基于ISD4004語音芯片和AT89S52單片機(jī)的語音播報(bào)記

　　引 言

　　本文介紹一種以語音存儲(chǔ)與自動(dòng)播放系統(tǒng)為基礎(chǔ)的語音播報(bào)記事器設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以ISD4004：語音芯片和AT89S52單片機(jī)為中心，很好地實(shí)現(xiàn)了語音存儲(chǔ)與自動(dòng)播放。

　　1 硬件設(shè)計(jì)原理

　　語音播報(bào)記事器的主要功能是實(shí)現(xiàn)語音存儲(chǔ)與定時(shí)播放。要實(shí)現(xiàn)語音存儲(chǔ)與定時(shí)播放的方法很多，可供選擇的器件也很多。由于單片機(jī)等微控制器的出現(xiàn)和數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，使得現(xiàn)在的語音存儲(chǔ)與自動(dòng)播放變得易于實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為微控制器。單片機(jī)的字長由4位、8位、16位發(fā)展到32位。目前這幾種字長的單片機(jī)同時(shí)存在于市場(chǎng),用戶可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)選用字長為8位的AT89S52單片機(jī)作為控制器。

　　目前可以與單片機(jī)配合使用的語音芯片有很多，其中不乏性能十分優(yōu)越的語音芯片，美國ISD公司生產(chǎn)的ISD4004語音芯片就是它們中的一員。ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。引腳包括電源、時(shí)鐘、語音信號(hào)模擬輸入/輸出端、與MCU接口(SPI接口)幾部分。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音。

　　ISD4004系列單片錄放時(shí)間為8～16 min，采樣頻率可為4.0/5.3/6.4/8.0 kHz，頻率越低，錄放時(shí)間越長，而音質(zhì)則有所下降。芯片設(shè)計(jì)基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI或Mi-crowire)送入。由于ISD4004的眾多優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)就采用它作為錄放音器件。

　　系統(tǒng)外接時(shí)鐘芯片PCF8563、矩陣鍵盤LED顯示和E2PROM AT24C01。錄音時(shí)為了改善語音質(zhì)量，要提高輸入端的信噪比，因此在系統(tǒng)的輸入端采用三極管(9014)放大電路單端輸入，系統(tǒng)的輸出端經(jīng)音頻功率放大器LM386放大輸出后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 語音輸入與輸出電路設(shè)計(jì)

　　語音信號(hào)經(jīng)過駐極體話筒轉(zhuǎn)化為的電信號(hào)很微弱，在送入語音芯片之前需要經(jīng)過放大。這樣做的目的是為了提高信號(hào)的信噪比，以達(dá)到更好的抑制噪聲的目的。由于聲電轉(zhuǎn)換器件使用的是駐極體話筒，所以后級(jí)放大電路使用三極管作為放大器件即可滿足要求。本設(shè)計(jì)中從語音芯片輸出的語音信號(hào)很微弱，不能直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，所以要在語音芯片和揚(yáng)聲器之間加上一個(gè)功率放大電路。功率放大電路使用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器LM386并配合少許電容電阻構(gòu)成。該功放電路的放大效果良好，噪音小，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

　　2.2 顯示電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)的顯示部分使用LED數(shù)碼管。為了提高LED顯示的亮度，在本設(shè)計(jì)中，將a，b，c，d，e，f，g引腳分別串聯(lián)300 Ω的電阻后接5 V電壓即可。本設(shè)計(jì)采用軟件查表方式輸出。當(dāng)系統(tǒng)沒有錄放音時(shí)，需要顯示年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等信息;當(dāng)系統(tǒng)有錄放音時(shí)，需要顯示與錄放音有關(guān)的信息。這樣，整個(gè)系統(tǒng)一共需要15個(gè)數(shù)碼管。為了節(jié)省單片機(jī)的I/O口，顯示部分使用了74LS154，單片機(jī)與LED的接口采用動(dòng)態(tài)接口。74LS154是4線16線譯碼器，用于將單片機(jī)的輸出譯碼后作為LED的片選信號(hào)使用。

　　2.3 PCF8563接口電路設(shè)計(jì)

　　PCF8563是飛利浦公司生產(chǎn)的低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，是I2C總線接口器件。設(shè)計(jì)中，PCF8563用來提供時(shí)間和日歷信息。當(dāng)沒有進(jìn)行錄音和放音操作時(shí)，本設(shè)計(jì)相當(dāng)于一個(gè)萬年歷;當(dāng)進(jìn)行錄音或放音時(shí)，PCF8563用來對(duì)每段錄音或放音進(jìn)行計(jì)時(shí)，所有的時(shí)間信息均通過LED數(shù)碼管顯示出來。由于PCF8563是漏極開路，所以必須要加5.1 kΩ的上拉電阻。PCF8563與AT89S52的接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　2.4 ISD4004接口電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)使用ISD4004-16M型號(hào)的語音芯片。這款語音芯片可以錄音16 min，它有一個(gè)端口為RAC端，RAC為行地址時(shí)鐘端，每個(gè)RAC周期表示ISD存儲(chǔ)器的操作進(jìn)行了1行(ISD4004系列中的存貯器共2 400行)，所以RAC端的行地址數(shù)目與語音芯片中存儲(chǔ)器的行數(shù)對(duì)應(yīng)，即語音芯片存放的每段錄音的初始與結(jié)束地址與惟一的RAC行地址數(shù)對(duì)應(yīng)。所以只需將RAC端與單片機(jī)的計(jì)數(shù)端相連，僅記錄RAC行地址數(shù)目即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)錄放操作，且單片機(jī)的計(jì)數(shù)器無需中斷。根據(jù)以上的思想，設(shè)計(jì)ISD4004與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的程序設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)部分，即鍵盤處理程序、ISD4004放音驅(qū)動(dòng)程序、ISD4004錄音驅(qū)動(dòng)程序、時(shí)間校正程序、錄音子程序、放音子程序、播放時(shí)間設(shè)置子程序、播放選擇程序、子程序設(shè)計(jì)。圖4為主程序流程圖。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試

　　系統(tǒng)上電后15個(gè)數(shù)碼管全亮大概3 s，以此檢測(cè)數(shù)碼管的好壞。之后數(shù)碼管會(huì)出現(xiàn)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等信息。當(dāng)按下錄音鍵后，系統(tǒng)開始錄音。錄音時(shí)，數(shù)碼管會(huì)顯示“SAVE”字樣，并會(huì)顯示該段錄音的時(shí)間信息;當(dāng)確定鍵按下后，該語音段的錄音結(jié)束，數(shù)碼管重新顯示時(shí)間信息。當(dāng)按下放音鍵時(shí)，系統(tǒng)開始放音，這時(shí)數(shù)碼管會(huì)顯示“PLAY”字樣，并會(huì)顯示該段錄音的時(shí)間信息。放音結(jié)束后數(shù)碼管會(huì)回到時(shí)間顯示界面。當(dāng)按下時(shí)間校正鍵后，便可以對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正;當(dāng)按下確定鍵后，時(shí)間校正結(jié)束。本系統(tǒng)可以錄音15 min，可以錄4段錄音。當(dāng)按下播放設(shè)置鍵后，就可以對(duì)每段錄音的播放時(shí)間進(jìn)行設(shè)置;當(dāng)按下播放選擇鍵后，就可以播放4段錄音中的任意一段。

　　本系統(tǒng)在播放錄音時(shí)會(huì)有少量的噪音，可能由以下原因造成：

　　(1)整個(gè)系統(tǒng)完全是手工焊制，線路之間存在干擾;

　　(2)ISD4004的數(shù)字地與模擬地沒有分別走線，全部接到了一起，存在干擾;

　　(3)語音輸入放大電路的放大倍數(shù)不夠，噪聲沒有得到足夠的抑制。

　　整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，外圍電路結(jié)構(gòu)簡單，方便調(diào)試;單片機(jī)余留有I/O口，方便系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展;單片機(jī)的所有程序均使用C-51進(jìn)行編寫，方便調(diào)試和閱讀。整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作方便。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原理完全可以用在公共汽車上，作為語音報(bào)站器使用，也可以用在銀行和醫(yī)院等一些需要自動(dòng)播報(bào)語音信息的公共場(chǎng)所。在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上稍加擴(kuò)充，就可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。