基于AT89S52和K9F6408UOA的语音数字系统设计

数据采集技术涉及领域广，采集信号的动态范围宽，处理数据量大，对系统实时性能要求高。以数字信号的形式对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。本设计利用了数字电路的这些优点，对传统的模拟录音电路进行了改进，以较低的成本使性能得到了提高。

1 方案论证
本设计以数字化信号的形式对音频信号进行处理，有以下3种方案可供选择：
1)直接利用语音芯片进行语音录放。Winbond公司的ISD系列语音芯片采用了Chip-Corded专利技术，声音无需A／D转换和压缩就可直接存储，不存在A／D转换误差，在一个记录位(BIT)可存储多达250级声音信号，相当于通常A／D技术记录容量的8倍。片内集成了晶体振荡器、麦克风前置放大器、自动增益控制、抗混叠滤波器、平滑滤波器、声音功率放大器等，只需很少的外围器件，就可构成一个完整的声音录放系统。
2)利用DSP对采样信号进行处理。DSP是专门为快速实现各种信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器，其处理速度远远超过一般的CPU。
3)利用AT89S52作为系统主控芯片，利用ADC0809对音频信号进行采集和A／D转换，将转换得到的数字化音频信号存储到扩展的数据存储器中，利用软件对信号进行数字滤波，最后通过单片机输出PWM信号来完成放音。
从经济和技术等因素考虑对上述3种方案进行比较：直接利用语音芯片可以减少很多外围电路，电路设计方便，但语音芯片使用不够灵活。DSP具有强大的数字信号处理功能，使用灵活，但该芯片价格较高，不适于一般的应用。方案3)中器件均为常用芯片，易于获取，且价位不高。因此，方案3)为最佳设计方案。

2 硬件设计
图1为系统硬件结构图。音频信号通过拾音器将声音信号转换为可以处理的电信号，前置放大电路用来对拾音器的输出进行放大，与A／D转换电路匹配，A／D转换电路实现对模拟信号的编码。微处理器是系统的核心，它用来对数字化音频信号进行处理和存储，协调系统各个部分的工作，输出PWM波来驱动输出电路。

2．1 单片机
单片机是系统的控制中心，它主要实现以下的功能：控制LCD显示语音信号的相关信息，控制按键识别和功能选择；控制音频数据的采集并存储在Flash ROM，放音时读取Flash ROM中数据，用软件方法产生PWM脉冲信号，实现语音的存储和回放。
2．2 声音信号拾取、放大电路
声音信号拾取电路就是将声音信号转换为电信号的装置。本设计选用麦克风，它是一种声敏电阻，其阻值随外界声音信号的变化而变化，将其串联在电路中，电阻的变化形成电压的变化，经过电容通交隔直，就得到了表征声音信号特征的电信号。
然而由于声音信号拾取电路输出电压的幅值很小，为20～25 mV，若将该信号直接与A／D转换电路相连，由于A／D转换器最小分辨电压也为毫伏数量级，会产生很大的误差，为了保证系统的精度，在和A／D转换电路相连之前，需串联一个放大电路，考虑到声音信号拾取电路的输出信号很小，放大电路的失真度和噪声对系统的精度影响最大，故将其设计为抗共模干扰强的并联负反馈放大电路，由于音频信号的频宽较大，故选用宽频带，低输出阻抗的双运放NE5532。
2．3 A／D转换电路
A／D转换电路由A／D转换器ADC0809与系统处理器AT89S52组成，主要实现对放大后的声音信号进行采样。ADC0809与AT89S52的电路连接如图2所示。

从图2中可以看到，把ADC0809的ALE信号与START信号接在一起，这样可使得在信号的前沿写入(锁存)通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。启动A／D转换只需要一条P2．7=0指令。在此之前，要将P2．7清零并将最低3位与所选的通道对应的地址送入数据指针DPTR中。ADC0 809的转换结束信号EOC取反后与AT89S52的相连，采用中断方式读取A／D转换结果，并启动下一次A／D转换。也可定时启动A／D转换，并读取上次转换结果。
2．4 声音编码存储电路
在采样时每一采样点都会产生1字节的数字编码信号，由于采样的频率为8 kHz，若录音15 min，则所需的存储空间为7．031 25 MB，故系统选用8 MB的Flash存储器K9F6408U0A，由于该存储器的地址线和数据线可复用，这样可节省I／O接口。K9F6408UOA的最大优点在于其命令、数据和地址均可通过8条I／O接口线与主控制器进行通信，大大简化了系统的连线，增强了系统的稳定性。除8条I／O接口线外，K9F6408 UOA还包括以下控制线，1)CLE：命令锁存使能端，高电平有效。在信号的上升沿，命令信号可通过I／O口锁入命令寄存器；2)ALE：地址锁存使能端，高电平有效。在信号的上升沿，地址信号可通过I／O口锁入地址寄存器；3)：片选线，低电平有效。在页编程或块擦除操作期间或器件处于忙状态时，高电平将被忽略，4)：写使能口，命令、地址和数据在信号的上升沿被锁定；5)：读使能口，在该口的下降沿将数据送到I／0口线上，并使内部列地址寄存器加1；6)WP：写保护口，低电平有效，当其为低时，编程擦除操作禁止；7)R／B：操作状态指示信号。为低时，表示正在编程、擦除或读操作，操作结束后变高。利用上述控制线，从而方便实现系统主控制器对K9F6 408U0A的控制。AT89S52单片机与K9F6408UOA存储接口电路如图3所示。