基于msp430的数字化语音存储与回放系统

基于MSP430的数字化语音存储与回放系统摘要：本系统由语音收集及前置放大模块、带通滤波器、电平调整电路、存储器、D/A转换电路、双极性电流至电压变换电路、音频功率放大器、液晶显示电路组成。驻极体话筒输出电平经增益约28dB的前置放大器NE5534放大至500mV左右，带通滤波电路通带为300Hz～3400Hz，电平调整电路采用op07将信号转换到0～2.5V的范围，控制核心采用超低功耗MSP430F149单片机，采用大容量SD卡作为数据存储芯片，采用单片机内集成12位ADC，采样频率为8KHz，数字信号经DAC0832转换、电流至电压变换后成为模拟语音信号,经带通滤波器再送往音频功率放大器进行回放。本系统具有长时间录音，较高保真地回放等特点。关键词：MSP430F149；SD卡；录音；回放；一、语音存储与回放系统方案设计论证1．存储器选择方案一：采用SD卡。存储容量为1G，采用单片机模拟SPI总线实现SD卡的SPI模式的读写，速度快，硬件电路简单操作简便。方案二：采用SRAM62256。在电路中可利用8255进行数字存储器的扩展,其中PB,PC用于扩展地址,PA用于扩展数据，扩展后容量只有256Kbit。方案比较：SD卡存储容量很大，几乎没有录音时间的限制，硬件电路简单；采用SRAM62256容许的录音时间只有十几秒，扩展存储器的硬件电路比较复杂，通过比较分析，选择存储量大，电路简单的方案一。2．单片机选择方案一：STC89C51单片机。含128字节内部数据存储器RAM，16位地址总线和8位数据总线，需外设AD0809模块，外扩存储芯片。单片机经过译码器实现地址扩展从而实现对AD0809，DA0832的操作。方案二：MSP430F149单片机。系统时钟较高，满足SD卡读写时间要求，3.3V电平与SD卡电平兼容，片内含2KBRAM，适合SD卡SPI模式下的512字节块读写要求，片内集成12位ADC，采样速率高。方案比较：51单片机价格便宜，但是内部RAM容量小，时钟较低，无A/D，采用51单片机外设电路比较复杂；430单片机低功耗，内部RAM容量大，含A/D,满足SD的读写要求，且外设电路更简单，系统硬件开销更小。通过比较分析，选择方案二。3．带通滤波器选择方案一：无源带通滤波器。直接将一阶RC低通滤波器和一阶RC高通滤波器串联构成二阶无源带通滤波器。低通滤波器上限频率为3400Hz,高通滤波器下限频率为300Hz。方案二：有源带通滤波器。采用二阶巴特沃斯低通滤波器和二阶巴特沃斯高通滤波器串联构成四阶巴特沃斯带通滤波器。方案比较：无源RC滤波器电路简单，参数改变容易，但是无源RC滤波器的幅频特性不是很理想，通带内信号有一定衰减；有源滤波器的幅频特性好，引入的噪声小，带内信号无衰减，且具有一定增益。通过比较分析，选择方案二。4．系统总体方案设计系统结构框图如图1所示。MSP430F149单片机是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读ADC转换结果及读写SD卡；写DAC0832；按键输入动作响应；LCD液晶驱动等。语音信号经放大滤波及电平调整电路处理后变成可供ADC模拟输入端正常采样的电压，单片机模拟SPI总线将ADC转换的结果写入SD卡，实现录音功能。单片机读取SD卡存储的数字量送到DAC转换成模拟量并经过输出电路处理后恢复原始语音信号，实现回放功能。按键的功能是切换录音、播放、停止三种功能模式。液晶模块显示当前工作模式。图1系统结构框图二、系统硬件设计与理论分析1．话筒拾音及前置放大电路理论分析与参数计算麦克风输出电平为20mV左右，需用放大器进行放大，以便推动后级电路。在本次设计中，我们通过比较选择采用增益约为28dB的前置放大器NE5534来实现语音信号的放大，电路如图2所示。图2话筒拾音及前置放大电路图麦克风输出信号经隔直电容C2滤掉信号的直流分量并接入放大器的反向输入端2，放大器正向输入端3经电阻R3接地，反向输入端2与输出端6之间接500kΩ的电位器，通过调节电位器的有效接入阻值可改变放大器的增益。这里，取放大器放大倍数为25，电位器有效接入电阻为25kΩ左右，输出端6的电压能达到500mV左右。电源供给端并上合适的电容如1uF，可起到滤掉高频干扰的作用。2．带通滤波电路理论分析与参数计算为了滤除不必要的干扰和杂波,提高语音信号的信噪比，系统前向通道和后向通道要求各设计一个通带为300Hz～3400Hz的带通滤波器。本设计中采用四阶巴特沃思带通滤波器，其中低通滤波器U1上限截止频率为3400Hz,高通滤波器U2下限截止频率为300Hz,电路如图3所示。图3带通滤波电路图根据系统要求，选择低通级电路的电容值为C1=C2=1nF，高通级电路的电容值为C3=C4=100nF，由112/1CRfH可计算出R1=R2=45.3kΩ，由352/1CRfL可计算出R5=R6=6.34kΩ。根据R4=(1.152-1)R3和R8=(2.235-1)R7以及加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地的直流电阻基本相等，计算得到R3=681kΩ，R4=105kΩ，R7=22.6kΩ，R8=28kΩ。实际取值为R1=R2=33kΩ，R3=660kΩ，R4=220kΩ，R5=R6=5.6kΩ。R7=22kΩ，R8=30kΩ。实际测试得到一个带通滤波器的通带为250～3500Hz，另一个是300～3700Hz，增益约7dB。3．电平调整电路理论分析与参数计算电平调整电路将原先双极性的语音信号转换到0～2.5V的电平范围,以满足单片机内部12位ADC对模拟输入端信号的要求。电路如图4所示。图4电平调整电路整个电路由二级放大电路、加法器、限幅电路组成。采用增益约为10dB的OP07放大电路实现电平的二级放大，将电平范围由原来的500mV放大至1.5v左右。采用放大器OP07构成加法器，将二级放大后的交流信号经电阻R3接入加法器正向输入端3，同时为将电平范围提升至0～2.5V，在加法器同相输入端叠加一个1v左右的直流电平，该电平可由3.3v电源经500kΩ电位器分压得到，计算得电位器有效接入电阻应为R=152kΩ。限幅电路保证了在有外界干扰的情况下输出信号下限不低于0v，上限不高于3.3v。4．D/A转换电路理论分析与参数计算采用8位D/A转换器DAC0832实现数字量至模拟量的转换，这里采用直通型工作方式，数字量一旦输入，就直接进入D/C寄存器，进行D/A转换。通过连续改变数字输入端的数字信号即可实现连续转换。由于DAC0832是电流输出型的D/A，所以在OUTI输出级后加了一级运算放大器，运放输出为OUTU，实现了将DAC0832输出的电流信号转变为电压信号的功能。在运算放大器输出端串联一个隔直电容，完成恢复双极性信号的目的。电路如图5所示。图5D/A转换电路图5．音频功率放大电路理论分析与参数计算数字信号经D/A转换、双极性电流至电压变换后已成为模拟语音信号，经带通滤波后需送往音频功率放大器，做适当的功率提升而推动喇叭或耳机进行回放。本设计中采用以TDA2030为核心芯片的有源功放电路，具有体积小、输出功率大，谐波失真和交越失真小等特点，且具有优良的短路和过热保护功能。电路如图6所示。图6音频功率放大电路图三、系统软件设计本次数字化语音存储与回放系统软件设计程序由四部分组成,即主程序、键盘中断处理程序、系统ADC中断处理程序、定时器中断处理程序。主程序中将程序运行状态分为三种,即RECORD(录音)、PLAY(回放)、STOP(停止)，依靠LCD1602液晶显示指示当前工作状态。键盘中断处理中，若“录音”键按下,则设置当前状态为“RECORD”；若“放音”键按下,则设置当前状态为“PLAY；若“停止”键按下,则设置当前状态为“STOP”。每进入ADC中断，系统从AD口采样转换数据，每转换512字节数据，就将此块数据写入SD卡。利用定时器A产生定时中断,定时时间为0.125ms，在定时中断中进行从SD卡每次读取512字节块数据和写DAC的操作。程序流程如图7所示。读取按键键值Key==1Key==2Key==4ADC12IE=0x01；开启ADC采样Num++；Num==512？设备初始化向SD卡写512字节数据addr++；读取键值Y当前状态录音关闭采样max=addr；播放关闭定时器P4OUT=0x00；CCTL0=CCIE;开启定时器A进入中断进入中断P4OUT=SX_data[su++]Su==512？从SD卡读512字节数据addr++；读取键值YNN停止Addr==max？NYKey==2？YN图7程序流程图四、测试方案与测试结果1．调试仪器和调试方法(1)调试仪器调试仪器型号数字示波器TektronixTDS1002函数信号发生器EE1411型直流稳压电源YB1732A3A3位半数字万用表VC9806+秒表(2)调试方法利用函数发生器产生峰-峰值为1mV，频率分别为250Hz、300Hz、500Hz、1000Hz、2500Hz、3000Hz、3400Hz和3500Hz的正弦信号接入带通滤波器，用数字示波器观察相同幅度、不同频率的正弦信号经带通滤波器后的输出情况，，并做好相关的记录。用秒表5次测试录音存储时间及相应的播放时间。2．测试数据表一带通滤波器通带测试数据频率（Hz）输入电压（mV）输出电压（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表二录音、播放时间测试数据次数录音时间（s）播放时间（s）154.22108.432016.945042.6510085.43．测试结果分析通过表一，可以看到在输入信号频率为250Hz和3500Hz时，输出电压分别为1.5466mV和1.5507mV，增益分别为3.89dB和3.81dB，相比表中2500Hz的增益6.97dB，下降了约3dB，这说明，截止频率分别接近250Hz和3500Hz。可见，本设计中前向通道带通滤波器的实际通带范围为250～3500Hz，基本符合要求。通过表二，可以看出5次不同时间的录音，播放时间在录音时间较短时基本和录音时间一致，但录音时间较长时播放时间较录音时间有一定误差，通过试听发现，播放语音速度较录音稍快，但影响基本可以忽略，回放杂音很小，语音输出信噪比较高。系统可以实现长时间的录音和较高保真的回放。五、结语在此次作品设计过程中，以低功耗、长时间录音、高保真为出发点，从器件选型和电路设计都做了精心挑选，如选择MSP430超低功耗单片机、大容量存储芯片SD卡、语音放大及滤波电路等。在设计过程中，也遇到些问题，如做电平范围调整电路时，刚开始没接二极管进行限幅，结果用示波器观察电路输出信号时，外界很小的干扰声音都会产生很多尖脉冲，不仅超出了单片机AD能正常采样的正常电平范围，甚至对单片机正常工作都产生威胁，在有外界干扰较多的情况下这种情形尤为严重，为解决这一问题，我们尝试着在输出端接了两个二极管进行限幅，使输出信号电平控制在0v至3v之间，取得了良好的效果。本作品增益范围调节宽,抑制杂音能力强,语音输出信噪比高，数字化语音存储时间长。随着语音功能在电子信息业中的使用越来越普及,本系统必将有很广阔的应用前景。参考文献[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京：北京航空航天出版社，2006.[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2007）[M].北京：北京理工大学出版社，2008.[3]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].武汉：高等教育出版社，2006.