基于ISD4004語(yǔ)音芯片和AT89S52單片機的語(yǔ)音播報記

　　引 言

　　本文介紹一種以語(yǔ)音存儲與自動(dòng)播放系統為基礎的語(yǔ)音播報記事器設計。該設計以ISD4004：語(yǔ)音芯片和AT89S52單片機為中心，很好地實(shí)現了語(yǔ)音存儲與自動(dòng)播放。

　　1 硬件設計原理

　　語(yǔ)音播報記事器的主要功能是實(shí)現語(yǔ)音存儲與定時(shí)播放。要實(shí)現語(yǔ)音存儲與定時(shí)播放的方法很多，可供選擇的器件也很多。由于單片機等微控制器的出現和數字電路技術(shù)的發(fā)展，使得現在的語(yǔ)音存儲與自動(dòng)播放變得易于實(shí)現。本設計采用單片機作為微控制器。單片機的字長(cháng)由4位、8位、16位發(fā)展到32位。目前這幾種字長(cháng)的單片機同時(shí)存在于市場(chǎng),用戶(hù)可以根據不同的需要進(jìn)行選擇。本系統選用字長(cháng)為8位的AT89S52單片機作為控制器。

　　目前可以與單片機配合使用的語(yǔ)音芯片有很多，其中不乏性能十分優(yōu)越的語(yǔ)音芯片，美國ISD公司生產(chǎn)的ISD4004語(yǔ)音芯片就是它們中的一員。ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內含振蕩器、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(yǔ)音信號模擬輸入/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技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現語(yǔ)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(cháng)，而音質(zhì)則有所下降。芯片設計基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口(SPI或Mi-crowire)送入。由于ISD4004的眾多優(yōu)點(diǎn)，本設計就采用它作為錄放音器件。

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

　　2 硬件設計

　　2.1 語(yǔ)音輸入與輸出電路設計

　　語(yǔ)音信號經(jīng)過(guò)駐極體話(huà)筒轉化為的電信號很微弱，在送入語(yǔ)音芯片之前需要經(jīng)過(guò)放大。這樣做的目的是為了提高信號的信噪比，以達到更好的抑制噪聲的目的。由于聲電轉換器件使用的是駐極體話(huà)筒，所以后級放大電路使用三極管作為放大器件即可滿(mǎn)足要求。本設計中從語(yǔ)音芯片輸出的語(yǔ)音信號很微弱，不能直接驅動(dòng)揚聲器，所以要在語(yǔ)音芯片和揚聲器之間加上一個(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成。該功放電路的放大效果良好，噪音小，可以滿(mǎn)足本設計的要求。

　　2.2 顯示電路設計

　　本設計的顯示部分使用LED數碼管。為了提高LED顯示的亮度，在本設計中，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。本設計采用軟件查表方式輸出。當系統沒(méi)有錄放音時(shí)，需要顯示年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等信息;當系統有錄放音時(shí)，需要顯示與錄放音有關(guān)的信息。這樣，整個(gè)系統一共需要15個(gè)數碼管。為了節省單片機的I/O口，顯示部分使用了74LS154，單片機與LED的接口采用動(dòng)態(tài)接口。74LS154是4線(xiàn)16線(xiàn)譯碼器，用于將單片機的輸出譯碼后作為L(cháng)ED的片選信號使用。

　　2.3 PCF8563接口電路設計

　　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(xiàn)接口器件。設計中，PCF8563用來(lái)提供時(shí)間和日歷信息。當沒(méi)有進(jìn)行錄音和放音操作時(shí)，本設計相當于一個(gè)萬(wàn)年歷;當進(jìn)行錄音或放音時(shí)，PCF8563用來(lái)對每段錄音或放音進(jìn)行計時(shí)，所有的時(shí)間信息均通過(guò)LED數碼管顯示出來(lái)。由于PCF8563是漏極開(kāi)路，所以必須要加5.1 kΩ的上拉電阻。PCF8563與AT89S52的接口電路設計如圖2所示。

　　2.4 ISD4004接口電路設計

　　本設計使用ISD4004-16M型號的語(yǔ)音芯片。這款語(yǔ)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端的行地址數目與語(yǔ)音芯片中存儲器的行數對應，即語(yǔ)音芯片存放的每段錄音的初始與結束地址與惟一的RAC行地址數對應。所以只需將RAC端與單片機的計數端相連，僅記錄RAC行地址數目即可實(shí)現整個(gè)錄放操作，且單片機的計數器無(wú)需中斷。根據以上的思想，設計ISD4004與單片機的接口電路如圖3所示。

　　3 軟件設計

　　本設計中的程序設計包括以下幾個(gè)部分，即鍵盤(pán)處理程序、ISD4004放音驅動(dòng)程序、ISD4004錄音驅動(dòng)程序、時(shí)間校正程序、錄音子程序、放音子程序、播放時(shí)間設置子程序、播放選擇程序、子程序設計。圖4為主程序流程圖。

　　4 系統測試

　　系統上電后15個(gè)數碼管全亮大概3 s，以此檢測數碼管的好壞。之后數碼管會(huì )出現年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等信息。當按下錄音鍵后，系統開(kāi)始錄音。錄音時(shí)，數碼管會(huì )顯示“SAVE”字樣，并會(huì )顯示該段錄音的時(shí)間信息;當確定鍵按下后，該語(yǔ)音段的錄音結束，數碼管重新顯示時(shí)間信息。當按下放音鍵時(shí)，系統開(kāi)始放音，這時(shí)數碼管會(huì )顯示“PLAY”字樣，并會(huì )顯示該段錄音的時(shí)間信息。放音結束后數碼管會(huì )回到時(shí)間顯示界面。當按下時(shí)間校正鍵后，便可以對時(shí)間進(jìn)行校正;當按下確定鍵后，時(shí)間校正結束。本系統可以錄音15 min，可以錄4段錄音。當按下播放設置鍵后，就可以對每段錄音的播放時(shí)間進(jìn)行設置;當按下播放選擇鍵后，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)系統完全是手工焊制，線(xiàn)路之間存在干擾;

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

　　(3)語(yǔ)音輸入放大電路的放大倍數不夠，噪聲沒(méi)有得到足夠的抑制。

　　整個(gè)系統的設計合理，外圍電路結構簡(jiǎn)單，方便調試;單片機余留有I/O口，方便系統的升級和擴展;單片機的所有程序均使用C-51進(jìn)行編寫(xiě)，方便調試和閱讀。整個(gè)系統工作穩定，操作方便。本設計的設計原理完全可以用在公共汽車(chē)上，作為語(yǔ)音報站器使用，也可以用在銀行和醫院等一些需要自動(dòng)播報語(yǔ)音信息的公共場(chǎng)所。在本設計的基礎上稍加擴充，就可以滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要。