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基于ATMEGA16單片機的語音錄放系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

     摘要：現(xiàn)代儀器設(shè)備、家電等電子產(chǎn)品，很多都要求有語音提示，提供一個良好的人機接口。該設(shè)計給某測試設(shè)備提供一個語音告警系統(tǒng)，具有較強通用性。系統(tǒng)通過單片機ATMEGA16控制語音芯片ISD1790，實現(xiàn)了在不同情況下，提供不同的語音提示告警，提示語音可以自行錄入，最后，通過D類音頻功率放大器TPA3101D2，實現(xiàn)了高音質(zhì)大音量語音輸出。

　　0引言

　　隨著集成電路的高速發(fā)展，越來越多的儀器、設(shè)備、家電等擁有極為方便的人機接口，比如大屏幕觸摸液晶、智能語音提示等。這些人機接口極大地方便并吸引了用戶，使得系統(tǒng)中集成這樣的模塊變得越來越普及。而目前語音錄放技術(shù)方案主要在以下三個顯著特點：

　　a)以高度集成的語音芯片為核心。

　　b)與單片機、嵌入式等控制模塊結(jié)合，數(shù)字化、智能化。

　　c)D類功率放大越來越成熟，其效率高、體積小、音質(zhì)好，成為絕大多數(shù)便攜儀器家電的功放方案。

　　伴隨著上述的三項技術(shù)的應用，語音錄放系統(tǒng)，功耗小、音質(zhì)好、操作控制方便、性能穩(wěn)定、通用性移植性好，有很好的應用發(fā)展前景。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計

　　該系統(tǒng)是某測試儀器的語音模塊。它以華邦（WINBOND）公司的ISD1790語音錄放芯片為核心，通過單片機ATMEGA16智能控制，最后通過D類功率放大器TPA3101D2驅(qū)動，實現(xiàn)了測試設(shè)備語音告警功能。

　　系統(tǒng)框圖如下圖１。

圖1 語音錄放系統(tǒng)框圖

　　圖１中，上位機（安裝設(shè)備管理軟件的PC機）和下位機（ATMEGA16單片機）通過RS232信號通信，上位機送出錄音或刪除指令，下位機接收后，通過相應子程序，輸出TTL電平，驅(qū)動錄音芯片，執(zhí)行相應操作；當該測試設(shè)備檢測信號超過設(shè)定的門限以及其它需要語音提示情況時，系統(tǒng)發(fā)出提示信號，通過控制下位機輸出控制信號，語音芯片播放指針指向相應語音片段，播放該段語音，完成相應操作；當使用人員需要調(diào)節(jié)聲音大小時，通過設(shè)備面板上的加減兩個語音按鍵，送給下位機信號，下位機通過控制錄放芯片ISD1790和功率放大器TPA3101D2音量控制引腳電平按時序變化，實現(xiàn)音量調(diào)節(jié)。

　　2硬件設(shè)計

　　2.1語音錄放模塊

　　語音錄放芯片ISD1790，在控制模塊（下位機）的控制下，可以實現(xiàn)錄音、放音、選段放音、擦除、復位、音量調(diào)節(jié)和直通等功能，具體實現(xiàn)方式如下【1】。

　　錄音，將*接入下圖2所示*接頭，單片機將芯片REC 引腳電平置低，經(jīng)大約328ms后，芯片開始錄音，直到引腳電平拉高或芯片錄滿時結(jié)束。錄音結(jié)束后，錄音指針自動移向下一個有效地址，而放音指針則指向剛剛錄完的那段語音地址。錄音內(nèi)容也可以通過電腦接口將錄好的語音直接輸入。

圖2 語音芯片部分電路

　　放音，放音操作有兩種模式，分別是邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)，都由 PLAY 管腳觸發(fā)，該系統(tǒng)采用邊沿觸發(fā)放音模式。具體為，單片機給PLAY管腳一個下降沿信號，經(jīng)大約216ms后，開始播放播放指針指向語音段，在放音期間，如需停止播放，單片機再給PLAY管腳一個下降沿信號即可。放音結(jié)束后，播放指針回到剛播放語音的起始地址處。在放音期間LED燈閃爍，以指示正在放音。

　　快進，也使播放指針指向跳到下一個語音段。實現(xiàn)方法為：單片機控制FWD 端，將電平拉低并維持大約192ms以上，啟動快進操作。當播放指針到達最后一段語音處時，再次快進，指針會返回到第一段語音。該引腳在設(shè)計時，被用作選段播放，當系統(tǒng)給出一個提示信號要求播放某段語音時，程序設(shè)定對應的快進次數(shù)，將播放指針對準需要播放的語音段。

　　擦除，分為全體擦除和單段擦除兩種方式，同樣由單片機控制芯片ERASE引腳電平來實現(xiàn)。全體擦除，也就是擦除芯片內(nèi)全部語音信息，條件是ERASE管腳被置低超過2.5秒。單段擦除，也就是只擦除一段已錄入的語音信息，且僅可擦除第一段或最后一段語音。如果ERASE 管腳拉低不超過2.5秒，則執(zhí)行單段擦除，但如何擦除，還要看播放指針的狀態(tài)。 如果芯片空閑且播放指針指向第一段語音，則刪除第一段語音，播放指針指向新的第一段（擦除前第二段）語音；如果芯片空閑且播放指針指向最后一段語音，則刪除最后一段語音，播放指針指向新的最后一段（擦除前倒數(shù)第二段）語音；如果芯片空閑并且播放指針指向沒有指向第一或最后一段語音，則不會刪除任何語音，播放指針也不會被改變。擦除操作信號有上位機發(fā)出，在軟件界面里分別對應全體擦除和單段擦除，點按軟件里相應按鈕，執(zhí)行相應操作。

　　復位，用RESET按鍵控制此管腳，RESET管腳與地之間連接一個0.1μF電容。按下RESET鍵，芯片將播放指針和錄音指針都放置在最后一段語音信息的位置。復位按鍵為一個按鍵，同時提供單片機復位信號。

　　音量調(diào)節(jié)，單片機將 VOL 引腳電平下拉一次，音量會減小一檔，直到到達最小檔，再次下拉，會增加音量一檔，如此循環(huán)。語音芯片總共有8個音量檔，每一檔會改變 4dB。復位操作將音量設(shè)為最大音量。

　　直通，將FT 管腳保持在低電平，啟動直通操作。直通操作會將語音從Analn端（引腳9）直接通往喇叭端或 AUD 輸出口。在錄音期間將 FT 引腳置低，會同時錄下直通引腳進入的語音信號。直通信號，由上位機軟件發(fā)出，用于測試芯片狀態(tài)。

　　語音錄放模塊的具體操作，由相應單片機子程序控制實現(xiàn)。

　　音頻信號的輸入（MIC+引腳和MIC-引腳之間）和輸出（SP+引腳和SP-引腳之間）都采用了五線開關(guān)式立體聲接座。這使電路子模塊相互獨立，便于調(diào)試和維護。輸入端，*可以借用通用高音質(zhì)話筒，省去了不必要的錄音電路，提高了可靠性。輸出端，當插入通用耳機測試時，這種開關(guān)式接頭，將它與到功放模塊的引腳斷開，避免的相互干擾，便于故障隔離。

　　震蕩電阻ROSC，用來定義芯片的采樣頻率，從而決定芯片的錄放時間和錄放音質(zhì)。該電路中選用80KΩ，可根據(jù)芯片資料自行選擇。

　　為了提高語音信號質(zhì)量，該模塊設(shè)計注意以下幾點。

　　第一，該模塊電路中有很多電源和電源地，PCB上每個電源和電源地之間分開走線，最后匯合。

　　第二，濾波電容阻值，大概在10uF、4.7uF之間和附近試選。

　　第三，*質(zhì)量要好，電源要純凈，電源和地的PCB線寬大于30mil。

　　第四，自動增益控制電容、耦合電容、其它電阻電容擺放靠近芯片，引線盡量短。

　　第五，選用高品質(zhì)的電容，主要是等效串聯(lián)電阻（ESR）較小的電容。

　　第六，單片機控制的開關(guān)量盡量不用繼電器來實現(xiàn)，通過模電電路數(shù)字電平驅(qū)動。

　　2.2控制模塊

　　控制模塊，以單片機ATMEGA16為核心，接收上位機、系統(tǒng)提示信號和操作人員發(fā)出控制信息，直接控制芯片進行語音錄放、選擇、擦除、音量控制和復位等功能。

　�。�1）上位機控制信息

　　錄音、擦除（單段和全體擦除）和直通這些控制信號，由于設(shè)備使用時不用涉及，且權(quán)限較高，設(shè)定由上位機軟件發(fā)出，上位機和下位機ATMEGA16之間通過串口通信，實現(xiàn)相關(guān)操作。

　　上位機軟件用VISUAL C++ 6.0編寫，語音操作只是其中部分管理功能。

　　（2）系統(tǒng)接口

　　在設(shè)備使用過程中，當系統(tǒng)進入某種狀態(tài)，需要語音提示時，系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)編碼的數(shù)字信號給單片機，激活相應單片機子程序，單片機輸出相應時序電平信號，將語音芯片播放指針指向相關(guān)語音，以默認的音量輸出，驅(qū)動功放，完成語音輸出。

　　（3）音量控制

　　在設(shè)備上設(shè)兩個按鍵，分別將音量調(diào)高和調(diào)低。每按一下，將單片機的相應引腳置低。單片機在在程序控制下，輸出兩路信號，分別控制語音芯片和功率放大芯片的放大倍數(shù)。

　　語音芯片ISD1790音量控制管腳為VOL（19）管腳。該芯片音量有8檔，每一檔改變 4dB。加給該引腳一個低電平信號，增大音量一檔；輸入7個低電平信號，減小音量一檔。

　　功放芯片TPA3101D2音量增益有兩個引腳（GAIN0和GAIN1），對應四檔，增益分別為20dB、26dB、32dB和36dB。

　�。�3）復位按鍵

　　復位按鍵將觸發(fā)儀器復位，具體到語音模塊為：將單片機程序重啟和引腳電平復位；將語音芯片錄音、放音指針復位，音量最大；將功放模塊初始化。

　　2.3 D類功率放大

　　D類功率放大是目前音頻功率放大迅速發(fā)展的新技術(shù)。它效率高、音質(zhì)好、耗電低、發(fā)熱少，適合薄型化、便攜式設(shè)備。

　　D類功放，首先將輸入的音頻信號和一個固定頻率（一般250KHz）的三角波相比較，形成一個脈沖寬度調(diào)制的方波信號(PWM)，每個脈沖寬度實時體現(xiàn)了輸入信號的幅度，將此信號送到由開關(guān)管所組成的功率放大器進行脈沖功率放大，輸出的信號再經(jīng)一個低通濾波器進行解調(diào)，得到音頻信號推動揚聲器發(fā)聲。D類功放原理圖如圖３所示。

圖3  D類功放原理圖

　　該設(shè)計選擇德州儀器的TPA3101D2芯片。它供電范圍大（0.3 V ~ 30 V），效率高（87%），增益可選（20, 26, 32, 36）。它是一立體聲的D類功放，可以同時驅(qū)動左右兩個揚聲器；

　　功放電路原理簡單、使用方便，在此不再詳述。但是在方案選擇時須注意，D類音頻放大器一般驅(qū)動的揚聲器輸入阻抗比較�。ū热�8Ω），要注意阻抗匹配問題；而以前功放、揚聲器匹配電阻一般比較大（比如20 kΩ）。

　　3軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計主要包括上位機軟件設(shè)計和下位機軟件設(shè)計。

　　上位機軟件設(shè)計主要是為管理測試設(shè)備設(shè)計的。與語音模塊相關(guān)的主要是語音錄入、擦除和直通測試，在軟件界面下調(diào)用這些功能，通過計算機串口，將指令傳給下位機，執(zhí)行相應功能。

　　下位機軟件是ATMEGA16的工作程序，其框圖如下圖4。

　　軟件開始，初始化輸出端口，控制語音芯片和功放處于低功耗狀態(tài)；接下來，掃描ATMEGA16單片機輸入(PA口和串口)，如果輸入沒有狀態(tài)變化，保持語音模塊待機狀態(tài)；當輸入信號發(fā)生變化，判斷并啟動相應子程序，在程序控制下，單片機輸出口狀態(tài)按時序發(fā)生相應變化，執(zhí)行相應操作；執(zhí)行結(jié)束，返回。

圖4 單片機程序框圖

　　4試驗結(jié)果

　　本文提供了一種現(xiàn)代儀器設(shè)備、家電等的智能語音人機接口的實現(xiàn)方案，該方案實現(xiàn)了目前語音錄放技術(shù)方案的下三個特點，且各個模塊相互獨立，更改移植方便，以現(xiàn)代最新推出的芯片為核心，高度集成，性能穩(wěn)定。文中提出并解決了很多實現(xiàn)具體細節(jié)問題，該模塊已經(jīng)加裝到某測試設(shè)備用于語音告警，經(jīng)過長時間應用表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，后續(xù)維護次數(shù)少，而且其音質(zhì)好、效率高、發(fā)熱少、控制靈活、錄放保存穩(wěn)定等。