3120130802303-岳丽军-基于ISD1720语音录放器说明书

目录

1.前言 (1)

1.1设计背景 (1)

1.2设计内容与要求 (1)

2.总体方案设计 (2)

2.1方案比较 (2)

2.2 方案论证 (2)

2.3方案选择 (3)

3.单元模块的设计 (4)

3.1 核心控制模块 (4)

3.1.1 STC89C52单片机介绍 (4)

3.2 音频处理模块 (5)

3.2.1 ISD1720芯片简介 (5)

3.2.2 SPI模式 (7)

3.2.3微机接口 (7)

3.2.4 SPI 协议总述 (8)

3.2.5 SPI命令总览 (8)

3.2.6 ISD1720的存储结构 (9)

3.3 系统的总体设计 (9)

3.3.1 STC89C52的外围电路设计 (10)

3.3.2 音频处理电路设计 (10)

4. 软件设计 (11)

4.1软件设计思路 (12)

4.2单片机通信接口 (13)

5. 调试及制作过程 (14)

6.总结 (15)

7致谢 (16)

8. 参考文献 (17)

附录1 原理图 (18)

附录2：PCB板图 (19)

附录3：调试程序 (20)

1.前言

1.1设计背景

随着经济的进步，语音信号处理技术研究的突飞猛进，为数字语音录放系统提供了新的发展空间。对语音的采集、处理从以前简单的波形编码转变为进行参数编码、压缩，从而大大减少了存储数据。在越来越多的领域里，人们逐渐意识到使用语音交互界面的巨大价值，已经开始尝试采用语音技术，并且在不少的领域里取得了喜人的成果。语音技术已经从锦上添花的点缀，变为实实在在为用户提供便利的重要特征与内涵，也成为衡量电子电器产品的一个重要标志。近几年集成电路领域出现了重大变革，产生了许多新的技术和产品，开拓了更广泛的应用领域，语音电路已经迅速发展成为当前“会说话”电子产品，是家电产品，通信产品和网络化产品中不可或缺的重要集成电路体系，朝着更大容量，更优音质，更高智能，更具有灵活性的方向发展。

本系统所用的ISD1720内部自带有D/A和A/D转换电路，所以外围点路不必加数模和模数转换电路，简化了芯片的外围电路，是电路的受外界干扰小，使系统工作更稳定。数字语音录放是指利用数字技术对语音信号进行采集、处理、并且在一定存储设备中进行存储，并可在需要时进行输出的过程。相对于模拟设备来说，数字设备易于集成、小型化、成本更低，同时更为稳定，且操作更为直接、方便，使得数字语音录放系统目前在各种领域中都得到了广泛的应用。例如再如家庭或学校中使用的语音复读机等，都可看作是数字语音录放系统的典型应用。

1.2设计内容与要求

设计一个录放系统，特点如下：能正常录制并且能播放出声音，并在七段数码管显示录放时间。方便使用，并能达到一定的精度。电路简单，能节约成本，功耗低。

·功能要求：录制并能使录制的语音能播放出来；

·用按键通过单片机实现录制、播放的控制，并同时用LED数码管显示录放状态、时间；

·在设计的过程中使用了prote软件绘制电路原理图和PCB图

·用ISIS对电路进行仿真，调试

·在实验的最后对实物电路进行观察和调试，书写设计

·语音录放系统用于生活很多场所，如复读机系统公交站报站系统等场合。

·具有较高使用价值。

2.总体方案设计

2.1方案比较

方案一：基于单片机、数字信号处理器 DSP、FLASH 存储器的数码录音放音系统。在录音时，语音信号经过处理后送到 A/D 转换器，转换成数字信号，把这些数字信号送到数字信号处理器DSP进行压缩处理，压缩后的语音数据送到FLASH 中，回放时从 FLASH 存储器中读取压缩的数据经过 D/A 转换后，再通过喇叭等具有播放功能的器件进行播放。具体框图如2.1所示：

方案二：通过52单片机与语音功能集成芯片ISD1720进行设计，由单片机控制ISD1720来实现语音的录制存储以及播放清除等功能。具体框图如2.2所示：

2.2 方案论证

方案一由于此方案要通过A/D芯片，专门的DSP芯ISD2560虽然提供有地址输入线，但它的内部信息段的地址一般无法读出。因此，通常使用不需要知道地址的操作模式。但要读出ISD2560内部信息地址，就需要专用的ISD开发设备，而这些设备的价格比较昂贵。

方案二将ISD1720语音芯片与单片机结合，用单片机控制，实现更多功能，根据不同的外界情况有目的得进行语言交流。由于采用资源不多的 51 单片机，

这样节省了资源同时单片机运算速度已经足够用于检测按键，以及控制录放音系统进行各种操作，而且这种设计无需对数字信号进行编码压缩的复杂的操作，实现简单，功耗不高，相对而言成本也不高，所以本设计采用了此方案。

2.3方案选择

通过分析比较，本设计采用第二种设计思路，即用ISD1720语音芯片与

AT89C52单片机相结合，用单片机控制语音芯片，来实现对语音的分段录音和循环播放。SD1720语音芯片相对于ISD2560语音芯片来讲功能更强大，单片机性能可靠，设计程序灵活方便，抗干扰能力强，可靠性高，运行稳定，完全达到了设计要求，具有非常好的实用性。

3.单元模块的设计

3.1 核心控制模块

控制模块是整个录放音系统的核心，实现对语音芯片ISD1720发送或接受指令，使其完成相应的动作。本设计采用了型号为STC89C52单片机，它是一种简明易掌握，效率较高的指令系统，对存储空间和时间的利用率较高。

3.1.1 STC89C52单片机介绍

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其主要工作特性是：

8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7

向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52单片机的引脚排列如图3.1：

图3.1 STC89C52 单片机的引脚排列

3.2 音频处理模块

音频处理模块主要由语音芯片ISD1720及其周围的滤波电路，其作用是对声音的处理，通过单片机控制声音的录放。

3.2.1 ISD1720芯片简介

ISD1720 系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示,双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。特征如下：

一、特点：

·可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年。

·两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式。

·可处理多达255 段以上信息。

·有丰富多样的工作状态提示。

·多种采样频率对应多种录放时间。

·音质好，电压范围宽，应用灵活，价廉物美。

二、电特性：

·工作电压：2.4V-5.5V,,最高不能超过6V

·静态电流：0.5 - 1 μA

·工作电流：20mA

用户可利用震荡电阻来自定芯片的采样频率，从而决定芯片的录放时间和录放音质。下表为ISD1720的参数表：

表3.1 ISD1720参数表

而芯片的采样率可以通过外部振荡电阻来调节：

表3.2 调节参数

3.2.2 SPI 模式

SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI 有三个寄存器分别为：控制寄存器SPCR ，状态寄存器SPSR ，数据寄存器SPDR 。外围设备FLASHRAM 、网络控制器、LCD 显示驱动器、A/D 转换器和MCU 等。SPI 总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK ）、主机输入/从机输出数据线MISO 、主机输出/从机输入数据线MOSI 和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI 接口芯片带有中断信号线INT 、有的SPI 接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。 SPI 接口是在CPU 和外围低速器件之间进行同步串行数据传输，传输数据为8位，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C 总线要快，速度可达到几Mbps 。如图3.2所示，在SCLK 的下降沿上数据改变，同时一位数据被存入移位寄存器。

SPI 接口内部硬件图如图3.3和3.4：

3.2.3微机接口

主控单片机主要通过四线（SCLK ，MOSI ，MISO ，/SS ）SPI 协议对ISD1700进行串行通信。ISD1700作为从机，几乎所有的操作都可以通过这个SPI 协议来

图3.4

SPI 硬件连接

图 3.3 SPI 接口

图3.2 SPI 时序

完成。为了兼容独立按键模式，一些SPI命令：PLAY，REC，ERASE，FWD，RESET 和GLOBAL_ERASE的运行类似于相应的独立按键模式的操作。另外，SET_PLAY，SET_REC，SET_ERASE命令允许用户指定录音、放音和擦除的开始和结束地址。此外，还有一些命令可以访问APC寄存器，用来设置芯片模拟输入的方式。3.2.4 SPI 协议总述

ISD1700系列的SPI串行接口操作遵照以下协议：1.一个SPI处理开始于/SS 管脚的下降沿。2．在一个完整的SPI指令传输周期，/SS管脚必须保持低电平。3．数据在SCLK的上升沿锁存在芯片的MOSI管脚，在SCLK的下降沿从MISO 管脚输出，并且首先移出低位。4．SPI指令操作码包括命令字节，数据字节和地址字节，这决定于1700的指令类型。5．当命令字及地址数据输入到MOSI 管脚时，同时状态寄存器和当前行地址信息从MISO管脚移出。6．一个SPI处理在/SS变高后启动。7．在完成一个SPI命令的操作后，会启动一个中断信息，并且持续保持为低，直到芯片收到CLR_INT命令或者芯片复位。所以，在SPI命令输入到ISD1700前，SPI端口的状态应该保持如下状态：/SS=HIGH；SCLK=HIGH MOSI=LOW。

3.2.5 SPI命令总览

一个SPI命令总是由第一个命令字节开始。命令字节中的bit4位（LED）是具有特殊用途的。这个bit4位可以控制LED的输出。如果使用者想开启这个操作LED 的功能，那么所有的SPI命令字都要将这个bit4位置1。

在SPI模式下，存储位置都可以通过行地址很容易地进行访问。主控单片机可以访问任何行地址，包括存储SE音效的行地址（0x000－0x00F）。像SET_PLAY，SET_REC这些命令需要一个精确地起始地址和结束地址。如果开始地址和结束地址相同，那么ISD1700将只在这一行进行操作。SET_ERASE操作可以精确地擦除在起始地址和结束地址间的所有信息。SET_REC操作从起始地址开始录音，并结束于结束地址，并且在结束地址自动加上EOM标志。同理，SET_PLAY操作从起始地址播放语音信息，在结束地址停止播放。

另外，SET_PLAY，SET_REC命令有一个先入先出的缓存器，使得从一个存储块到下一个存储块之间实现无缝转移。这个先入先出的缓存器只有在相同类型的SET 命令下才有效。也就是说SET_PLAY在SET_ERASE之后将不能利用这个缓存器，并且这是一个错误的命令，SR0中的COM_ERR位将被置1。当芯片准备好接收第二个SPI命令时，在SR1中的RDY位将置1。同样，在操作完成时会输出一个中断。例如，如果两个连续但带有两对不同地址的SET_PLAY命令被正确发送后，此时缓存器装满。在完成第一个语音信息的播放后，第一个SET_PLAY操作会遇

到一个EOM，这时不会像一般遇到EOM时自动STOP，而是继续执行第二个SET_PLAY命令，芯片将播放第二个语音信息。这个动作将最小化任何两个录音信息之间潜在的停留时间，且使芯片流畅地连接两个独立的信息。

3.2.6 ISD1720的存储结构

在独立按键模式下，芯片内有一套环形存储结构管理系统来管理录音段的存放。当芯片读写存储器时会检查是否合法的存储结构，若不是则LED 会闪7 下，然后芯片将不接受任何指令除了复位和全部擦除指令。遇到这种情况需先将芯片成功全部擦除才能复原，这样原来的内容将全部丢失除了提示音。

环形存储结构管理系统管理的地址是0x10 到末地址，0x00 至0x0f 为SE 的地址。当地址指针指到末地址后，会自动跳到0x10。在此管理系统下录音段之间是连续存放的，但首地址与末地址之间至少有一个空地址间隔来让系统区分首末地址。在SPI 模式下，用户可对任意地址进行操作，但若不按管理系统的方式存储或擦除录音段，在独立按键模式下将不能操作。

3.3 系统的总体设计

多功能录放音系统的主要功能是实现语音存储与定时播放。要实现语音存储与定时播放的方法很多，可供选择的器件也很多。由于单片机等微控制器的出现和数字电路技术的发展，使得现在的语音存储与自动播放变得易于实现。本设计采用单片机作为微控制器。选用字长为8位的STC89C52单片机作为控制器。目前可以与单片机配合使用的语音芯片有很多，其中不乏性能十分优越的语音芯片，华邦公司生产的ISD1720语音芯片就是它们中的一员。ISD1720芯片采用该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示,双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。在独立按键模式下，芯片内有一套环形存储结构管理系统来管理录音段的存放。当芯片读写存储器时会检查是否合法的存储结构，若不是则LED 会闪7 下，然后芯片将不接受任何指令除了复位和全部擦除指令。遇到这种情况需先将芯片成功全部擦除才能复原，这样原来的内容将全部丢失除了提示音。环形存储结构管理系统管理的地址是0x10 到末地址，0x00 至0x0f 为SE 的地址。当地址指针指到末地址后，会自动跳到0x10。在此管理系统下录音段之间是连续存放的，但首地址与末地址之间至少有一个空地址间隔来让系统区分首末地址。在SPI 模式下，用户可对任意地址进行操作，但若不按管理系统的方式存储或擦除录音段，在独立按键模式下将不能操作。

3.3.1 STC89C52的外围电路设计

STC89C52单片机的外围电路分别有复位电路、晶振电路、四个录放控制按键、一个八段数码管，并有四个P2口分别作为和ISD1720语音芯片的数据线。本设计采用USB供电，使STC89C52单片机的工作电压保持在5V左右。2个录放控制按键的功能分别为“录音”、“播放”,它们分别连接单片机的P3.2、P3.3口。STC89C52单片机复位、晶振电路如图3.5所示：

图3.5 STC89C52的外围电路

晶振是石英振荡器的简称，英文名为Crystal，晶振分为有源晶振和无源晶振两种，它的作用是在电路产生震荡电流并且发出时钟信号。它是时钟电路中最重要的部件，它的作用是向IC等部件提供基准频率，它就像个标尺，工作频率不稳定时会造成相关设备工作频率的不稳定，自然容易出现问题。由于制造工艺的不断提高，现在晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率和密封性等重要技术指标都很好，已经不太容易出现故障，但在选用时仍然需要留意一下晶振的质量。

复位电路是为了确保微机系统中电路稳定必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。微机电路正常工作时一般需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。由于微机电路是时序数字电路，需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V并低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才能够被撤除，微机电路开始正常的工作。

3.3.2 音频处理电路设计

在本设计中，用语音芯片ISD1720构成的音频处理电路(如图2.14)。ISD1720可以工作在3.3v电压，工作电流20mA，通过MIC采集声音信息。ISD1720设计是基

于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入，所以由单片机STC89C52模拟SPI协议、SPI接口控制该芯片执行相应的动作。电路中滤波电容的运用也是一大关键。本设计的使用的振荡电阻是80kΩ，对应的采样频率和录放时间是8kHz和60秒。其余外围的电容为滤波电路。

图3.6 音频处理电路图

4.软件设计

基于单片机的录放音系统设计需要在软件的支持下才能实现的，系统的软件设计部分包括主程序及各子程序。主程序完成系统初始化和显示处理的功能。子程序包括录音放音子程序和音频段定义地址程序。本设计的程序代码在Keil环境下编写，Keil可以使用汇编语言和C语言，但C语言使用灵活，调试方便，所以该设计选择C语言。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。使用C语言编程，Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

4.1软件设计思路

系统的软件设计主要包括程序初始化、定时程序、显示程序等共同组成。其中定时程序和显示程序作为中断子程序来完成系统功能。定时程序是以定时器T0的中断服务子程序，其优先级为高级，显示程序是通用型串行通信口的中断服务子程序，其优先级为高级。系统结构图如图4.1：

图4.1 单片机语音录放结构图

4.2单片机通信接口

ISD1720通过单片机控制，当检测到按下录音键，单片机通过SPI接口发送相应指令将输入的信号进行采样，经过芯片内部的一系列处理，保存在芯片的储存器中。当检测到按下播放键时，发送播放指令使其处于播放状态。对应的语音段地址在SOUND.H文件里，具体地址从录音软件中读取。

该设计以MCS-51系列单片机为核心器件组成一个多功能录放音系统系统。在常态下单击录音键进行录音操作，单击播放键进行播放操作，单击停止键进行停止录音或播放，单击跳过键使播放指针指向下一段录音的起始地址，同时按住复位键和播放键，再依次松开复位键和播放键实现全部擦除。

sbit ISD_SS=P0^3;

sbit ISD_MISO=P0^0;

sbit ISD_MOSI=P0^1;

sbit ISD_SCLK=P0^2;

sbit key1=P3^2;

sbit key2=P3^3;

5.调试及制作过程

在系统的硬件选型与设计完成后，为了检验设计的合理性，必须经过PCB制板检验，制板工具采用的是Protel99SE。PCB制板是整个系统设计中重要的一项，步骤如下：

电路板整体设计。在PCB板的绘制之前，先有一个初步的电路板的设计，如采用几层电路板和组件使用什么样的封装和放置，使用尺寸等。这些能确定电路板设计的框架，是一项重要工作。

建立元器件封装。一般来说，有些元器件的封装在Protel99SE中已经建好，用户可直接使用。但是对于特殊的元器件，用户要自己建立原理图和PCB元件封装，在原理图和PCB图中才可以调用。自己建立的元器件封装也可导入Protel99SE 内部元件库，以后可直接调用。

绘制电路原理图。首先将使用到的元器件载入原理图，并摆放整齐，摆放的时候尽量使电路图走线方便。然后按照自己设计的电路进行接线，接线的目的是建立网络标号，凡事接在一起的引脚，都将会共用统一网络标号。绘制好的电路原理图需进行ERC校验，没有电气错误后，将PCB封装与原理图封装一一对应输入。创建网络表并导入PCB图中。绘制好电路原理图后，首先生成网络表，然后将网络表和元器件封装一同载入PCB图中。按照预先规划的布局，将元器件合理的摆放在PCB板上。

布线。在Protel99SE中，布线既可以是采用手动方式，也可以委托软件自动进行。对于自动布线，Protel99的自动布线往往还有很多令人不满意的地方，为此我们采用手动布线的方式完成PCB制板设计。

PCB电气规则检查。在完成手动布线之后，为了检验是否有短路或者断路的情况发生，常对PCB板进行电气规则检查。若出现错误，Protel99SE会将该元件或者连接线标记绿色，让人一目了然。当电气规则检查结果通过时，才可将PCB文件交给加工厂加工。最终PCB板图见附录。

6.总结

这次课程设计的项目虽然不是很大，但用的技术和知识一点也不逊色于大的项目设计，熟练的掌握了相关的技术知识和软件开发环境程序的设计，比如其中的编程软件KEIL和制作原理图的软件Altium Designer就是比较常用的编程开发制作软件。用到了SPI串行接口通信协议，STC89C51单片机的基本操作知识，C语言程序编辑等方面的知识。

这次课程设计也是一次非常难得的理论和实际相结合的机会，通过这次比较完成的课程设计，使我摆脱了以往单纯的理论知识的学习状态，并且在和实际实际的结合中锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识。对于这次的课程设计，让我认识到了自己还有很多的不足，对于单片机应用方面的知识不是很熟练。对于书本上的很多的理论知识还是不够灵活的运用，有很多我们掌握的知识在等着我们去学习。我会在以后的工作学习生活中弥补我所缺少的知识。同时还从中学到了一些很重要的东西，那就是理论和实际相结合。怎样将我们所学的知识运用到我以后的工作中去。此次课程设计给我奠定了一个实践基础。

7致谢

感谢阳老师的悉心指导，让我在毕业前顺利完成了最后一个课程设计。在我对电路迷茫的时候，是他帮助我渡过难关。同时也非常感谢同学们的帮助，感谢你们在我测试时的帮助。经过一个月的努力，课程设计终于完成了。在电路设计程序开发和撰写论文的过程中，老师和学长们给予了我悉心的指导，在此我要向他们表示衷心的感谢。同时，老师们严谨的治学态度时刻都提醒我要严格要求自己，不断取得进步。正是在他们的谆谆教导下，我对课设中所涉及到的知识进行了深入的研究，他们丰富的实际经验是我学到了很多课本上学不到的东西。我要感谢学院的所有领导和老师，是他们给予我们良好的学习和实验环境，是他们教会了我们一些为人处事的道理。同时我还要感谢被本文引用的文献的作者，你们的经验和研究给了我很多思路。另外，我要感谢我的室友和同学、以及所有关心我支持我的人，尤其是我的父母长辈们，他们是我坚强的后盾，是我力量的源泉。无论是物质上还是精神上都给予我了巨大的帮助，借此机会，我要向你们表示最诚的感谢。

8.参考文献

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[2] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

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[5] 万隆，巴奉丽.单片机原理及应用技术[M].北京：清华大学出版社，2010.3

[6] 谢自美. 电子线路设计.实验.测试（第二版）[M].湖北：华中科技大学出版社.

[7] 冯育长等.单片机系统设计与实例分析[M] .西安电子科技大学出版社，2007.

[8] 杜洋. 爱上单片机(第2版) [M] .北京：人民邮电出版社，2011.

附录1 原理图

附录2：PCB板图