTAL1P2.1122021D0VssP2.0 CRYXTALAT89C5133pF33pFC1C2 51单片机主控制电路图 语音电路主要是接受51单片命令并且实现相应的录放操作，因为本设计要实现录放时间大概为三十分钟左右的录音笔，所以采用2块ISD4004LM16芯片来实现，每一块可以录音时间是16分钟，两块恰好就是32分钟，因为使用两块录音芯片，为了节省单片机接口资源，采用74HC573锁存器来实现两块芯片的交替录放功能。本图中与主控电路具有相同的电气网络名称的表示的具有连接关系，因为电路较大所以采用这种方式进行标识(ISD1， INT ，SCLK，MOSI是与主控电路具有连接关系) 21 数字录音笔的设计 INPUTS1 6VSVCC2LS15C7250uF R337BYP110KGAINSpeaker48GNDGAINC5C4 LM386 12KR2C610.1uF0uF10uF U1VCC ISD1120OEVCC11VCCLE 128INT219SSSCLKD1Q1227SCLK318MOSIVCCDD2Q2326SS417MISOXCLKD3Q3425MOSI516VSSDINTD4Q4524RAC615NCRACD5Q5623MISO714NCVSSAD6Q6722813NCNCD7Q7821912NCNCD8Q8920NCNC101910NCNC GND1118C8input signalVSSANC12170.1uF 74HC573VSSAANAININPUT1316GND语音控制电路图 AUOUTANAIN1415C9AMCAPNC注意:本设计采用两块74HC573进行连接两块ISD4004芯片，0.1uF ISD4004因电路图相同，只是控制锁存器ISD1与ISD2不同。 22 数字录音笔的设计 3.2人机接口电路的设计 3.2.1 LCD1602实物图 3.2.1 LCD1602 电路设计 LCD1602 是一块液晶显示器，采用的是5×7 点阵显示形式，分为两行，每行可以显示16 个字符。芯片工作电压在5V 左右，工作电流2mA 左右。 (1)LCD1602引脚图 23 数字录音笔的设计 LCD1602 1Vss2VDD3VL4RS5R/W6E7D08D19D210D311D412D513D614D7 15BLA16BLK LCD1602 LCD1602 引脚图 (2)LCD1602 RAM 映射图 LCD1602 控制器内部带有80× 8 位(即80 个字节)的RAM 缓 冲区，示意图如下: LCD1602 RAM 映射图 (3)LCD1602 指令基本操作时序 <1>读状态:输入:RS=L，RW=H，E=H 输出:D0~D7=状态字 <2>写指令:输入:RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0~D7=指令码输 出:无 <3>读数据:输入:RS=H，RW=H，E=H 输出:D0~D7=数据 24 数字录音笔的设计 <4>写数据:输入:RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0~D7=数据输出: 无 读操作时序 写操作时序 LCD16021Vss2R4VCCVDD3VLRS410KRS5R/WEN6E7D08D19D210D311D412D513D614D7 R515VCCBLA1O16BLK LCD1602 LCD1602 电路原理图 25 数字录音笔的设计 3.3键盘电路设计 本设计的键盘采用独立式键盘，因为录音笔设计只需要几个键盘，其中包括了，录音键盘(S1)，放音键盘(S2)，停止键盘(S3)。 采用独立键盘的优点是电路简单，而且容易识别，程序设计上只需要扫描相应的接口即可，无需编码。但是它也有缺点，主要是占用资源较多，对于本设计所需键盘较少这时就不需要考虑这个问题了。 第四章 系统软件的设计与 Proteus 仿真 4.1编译环境介绍 本设计主要采用Proteus 和Keil 这两款个功能强大的仿真工具进行仿真实验。 Keil C51 是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编 26 数字录音笔的设计 代码，就能体会到Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。并且这一款软件一直在升级换代，本设计中使用的是Keil uVision 3 版本。 Keil C51 单片机软件开发系统的整体结构包括uVision 与Ishell，其中uVision 与Ishell 分别是C51 for Windows 和for Dos 的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件。然后分别由C51 及A51 编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51 创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51 连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS 文件由OH51 转换成标准的Hex 文件，以供调试器dScope51 或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试。 Keil C51 软件可以进行独立仿真以及调试，但是由于其生成的结果并非仅仅是一些数字，因而可视化效果差，所以本文中采 Keil 共同实现仿真已达到最佳的效果。 用Proteus 与 Proteus 软件是来自英国Labcenter electronics 公司的EDA 工具软件，Proteus 软件有近20年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA 工具一样的原理布图、PCB 自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，Proteus 能够很容易的为用户建立了完备的电子设计开发环境。 27 数字录音笔的设计 其功能模块:—个易用而又功能强大的ISIS 原理布图工具;PROSPICE 混合模型SPICE 仿真; ARES PCB 设计.PROSPICE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs 甚至LCD 显示CPU 模型. Proteus 与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。 Proteus 的主要特点:强大的调试功能，如访问寄存器与内存，设置断点和单步运行模式;支持如IAR、Keil 和Hitech 等开发工具的源码C 和汇编的调试;一键“make”特性:一个键完成编译与仿真操作;内置超过6000标准SPICE 模型，完全兼容制造商提供的SPICE 模型;DLL 界面为应用提供特定的模式;基于工业标准的SPICE3F5混合模型电路仿真器14种虚拟仪器:示波器、逻辑分析仪、信号发生器、规程分析仪等;高级仿真包含强大的基于图形的分析功能:模拟、数字和混合瞬时图形;频率;转换;噪声;失真;付立叶;交流、直流和音频曲线;模拟信号发生器包括直流、正旋、脉冲、分段线性、音频、指数、单频FM。Proteus 软件与Keil 连调时只需要在Keil 中编写相应语言代码，并在编译时生成Hex 文件，然后用Proteus 将要仿真的电路画好，加载生成的Hex 文件就可以进行仿真实验了。 28 数字录音笔的设计 4.2程序总体流程 开始 初始化 扫描键盘 N 有键按下 Y N 录音键, Y 录音 放音 Y 停止, N N 到16分, Y 转化芯片 Y 停止, 继续录放操作 结束 主程序流程图 29 数字录音笔的设计 如流程图所示，通过调用键盘扫描程序扫描键盘，调用液晶显示程序显示正在进行的操作，这样就实现了较好的人机操作，而调用时间中断程序进行计时操作，同时进行键盘的扫描和计时操作避免了在录放操作时CPU 闲置状态充分利用了接口资源，但是不可否认程序中也存在缺陷，当不小心按下两个按键时操作可能会出现混乱，所以在程序设计中应该改善这种情况，(即判断是否同时按下两个键，如果如此则显示操作错误，反之则继续进行操作)，本设计采用C 语言编写完成，具体程序见问后面的附录页。 4.3系统的Proteus 仿真 主界面图形 接通电源后，打开开关便进入了图形的主界面，主界面显示准备好了，并显示对将要进行的操作准备开始计时。 30 数字录音笔的设计 播放界面图形 当键盘有按键按下时，被扫描程序扫描到，该图形显示的是播放键按下，正在进行播放，并且定时器开始计时。 录音界面图形 当按下录音按键时，键盘扫描程序扫描到这个按键按下，便启动给ISD1420 发出信号启动录音功能，定时器开启，但录音时间满后，便自动返回主界面等待进行进一步操作。 31 数字录音笔的设计 结论 通过查询大量的资料文献和相应知识运用，以及相应芯片资料查询，通过计算机Keil 软件和Protues 连调，才得以完成本篇基于51 单片机录音笔设计的论文。 本设计通过51 单片机实现对芯片ISD4004 以及芯片LCD1602 的控制，分别实现录播与显示的功能，通过51 单片机对键盘的扫描来判断需要进行的操作。不可否认，本设计也存在一定的缺陷，例如因为采用专门的语音芯片，其内部ROM存储容量有限，正是因为它进行对模拟量的直接存储达到了高保真的效果，也是因为这一点未对数据进行压缩所以造成不可能进行大量语音信息的存储，这仅仅是其中的一个缺陷。因为时间有限，设备和资金的问题，没有将实物完成。尽管对本设计进行了可行性分析，但是仿真就是仿真，它必然与实际存在差别，加之个人能力有限的原因，本文定然存在不妥当和疏漏的地方，希望能够得到各位老师同学的批评指正～ 32 数字录音笔的设计 参考文献 《单片机应用技术(C语言版)》 王静霞 主编 杨宏丽 刘俐 副主编 《Altium Designer 6电路设计使用教程》 胡应占 主编 《信号与系统》 周涛 主编 王俊红 副主编 《通信电子线路》 程民利 主编 陈子聪 副主编 崔金辉 主 审 《电子测量与仪器》 李明生 主编 《电子技能与实训》 李怀刚 王庭才 主编 《电子与通信工程专业英语》 徐存善 主编 《单片机系统的PROTEUS 设计与仿真》 张靖武 周灵彬 主编 《基于ISD4004的录音系统》 毛凤波 主编 《基于ISP技术的ISD4004-16MP的录放控制》 王素珍 主编 33 数字录音笔的设计 致谢 在三年大学生活学习中，在各位老师的辛勤教导下，我在各方面的知识能力都得到很大的提高。我学会了如何快速地适应一个新的领域、掌握它的知识并灵活地运用它，懂得了学习要讲究方法，对于做设计和研究更是如此。在此我向所有给予我们谆谆教导的老师们表示由衷的感谢。特别是我的论文导师老师，在我写作论文的时间里，对我的学位论文给予悉心指导，并提出了宝贵的修改意见。论文指导老师及其他各位老师的敬业精神和严谨的治学作风深深的感动着我。在此我向我的论文指导老师和所有给予我关怀的老师们表示由衷的敬意和诚挚地感谢。 34 数字录音笔的设计 附录 系统主程序及部分子程序代码 鉴于C 语言通俗易懂，而且具有良好的可移植性所以本设计全部采用C 语言编写完成，本程序主要包括主程序，键盘扫描程序，液晶显示程序，定时器中断程序，延时程序以及出示化程序。 /*头文件及定义部分*/ sbit SCLK=P1^3; #include sbit SS=P1^4; #include sbit MOSI=P1^5; #define uint unsigned uchar code int table[]="PLAYING:"; #define uchar unsigned uchar code char table1[]="RECORDING:"; sbit lcdrs=P0^0;//特殊uchar code 位定义 table2[]="READY! "; sbit lcden=P0^1; uchar code table3[]=" sbit key1=P3^0; 00:00"; sbit key2=P3^1; uchar play，record; sbit key3=P3^2; uchar num1，num2，gw， sbit ISD1=P1^0; sw，g，s; sbit ISD2=P1^1; /*延时子程序*/ sbit INT=P1^2; void delay(uint z) 35 数字录音笔的设计 { uint x，y; lcden=1; for(x=z;delay(5);x>0;x--) (y=110;y>0;y--); }; forlcden=0; }; /*初始化子函数*/ /*液晶写命令子程序*/ void init() void write_cmd(uchar { cmd) ISD1=0; { ISD2=0 lcdrs=0; lcden=0; P2=cmd;//将数据送至P2 delay(5); 口 num1=0; delay(5); num2=0; lcden=1;//给液晶使能端gw=0; 高电平 sw=0;//初始化个个整型 delay(5); 变量 lcden=0;//再将使能端电TMOD=0x01; 平拉低，使其形成一个高脉冲 TH0=(65536-50000)/256; }; TL0=(65536-50000)%256; /*液晶写数据子程序*/ //为定时器设置定时模式，并 void write_dat(uchar 赋初始值 dat) EA=1;//打开单片机总的 { 中断 lcdrs=1; ET0=1;//打开定时器0 中 P2=dat;断 delay(5); //液晶初始化部分 36 数字录音笔的设计 write_cmd(0x38); delay(5);//进行延时为 write_cmd(0x0c); 键盘消除抖动 write_cmd(0x06);if(key1==0) write_cmd(0x01); play=1; write_cmd(0x80+0x04);} //初始化液晶显示指针 else//是否是录音键按 //下面为完成主界面显示下, 写数据 play=0;//设置播放键标 for(num1==0;num1<10;志位 if(key2==0) num1++) write_dat(table2[num1]{ ); delay(5); write_cmd(0x80+0x43); if(key2==0) for(num2=0;num2<6;record=1; num2++) } else write_dat(table3[num2]); record=0;//设置录音键 }; 标志位 /*键盘扫描子函数*/ } void keyscan() /*ISD4004 上电子程序*/ { void powerup() P1=0xff; { if(key1==0)//判断是否unsigned char m，i，j; SS=1;为播放键按下 { SCLK=0; 37 数字录音笔的设计 SS=0; SCLK=0; m=0x20;SCLK=1; i<8;i++) for(i=0;} { SS=1; m=_cror_(m，1); } j=m<<1; /*停止录音子电程序*/ MOSI=cy; void stopmode() SCLK=0; { SCLK=1; unsigned char m，i，j; } SS=1; SS=1; SCLK=0; } void stopmode() /*ISD4004 下电子程序*/ { void powerdown() unsigned char m，i，j; { SS=1; unsigned char m，i，j; SCLK=0; SS=1; SS=0; SCLK=0; m=0x30; SS=0; for(i=0;i<8;i++) m=0x10; { for(i=0;i<8;i++) m=_cror_(m，1); { j=m<<1; m=_cror_(m，1); MOSI=cy; j=m<<1;SCLK=0; MOSI=cy; SCLK=1; 38 数字录音笔的设计 } SCLK=0; /*SCLK=1;录音子电程序*/ void } record4004(unsigned int for(i=0;i<8;i++) address)//address--录音地{ 址0---2400 m=_cror_(m，1); { j=m<<1; unsigned char i，m，j; MOSI=cy; unsigned int SCLK=0; SCLK=1; datasoute=0; powerup(); } delay(5);//上电延时 SS=1; powerup(); SCLK=0; delay(5);//上电延时 m=0xb0; delay(5);//上电延时 SS=0; SS=1; for(i=0;i<8;i++) SCLK=0; { m=0xa0; m=_cror_(m，1); SS=0; j=m<<1; for(i=0;i<16;i++) MOSI=cy; { SCLK=0; address=_iror_(addressSCLK=1; ，1); } datasoute=address<<1; SS=1; MOSI=cy; p0=0xff; 39 数字录音笔的设计 datasoute=0; ，1); while(INT==1) //存储地datasoute=address<<1; 址换 SCLK=0; 行标志 MOSI=cy; { SCLK=1; if(RAC) {delay(20); } for(i=0;i<8;i++) datasoute++; }//记录本次录{ 音所占的行数(也就是本次录m=_cror_(m，1); 音有多大 j=m<<1; SCLK=0; } }; MOSI=cy; /*放音子函数*/ SCLK=1; void audioout(unsigned } int address) //放音程序 SS=1; { SCLK=0; unsigned char i，m，j; m=0xf0; unsigned int datasoute; SS=0; powerup(); for(i=0;i<8;i++) SS=1; { SCLK=0; m=_cror_(m，1); SS=0; j=m<<1; m=0xe0; SCLK=0; for(i=0;i<16;i++) MOSI=cy; {SCLK=1; address=_iror_(address} 40 数字录音笔的设计 SS=1; for(num1=0;num1<10;p0=0xff; num1++) while(INT==1) //写播放数据 {} write_dat(table[num1]) //while end; ; }; write_cmd(0x80+0x44); /*主函数*/ if(sw<=20) void main() { { if(sw==20) init(); { while(1) TR0=0; { } num1=0; g=sw%10; keyscan();//键盘扫描 s=sw/10; if(play||record==1)//write_dat(0x30+s); 有按键按下么, write_dat(0x30+g); { } TR0=1;//开定时器0 } if(play==1)//如果为播if(record==1)//如果为 放 录音 { { audioout(0); record4004(0); //从0 地址开始播放 //从0 地址开始录音 write_cmd(0x80+0x03); write_cmd(0x80+0x03); //调整液晶写数据指针 for(num1=0;num1<10; 41 数字录音笔的设计 num1++) write_dat(0x30+g); write_dat(table1[num1]}}} ); else//未播放也未录音 //写录制数据 { write_cmd(0x80+0x44); Stopmode();//禁止芯片 if(sw<=20) 4004 工作 { sw=0; if(sw==20) TR0=0; TR0=0; write_cmd(0x80+0x04); g=sw%10; for(num1==0;num1<10; s=sw/10; num1++) write_dat(0x30+s); write_dat(table2[num1]TH0=(65536-50000)/256;); //重新装初值 write_cmd(0x80+0x43); TL0=(65536-50000)%256; for(num2=0;num2<6;gw++; num2++) if(gw==20) write_dat(table3[num2]{ ); gw=0; } sw++;} }} } /*定时器0 服务程序*/ void timer0() interrupt 1 { 42