摘要： 在研究傳統語音錄放電路的基礎上，提出了一種基于AT89S52 的音頻信號采集、存儲與處理系統。該系統以單片機AT89S52 為控制器， 采用鍵盤和LCD 作為人機界面，ADC0809 采集音頻信號， 擴展8 MB 閃速存儲器K9F6408U0A作為數字化音頻信號的存儲器，通過軟件濾波濾除噪音；采用PWM 產生聲音的原理，使存儲在Flash 中的音頻數據控制PWM 每個波形的占空比，通過低通濾波器將聲音從PWM 的脈沖中分離，并驅動揚聲器。實驗表明：8 kHz 采樣頻率和8 位采樣位數可獲得清晰的語音以及較好的音樂聲，語音存儲時間達15 min。
數據采集技術涉及領域廣,采集信號的動態范圍寬,處理數據量大,對系統實時性能要求高。以數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。本設計利用了數字電路的這些優點，對傳統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。
2）利用DSP 對采樣信號進行處理。DSP 是專門為快速實現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，將轉換得到的數字化音頻信號存儲到擴展的數據存儲器中，利用軟件對信號進行數字濾波，最后通過單片機輸出PWM 信號來完成放音。
從經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 轉換電路實現對模擬信號的編碼。微處理器是系統的核心，它用來對數字化音頻信號進行處理和存儲，協調系統各個部分的工作，輸出PWM 波來驅動輸出電路。
系統硬件結構框圖
圖1 系統硬件結構框圖。
2.1 單片機
單片機是系統的控制中心， 它主要實現以下的功能：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； 控制音頻數據的采集并存儲在Flash ROM， 放音時讀取Flash ROM 中數據，用軟件方法產生PWM 脈沖信號，實現語音的存儲和回放。
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，將其串聯在電路中，電阻的變化形成電壓的變化，經過電容通交隔直，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量級， 會產生很大的誤差，為了保證系統的精度，在和A/D 轉換電路相連之前，需串聯一個放大電路， 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的精度影響最大，故將其設計為抗共模干擾強的并聯負反饋放大電路, 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 與系統處理器AT89S52 組成， 主要實現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。
ADC0809 與AT89S52 的連接電路
圖2 ADC0809 與AT89S52 的連接電路
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據指針DPTR 中。ADC0809 的轉換結束信號EOC 取反后與AT89S52 的INT1 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生1 字節的數字編碼信號，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，故系統選用8 MB 的Flash 存儲器K9F6408U0A，由于該存儲器的地址線和數據線可復用[3]，這樣可節省I/O 接口。K9F6408U0A 的最大優點在于其命令、數據和地址均可通過8 條I/O 接口線與主控制器進行通信， 大大簡化了系統的連線， 增強了系統的穩定性。除8 條I/O 接口線外，K9F6408U0A 還包括以下控制線，1）CLE： 命令鎖存使能端，高電平有效。在WE 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WE信號的上升沿， 地址信號可通過I/O 口鎖入地址寄存器；3）CE：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時，CE 高電平將被忽略，4）WE： 寫使能口，命令、地址和數據在WE 信號的上升沿被鎖定；5）RE： 讀使能口，在該口的下降沿將數據送到I/O 口線上，并使內部列地址寄存器加1；6）WP：寫保護口，低電平有效，當其為低時，編程和擦除操作禁止；7）R/B：操作狀態指示信號。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，從而方便實現系統主控制器對K9F6408U0A 的控制。AT89S52單片機與K9F6408U0A 存儲接口電路如圖3 所示。
AT89S52 與K9F6408U0A 存儲接口電路
圖3 AT89S52 與K9F6408U0A 存儲接口電路。
2.5 PWM 輸出電路
本設計采用單片機輸出PWM 信號驅動音頻放大電路，PWM 輸出電路如圖4 所示。PWM 是一種利用微處理器的數字輸出控制模擬電路的有效技術，對一系列脈沖的寬度進行調制，等效獲得所需波形，并且由于沒有使用D/A 轉換器，系統成本減少很多。PWM 的優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行D/A 轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。此外PWM 信號很容易通過MCU 的軟件進行控制，即使電路稍微有些系統誤差，易于通過軟件進行校正。
圖4 中， 利用單片機的P1.7 引腳輸出一定寬度的PWM信號，通過三極管整形后，作用在慣性環節上，得到的輸出信號PWMOUT 將作用在音頻功放電路上，還原為聲音。
PWM 輸出電路
圖4 PWM 輸出電路。
2.6 音頻功率放大電路
為了使系統有足夠大的輸出，驅動揚聲器發聲，便于調節音量， 在PWM 輸出電路后使用了音頻信號功率放大器LM386 構建功率放大電路，如圖5 所示。
音頻功放電路
圖5 音頻功放電路。
LM386 型音頻功率放大器主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20。但在其引腳1 和8 之間外接電阻和電容， 便可將電壓增益調為任意值， 直至200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半, 在6 V 電源電壓下, 其靜態功耗僅為24 mW, 使得LM386 特別適用于電池供電的場合。PWMOUT 為PWM 輸出電路的輸出，揚聲器為8 Ω，0.5 W。經過調試發現將電源+5 V用10 μF 和0.1 μF 的電容濾波后，會減小很多噪聲，效果較好。
3 系統軟件設計
系統具有錄音、放音、暫停、清除存儲內容等功能，各種功能由按鍵來選擇，系統首先掃描各個按鍵的狀態，如果有按鍵按下，就轉往相應的處理程序，系統程序流程如圖6 所示。
系統流程圖
圖6 系統流程圖。
3.1 系統初始化程序
系統初始化程序主要對單片機中斷、定時器、LCD 初始化、鍵盤、PWM、K9F6408U0A 存儲接口，以及ADC0809 地址、程序中要用到的各個變量進行設置。
3.2 按鍵掃描程序
由于錄音和暫停是由和外部中斷引腳相連的2 個按鍵來設置，一旦按鍵按下就進入錄音或放音程序，所以按鍵掃描程序用于掃描放音鍵和清除鍵是否按下。
3.3 錄音程序
與外部中斷0 相連的按鍵按下，則進入錄音程序。
錄音過程實質上是啟動ADC0809 對模擬音頻信號進行采樣， 并將A/D 轉換結果存儲到外圍數據存儲器中的過程，故其主要包含對ADC0809 進行讀取， 對外圍數據存儲器進行寫入兩個部分。
提取聲音數據時，要注意采樣頻率、采樣位數、存儲容量與存儲時間的關系，通常8 kHz 的采樣頻率和8 位的采樣位數可獲得清晰的語音以及較好的音樂聲，并且占有較少的存儲空間。
以8 kHz 的采樣頻率啟動ADC0809，并讀取上次采樣結果，寫到外擴Flash 存儲器的代碼片段如下：
3.4 放音程序
若P1.0 按下，則執行放音程序。放音過程實質上是讀取外圍數據存儲器中的數據，將其轉化為一定寬度的PWM 波，進行輸出的過程。讀取K9F6408U0A 的子函數如下：
// 函數名稱： READBYTE
產生PWM 波形的步驟：1）設置定時器,產生定時中斷，若采樣率為11.025 kHz， 則設置定時器的定時中斷頻率為11.025 kHz；2）初始化PWM 模塊，產生11．025 kHz 的PWM波形；3）等待定時器中斷，在中斷處理程序中取采樣數據，并設置PWM 占空比寄存器，判斷聲音是否播放完成。若完成，則關定時器中斷，并停止PWM 輸出。
3.5 暫停程序
在錄音過程中，如果需要暫時停止錄音可以按下暫停鍵進入暫停狀態， 再次按下暫停鍵可以返回暫停以前的狀態。
程序中設置了一個變量來指示現在是應該暫停還是恢復。
3.6 存儲器內容清除程序
當存儲器內容已滿，而又需要錄音時，可以按下清除按鍵，清除一定容量的內容，供用戶再次使用。
擦除：以塊為單位進行擦除。代碼片段如下。
4 調試注意事項
系統進行調試時，應注意以下方面：
1）由于在PCM（Pulse Code Modulation）編碼及DPCM 編碼模式下都要采用8 kHz 的采樣率，所以，每次壓縮中斷服務程序必須在不超過125 μs 的時間內完成，因此，壓縮錄音處理程序的代碼必須進行最大可能的優化，以減少程序執行時間，以免采樣和數據處理或信息顯示發生沖突，也可避免在中斷采樣時造成采樣點的丟失。
2）在選擇ADC0809 的時鐘時，經典選擇是640 kHz 左右，最初選擇將單片機的ALE 端4 分頻后作為ADC0809 的時鐘信號，但發現影響了LCD 的輸出顯示。將ALE 改為2 分頻后（用1 M 觸發）作為ADC0809 的時鐘信號，問題得到解決。
3）使用MAX813L 復位芯片替代RC 復位電路，使電路可靠復位，結合軟件監控實現看門狗功能。
4）當采樣頻率為8 kHz，字長為8 位時，存儲語言時長超過15 min，回放語音質量良好。
5 結束語
利用K9F6408U0A 8 MB NAND Flash 存儲器和單片機PWM 功能可為單片機的應用增加語音功能。對聲音采樣數據的存儲方式是用直接的、原始的采樣數據。在具體的實際應用中，可選用內嵌A/D 轉換器的STC12C5A08AD，可省去外擴ADC0809，使電路更簡潔。創新之處在于不使用專用的語音芯片，實現使單片機應用系統語音的存儲與回放。
