基于单片机的音乐录放器的设计毕业论文.doc

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1、编号：11006210052（和编号字体字号相同）南阳师范学院2007届毕业生毕业论文（设计） 题 目： 基于单片机的音乐录放器的设计 完 成 人： 杨雷 班 级： 2011-03 学 制： 4年 专 业： 自动化 指导教师： 李健 完成日期： 20150424 目 录第 1 章 摘要（ ）第 2 章 绪论（ ）第 3 章硬件系统的设计与实现 （ ）3.1 方案的选择 （ ）3.2凌阳单片机的简介（ ）3.2.1 综述（ ）3.2.2 结构概览（ ）3.2.3 芯片的引脚排列和说明（ ）3.2.4 SPCE061A 的最小系统（ ）3.2.5 SPCE061A 开发方法（ ）3.3 SPCE0

2、61A 的外部存储器的扩展( )3.3.1 综述 （ ）3.3.2 W29C040 的介绍（ ）3.3.3 W29C040 写、擦除流程图（ ）3.3.4 系统结构图（ ）3.3.5 SPCE061A 与 W29C040 的硬件连接（ ）第 4 章 软件系统的设计与实现 （ ）4.1 凌阳音频的介绍（ ）4.1.1 音频的概述（ ）4.1.2 数字音频的采样和量化（ ）4.1.3 音频格式的介绍 （ ）4.1.4 语音压缩编码基础 （ ）4.2 凌阳音频编码算法 （ ）4.2.1 压缩分类 （ ）4.2.2 凌阳常用的音频形式和压缩算法 （ ）4.2.3 凌阳语音的播放、录制、合成和辨识（ ）

3、4.2.4 语音录入使用介绍（ ）4.3 W29C040 与 SPCE061A 的系统软件设计 （ ）4.3.1 程序流程图（ ）4.3.2 程序源代码（ ） 第 5 章 扩展设计（ ）5.1 数码录音和播放系统的增强设计（ ）5.2 温度测量显示存储系统（ ）5.2.1 系统总体方案介绍（ ）5.2.2 系统的硬件设计（ ）5.3 SPCE061A 的周边模块（ ）5.3.1 电源模块（ ） 5.4系统的软件设计 （ ）5.4.1 主流程图（ ）5.5 凌阳的其他应用（ ）第 6 章 结束语（ ）参考文献（ ）附录 中英文翻译（ ）附录 1SPCE061A 的语音录放 英文原稿（ ）附录 2

4、 SPCE061A 的语音录放 中文译稿（ ）基于单片机的音乐录放器的设计作 者：杨雷指导教师：李健摘 要:本次课程设计的主要目的是制作一个基于单片机的数码录音和播放系统。选用凌阳 16 位单片机 SPCE061A 和外部扩展存储器 W29C040来实现。其具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，特别适应于数字语音录放和语音识别等数字应用领域。SPCE061A 是台湾凌阳公司生产的十六位单片机，该单片机内置有 2 路 DA 转换，8 路 AD 转换及在线仿真等丰富的功能，W29C040 是台湾华邦公司生产的 4M 位的 FLASH 存储芯片，利用它存储凌

5、阳格式的语音资源，可以长达 4 分钟语音录放。该系统可以广泛应用于需求的录音较长的场合。如检测温度的存储播放系统，自录语音提示等应用方案。本系统提供 W29C040 相关的读写模块，此模块也可应用于 W29C040 同系列的相关 FLASH 芯片中。如果是简单的控制对象，只需要利用单片机作为控制核心，不需要另加外部设备就能实现。对于较复杂的系统，只需对单片机进行适当的扩展即可，十分方便。对一个复杂或功能强大的语音， 图象处理系统需要很大的,不同的存储器（ROM,FLASH,SRAM）的存储空间，为了解决 I/O 不够的问题，我们使用 W29C040 芯片来扩展 SPCE061A 的存储器来实现

6、更大空间的存储。关键词: SPCE061A；闪存；W29C040；语音输入/录放ABSTRACT：This curriculum designs mainly is 16 monolithic integrated circuitswhich newly develops using Ling Yangzui manufactures based on SPCE061Aand the W29C040 digital sound recording and the broadcast system. Thissystem provides the W29C040 correlation the

7、read-write module, thismodule also may apply to W29C040 with the serise in correlation FLASH chip.SPCE061A is Taiwan insults 16 monolithic integrated circuits which thepositive company produces, in sets has 2 group DA to transform _ groupAD transformation and the on-line simulation and so on rich fu

8、nctionW29C040 M FLASH memory chip, uses it to save insults the positive formthe pronunciation resources, may long reach 4 minutes pronunciationsrecording and sending out. This system may widely apply to a demandrecording longer situation. If the temperature examination memorybroadcast system, from r

9、ecords application plan and so on voice prompt KEYWORDS：SPCE061A ；W29C040；flash memory；voice record 第 1 章 绪 论随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化的发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小，功能强，价格低，使用灵活等特点，显示出出很强的生命力。可以认为，单片机技术已经成为现代电子技术的十分重要的技术之一，可以使设计的电子产品更具智能化和先进性。进入21 世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机

10、的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。台湾凌阳科技公司公司最近推出一种新型 16 位单片机 SPCE061A。该单片机的问世，使得 16 位单片机的科技含量及应用跃上一个新的台阶。在航空航天，机械加工，智能仪器仪表，家用电器，通信系统，智能玩具等领域，单片机都发挥了巨大的作用。所谓单片机（Single Chip Microcomputer）,是指一块芯片中集成有中央处理器（CPU），存储器（RAM 和 ROM），基本 I/O 接口以及定时器/计数器等部件，并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。如果是简单的控制对象，只需要利用单片机作为控制核心，不需要另加外

11、部设备就能实现。对于较复杂的系统，只需对单片机进行适当的扩展即可，十分方便。归纳起来，单片机系统有以下的特点：（1）单片机独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分体现出来（2）系统配置以满足控制对象的需求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比（3）应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM 中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便.系统规模小，本身不具有开发能力，一般需要借助专用的开发工具进行系统的开发和调试，而实际的应用系统简单实用，成本低，效益好。（4）应用系统所用存储器芯片可选用 EPROM，EEPROM，OTP 芯片或利用掩膜形生产，便于批量开发和应用。许多单片机（如 80C51 系列）的开

12、发芯片和扩展 芯片险乎配套，降低了系统成本。（5）系统小巧玲珑，控制功能强，体积小，便于嵌入被控设备之内，大大推动了产品的智能化。如数控机床，机器人，智能仪器仪表，家用电器等都是典型的机电一体化设备和产品同时，随着社会和科技的不断发展，“PC”的到来以开始改善了人们的生活水平。所谓后 PC 时代，是英文 Pervasive Computing，翻译为渗透到各个方面的计算。因而，后 PC 时代的计算机都以非计算机的形式存在，将渗透到欧文们生活的方方面面。例如，电视机，机器人，数控设备等，其中心控制部件是计算机，但他们都是以嵌入式系统的形式存在。单片机作为计算机技术的一个重要分之，嵌入式系统的先头

13、兵，广泛的应用于空业控制，智能仪器，机电一体化产品，智能电器，个人数字处理器等领域。随着微电子技术的快速发展，电子系统设计已进入了片上系统（SOC，System On Chip）时代，单片机的更能也越来越强大，使其成为真正的系统单片机。单片机是随着微型计算机，单板机的发展及其在智能测控系统中的应用而发展起来的。随着微电子技术的迅速发展，目前世界上各个公司都研制出了各种应用领域的单片机，单片机芯片市场也异常活跃，从 8 位低端，到高性能的 16 位，到集成度，速率，可靠性等全方位向更高水平发展的 32 位系列。随着微电子，半导体工艺的不断进步，单片机芯片在向高度集成化，低功耗的方向发的发展。目前

14、世界上各个公司都研制出了各种应用领域的单片机，如 ATMEL 公司的 80C9X系列，INTEL 公司的 MCS-5X 系列，MOTOROLA 的 68 系列和 ZILOG 的 Z8 系列。目前，中国台湾的凌阳公司最新推出了 16 位的 SPCE 系列由于其在语音功能的独特应用，得到了广大客户的认可，因此，也是我这次毕业论文所选择的单片机。本次毕业论文就是选用凌阳 16 位单片机 SPCE061A 和外部扩展存储器W29C040 来实现数码语音的录取和播放系统。第 2 章 摘 要本次课程设计主要是利用凌阳最新开发的 16 位单片机来制作一个基于SPCE061A 和 W29C040 的数码录音与

15、播放系统。本系统提供 W29C040 相关的读写模块，此模块也可应用于 W29C040 同系列的相关 FLASH 芯片中。SPCE061A 是台湾凌阳公司生产的十六位单片机，内置有 2 路 DA 转换，8 路 AD 转换及在线仿真等丰富的功能。 W29C040 有 4M 位的 FLASH 存储芯片，利用它存储凌阳格式的语音资源，可以长达 4 分钟语音录放。该系统可以广泛应用于需求的录音较长的场合。如温度检测存储播放系统、自录语音提示等应用方案。关键词 SPCE061A，W29C040，闪存，语音输入/录放第 3 章 硬件系统的设计与实现3.1 方案的选择当今微型计算机技术的发展形成两大技术分支

16、：一是以微处理器 MPU 为核心组成的通用微机系统；另一分支是发展面向对象的用于实时测控的微控制器 MCU即单片机。随着超大规模高速集成电路的发展，现代电子技术进入了片上系统SOC（System On a Chip）阶段，从而使单片机的设计与应用发生了深刻的变化。凌阳科技推出的nSP单片机就是基于 SOC 的新型数/模混合的系统芯片。凌阳单片机顺应了单片机技术的发展趋势，其系统芯片具有集成度高，数/模混合，功能全，低功耗，低电压和易于开发等特点。另外，凌阳单片机还增加了适合与DSP 的某些特殊指令；有的还嵌入了 LCD 控制/驱动和双音多频发生器功能。这些都进一步扩大了单片机的应用范围。凌阳公

17、司为nSP单片机的应用开发提供了较为完善的开发支持工具。nSP CPU 系统仿真板，高性能的 C 语言编译器，并提供了 C 语言的编程函数库。因此，我们本次毕业设计选择nSP单片机来做一个复读机，在做的过程中熟悉一下凌阳单片机。凌阳单片机自带的存储器是不够的，所以我们必须扩展外部存储器1 80C51:方案在我国单片机的市场中，51 单片机曾经占据着绝对的主导地位，但在科技不断发展的当今，嵌入式系统正在不断流行开来，对单片机的处理速度的要求不断提高，对单片机的处理功能也要求越来越强。我个人认为，除了其速度不够快外，集成度不高是 51 最大的缺点。在当今比较高端应用场合，可能再也难以见到 51 单

18、片机的身影，取而代之的是 ARM 和 DSP 等处理器。2 DSP 方案:在数字信号处理方面，处处可以见到 DSP 的身影。对于本系统中的语音采集，数据处理存放，语音回放，DSP 可以轻而易举的完成这些基本功能。DSP 强大的数据处理能力是让众多的单片机都望尘莫及的。3 凌阳方案:我认为，凌阳是 51 和 DSP 之间的一种良好的结合。SPCE061A是台湾凌阳公司生产的十六位单片机，该单片机内置有 2 路 DA 转换，8 路 AD 转换及在线仿真等丰富的功能，这些都为我们实现数码录音和播放提供良好的方便条件， W29C040 是台湾华邦公司生产的 4M 位的 FLASH 存储芯片，利用它存储

19、凌阳格式的语音资源，可以长达 4 分钟语音录放。该系统可以广泛应用于需求的录音较长的场合。如录音笔、自录语音提示等应用方案。本系统提供 W29C040 相关的读写模块，此模块也可应用于 W29C040 同系列的相关 FLASH 芯片中另外，凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准 C 语言，可以实现 C 语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放综上所述，我们选择了凌阳方案。3.2 凌阳单片机的简介3.2.1 综述随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处

20、理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的 16 位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的 CPU 内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕nSP所形成的 16 位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以nSP内核为中心集成不同规模的 ROM、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件。如图3-1 所示nSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通

21、用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。nSP家族有以下特点:体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展nSP家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。具有较强的中断处理能力nSP家族的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源，适合实时应用领域。高性能价格比nSP家族片内带有高寻址能力的 ROM、静态 RAM 和多功能的 I/O 口。另外，nSP的指令系统提供

22、具有较高运算速度的 16 位16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP 功能，使得nSP家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的 DSP 芯片廉价。功能强、效率高的指令系统nSP指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。低功耗、低电压nSP家族采用 CMOS 制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，nSP家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE5

23、00A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。性能16 位nSP微处理器；工作电压(CPU) VDD 为 2.43.6V (I/O) VDDH 为 2.45.5VCPU 时钟：0.32MHz49.152MHz ；内置 2K 字 SRAM；内置 32KFLAS

24、H；可编程音频处理；晶体振荡器;系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为 2A3.6V；2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道；32 位通用可编程输入/输出端口；14 个中断源可来自定时器 A / B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容纳 210 秒的语音数据；锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号；32768Hz 实时时钟；7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风

25、放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路 ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有 WatchDog 功能应用领域家用电器控制器：冰箱、空调、洗衣机等白色家电仪器仪表：数字仪表（有语音提示功能）电表、水表、煤气表、暖气表工业控制智能家居控制器通讯产品：多功能录音电话、自动总机、语音信箱、数字录音系统产品医疗设备、保健器械（电子血压计、红外体温监测仪等）体育健身产品（跑步机等）电子书籍（儿童电子故事书类）、电教设备等识别遥控器、智能语音交互式玩具等）3.2.2 结构概览SPCE

26、061A的结构如图3-2所示语音识别类产品（语音3.2.3 芯片的引脚排列和说明SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如图3-2所可将PFUSE接5V, PVIN接GND并维持1s以上即可将内部保险丝熔化，此后就无法读取和向闪存加载数据。SPCE061A系统的特性参数如表3-23.2.4 SPCE061A 最小系统最小系统接线如图 3-3 在 OSC0、OSC1 端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入 VCP 端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上 0.1F 的去藕电容提高抗干扰能力。3.2.5 SPCE061A开发方法S

27、PCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具硬件在线实时。SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具硬件在线实时。真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真图3-4机、PROBE、用户目标

28、板三者之间的连接示意图，图3-5连接图。3.3 SPCE061A 的外部存储器（Memory）的扩展3.3.1综述随着数字语音，图象处理技术的飞速发展，其在电子产品中也得到广泛应用，如语音智能玩具、PDA 以及有语音、图象识别技术的机器人。一个复杂或功能强大的语音，图象处理系统需要很大的,不同的存储器（ROM,FLASH,SRAM）的存储空间。那么系统如何扩展 Memory，解决 IO 口不够的问题呢？这里介绍一款芯片-W29C040,它能够解决所有 IO 不够用的问题.SPCE061A 是台湾凌阳公司生产的十六位单片机，该单片机内置有 2 路 DA转换，8 路 AD 转换及在线仿真等丰富的功

29、能，这些都为我们实现数码录音和播放提供良好的方便条件， W29C040 是台湾华邦公司生产的 4M 位的 FLASH 存储芯片，利用它存储凌阳格式的语音资源，可以长达 4 分钟语音录放。该系统可以广泛应用于需求的录音较长的场合。如录音笔、自录语音提示等应用方案。本系统提供 W29C040 相关的读写模块，此模块也可应用于 W29C040 同系列的相关 FLASH芯片中。3.3.2W29C040 的介绍W29C040 为 32 脚 DIP 封装芯片，工作电压为 5V，内部 512K * 8 位的快速闪存，它的结构为 256 字节为一页，每页的擦写时间为 5mS，整片擦除时间为 50mS。管脚表如

30、下：1.W29C040 读写时序图A0-A18DQ0-DQ7/#CE#OE#WEVdd5VVss（1） 读时序图（2）在数据保护模式下的页写时序图（3） 写结果判断时序图3.3.3 W29C040 写、擦除流程图1(3)12(4)23.3.4 系统结构图本系统包括按键部分、音频录入部分、音频输出部分和 W29C040 存储扩展等四部分。按键部分：按键 1 开始语音录入按键 2停止录音，播放语音。音频录入部分：主要是由 MIC、自动增益电路、AD 转换电路构成，通过 MIC采样语音数据，并经内置自动增益电路处理、AD 转换后，编码并存储到 W29C040FLASH 中。音频输出部分：主要是将 S

31、PCE061A 两路音频输出端通过 LM386 放大，经喇叭播放。W29C040 存储扩展部分：通过 SPCE061AIO 口的控制，将录音编码后的数据存储到 W29C040 中。系统实现的功能：通过按键 1，开始录音，按键 2，结束录音并播放所录的语音。播放结束后，可以继续录入下一段语音。3.3.5 SPCE061A 与 W29C040 的硬件连接图本系统硬件电路包括按键部分、音频录入部分、音频输出部分和 W29C040存储扩展等四部分电路。音频录入部分详细电路图如图 3-7音频输出部分详细电路图如图 3-8第 4 章 软件系统的设计与实现4.1 凌阳音频介绍4.1.1音频概述我们所说的音频

32、是指频率在20 Hz20 kHz的声音信号，分为：波形声音、语音和音乐三种，其中波形声音就是自然界中所有的声音，是声音数字化的基础。语音也可以表示为波形声音，但波形声音表示不出语言、语音学的内涵。语音是对讲话声音的一次抽象。是语言的载体，是人类社会特有的一种信息系统，是社会交际工具的符号。音乐与语音相比更规范一些，是符号化了的声音。但音乐不能对所有的声音进行符号化。乐谱是符号化声音的符号组，表示比单个符号更复杂的声音信息内容。4.1.2 数字音频的采样和量化将模拟的（连续的）声音波形数字元化（离散化），以便利数字计算机进行处理的过程，主要包括采样和量化两个方面。数字音频的质量取决于：采样频率和

33、量化位数这两个重要参数。此外，声道的数目、相应的音频设备也是影响音频质量的原因。4.1.3 音频格式的介绍音频文件通常分为两类：声音文件和 MIDI 文件（1）声音文件：指的是通过声音录入设备录制的原始声音，直接记录了真实声音的二进制采样数据，通常文件较大；（2）MIDI 文件：它是一种音乐演奏指令序列，相当于乐谱，可以利用声音输出设备或与计算机相连的电子乐器进行演奏，由于不包含声音数据，其文件尺寸较小。4.1.4 语音压缩编码基础语音压缩编码中的数据量是指：数据量=(采样频率 x 量化位数)/8(字节数) x声道数目。压缩编码的目的：通过对资料的压缩，达到高效率存储和转换资料的结果即在保证一

34、定声音质量的条件下，以最小的资料率来表达和传送声音信息。压缩编码的必要性：实际应用中，压缩编码的音频资料量很大，进行传输或存储资料量是不现实的。所以要通过对信号趋势的预测和冗余信息处理，进行资料的压缩，这样就可以使我们用较少的资源建立更多的信息。举个例子，没有压缩过的 CD 品质的资料，一分钟的内容需要 11MB 的内存容量来存储。如果将原始资料进行压缩处理，在确保声音品质不失真的前提下，将数据压缩一半，5.5MB 就可以完全还原效果。而在实际操作中，可以依需要来选择合适的算法。常见的几种音频压缩编码：1) 波形编码：将时间域信号直接变换为数字代码，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。

35、波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。译码是其反过程，将收到的数字序列经过译码和滤波恢复成模拟信号。如：脉冲编码调制(pulse code modulation，PCM)、差值脉冲编码调制（DPCM）、增量调制(DM)以及它们的各种改进型自适应差分编码（ADPCM）、自适应增量调制（ ADM ）、 自 适 应 差 值 脉 冲 编 码 调 制 (ADPCM) 、 自 适 应 传 输 编 码 （AdaptiveTransfer Coding，ATC）和子带编码（SBC）等都属于波形编码技术。波形编码特点：高话音质量、高码率，适于高保真音乐及语音。2) 参数编码：参数编码又称为声源编码，是将信源信号在频率域或其它正交变换域提取特征参数，并将其变换成数字代码进行传输。译码为其反过程，将收到的数字序列经变换恢复特征参量