语音录放系统的设计论文

课题语音录放系统

学生姓名学号 112320020038 专业应用电子班级 3112 系（院）电子信息工程与技术系

指导教师高见芳职称

二○一四年五月二十日

湖南科技职业学院电子信息工程与技术系毕业设计

毕业设计真实性承诺及指导教师声明

学生毕业设计真实性承诺

本人郑重声明：所提交的毕业设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本设计不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现设计中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担相应的法律责任和一切后果。

学生(签名)：日期：

指导教师关于学生毕业设计真实性审核的声明

本人郑重声明：已经对学生毕业设计所涉及的内容进行严格审核，确定其成果均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。

指导教师（签名）：日期：

注：此声明由指导教师和学生本人亲笔签名。

湖南科技职业学院电子信息系毕业设计评语

题目：语音录放系统设计

专业：应用电子班级：3112

姓名：学号：112320020038 毕业设计得分：答辩得分：综合评定：

指导老师评语：

指导教师（签字）：

年月日

答辩委员会（小组）评语：

答辩委员会（小组）负责人（签字）：

年月日

目录

摘要 (2)

ABSTRACT (3)

第一章概述 (3)

1.1课题的背景和意义 (3)

1.1.1概述 (4)

1.1.2 背景 (4)

1.1.3要求 (4)

1.1.4意义 (4)

1.2课题设计目的 (5)

第二章设计方案简述 (6)

2.1系统工作原理 (6)

2.2设计方案 (6)

2.3语音芯片技术指标 (7)

2.4ISD1820介绍 (8)

2.4.1 概述 (8)

2.4.2 了解ISD1820 (9)

2.4.3 芯片特点 (9)

2.4.4 ISD1820引脚功能 (10)

第三章语音电路的原理图与工作流程 (11)

3.1语音电路 (11)

3.1.1音频功率放大电路 (12)

3.1.2实物图 (12)

3.1.3元器件清单 (13)

3.2硬件流程 (14)

3.3软件流程 (15)

第四章设计结果及分析 (11)

第五章总结 (17)

参考文献 (15)

附录 (19)

致谢 (24)

摘要

ISD1820 系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机等设备。更可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器，汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16 位或32 位处理器实现同样的功能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加的复杂。

ISD1820 为美国ISD 公司出品的优质单片语音录放集成电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、三个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD 公司的专利——直接模拟存储技术（DAST TM）实现的。利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。

关键词：ISD1820；语音录放集成电路；语音录放；信息存储

Abstract

ISD1820 series chips are more commonly used voice recorders integrated circuits, most are used for voice calls, answering machine and other equipment. More MCU interface, voice above the sound recording function, can be used for automatic timekeeping device, automatic stop devices such as, if the voice processing with 16 or 32 bit processors to achieve the same function will increase the development cycle and cost will result in a more simple system of complex.

ISD1820 is the United States of America ISD company produced high-quality single chip voice integrated circuit, composed of an oscillator, a voice memory unit, a preamplifier, an automatic gain control circuit, anti interference filter, the output amplifier. One of the smallest recording system is composed of a microphone, a loudspeaker, a three button, a power supply, a resistor capacitor components. Audio content stored in permanent memory unit, to provide zero power information storage, this method is the one and only with the help of the United States of America ISD company patent -- direct analog storage technology ( DAST TM ) to achieve. To use it, voice and audio signals are stored directly, in their original form into the EEPROM memory simulation. Direct analog storage allows the use of a monolithic solid circuit method to complete its original audio playback.

Keywords：ISD1820， voice recording circuit，voice recording， information storage

第1章概述

1.1课题的背景和意义

1.1.1概述

ISD1820 系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机等设备。更可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器，汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16 位或32 位处理器实现同样的功能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加的复杂。开发简单的语音录放系统时，ISD 的芯片将成为开发工程师的不二选择。

1.1.2 背景

开发在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；然而随着时代的进步与发展，如今普通的8位单片机已经无法满足需求，因为其资源有限，而且系统时钟速度慢，导致许多问题无法及时解决，加之内部的储存容量很小使得在编写程序时不得不考“精简”。现在51的应用已经越来越普及，因为它的高性能使之得到很多人的青睐，因此选用ARM来作为控制器。51的应用有利于产品的微型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。但是，对于51的应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于51的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用51通过软件（编程序）方法实现了。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。随着51应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。

高档的51芯片还能建立操作系统平台，使之更加强大。具有很强的实时性和完美的人机界面，同时其软硬件可以根据需要进行裁剪，具有很强的灵活性。

1.1.3要求

(1).熟悉电路的工作原理；

(2).掌握该电路中元器件的识别方法；

(3).掌握电路的调试方法；

(4).熟悉电路简单的故障分析方法；

(5).论文符合其格式、字数的基本要求，内容要求充实、作图严谨规范等。

1.2课题设计目的

语音生成技术用于工业监控系统、自动应答系统、多媒体查询系统、智能化仪表、办公自动化系统或家用电气产品中，使它们具有语音输出功能，使之能在适当的时候用语音实时报告系统的工作状态、警告信息、提示信息或相关的解释说明等，无疑在提高人机通信能力、减少对错误处理的遗漏、提高系统性能、降低人们的工作强度等方面都有极大的好处。

在人工或者控制器的控制下可以录音和放音的语音芯片,但语音信号是模拟量（语音芯片存储和播放声音的基本工作方式为：声音→模拟量→ A/D →存储→D/A →模拟量→播放）。

采用此方法的语音芯片外围电路比较复杂，声音质量也有一定失真。而另一类语音芯片采用ROM存储方法，将模拟量语音数据直接写入半导体存储单元中，不需另加变换电路，使用方便，且语音音质自然，利用数字语音电路来实现语音信号的记录、存储、还原等。

传统的语音录放需要经过如下过程：语音信号经过设备接受后转化为模拟电信号，通过前置放大器把语音信号放大，通过带通滤波之后，去掉多余的干扰，再经过自动增益控制和A 压缩电路净化输入的模拟电信号，而后经A／I)转换器转换为数字信号，由控制器对其进行处理和存储，之后再由D／A转换为模拟信号，达到放音的目的。

第2章设计方案简述

2.1 系统工作原理

整个电路设计可分为以下几个单元电路：按键指令输入电路、录音电路。系统上电后，按下相应的按键后能实现录音、播放、停止等功能，而且掉电后能保存语音信息不丢失，能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，而且操作简易。

2.2 设计方案

采用基本的硬件电路，主芯片ISD1820直接控制整个语音电路，电路结构简单，一般较为常用。这个最小化系统有一个LED指示灯、三个微动开关，可以对芯片的录音、播放、停止进行控制。S3（RECORD）为录音键，按住它时LED灯点亮，此时为录音状态，当录放达到最大时间值或中途放开S3 录音按键即停止录音。S2（PLAYL）为放音键，按一下它就可以播放录音，当放音达到录音的尾声时或中途按下了S1停止键则停止放音。S1为停止键，当放音过程中按下S1停止键停止放音。如果有待机时按住S1 则开始放音，放音直到录音的尾声或中途放开S1 键。当芯片处于录音状态时LED点亮，当芯片放音结束时LED会闪亮一下。

2.3语音芯片技术指标

表1芯片的技术指标

2.4 ISD1820介绍

2.4.1 概述

ISD1820 系列芯片是较为常用了语音录放集成电路，一般多用于语音电话、留言机等设备。更可于单片机实现接口，进行语音分段录放音的功能，可用于自动报时器，汽车自动报站器等设备，如果采用具有语音处理的16 位或32 位处理器实现同样的功能将会增大开发的周期和成本，会使本来简单的系统更加的复杂。开发简单的语音录放系统时，ISD 的芯片将成为开发工程师的不二选择。

2.4.2 了解ISD1820

ISD1820 为美国ISD 公司出品的优质单片语音录放集成电路，由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。录音内容存入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国ISD 公司的专利——直接模拟存储技术（DAST TM）实现的。利用它，语音和音频信号被直接存储，以其原本的模拟形式进入EEPROM存储器。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完成其原本语音的再现。不仅语音质量优胜，而且断电语音保护。

目前，ISD1820 系列有下列型号：ISD1408、ISD1410、ISD1412、ISD1416、ISD1820。录放时间分别为：8秒、10秒、12秒、16秒、20 秒。（ISD14XX——其中型号的后两位表示其录音的时间长度，单位是秒）

2.4.3芯片特点

●所需外围元件少，电路简单，操作方便。

●采用直接模拟量存贮技术DAST（Direct Analog Strorage Technology），

再现优质原声。

●零功率信息存贮，省掉备用电源。

●信息可保存10 年以上，可反复录放达10万次之多。

●语音固化无需专用编程或开发装置。

●较强的选址能力，可把存储器分成160段来进行管理。

●具有自动省电模式，此时仅需0.5μA 的保持电流。

●单一电源供电。

2.4.4 ISD1820引脚功能

语音芯片选用ISD公司的ISD1820，其引脚分布如图

图1 ISD1820引脚功能

1脚：录音 (REC) 高电平有效。只要REC 变高(不管芯片处在节电状态还是正在放音)，芯片即开始录音。录音期间，REC 必须保持为高。REC 变低或内存录满后，录音周期结束，芯片自动写入一个信息结束标志(EOM)，使以后的重放操作可以及时停止。然后芯片自动进入节电状态。注：REC 的上升沿有84 毫秒防颤，防止按键误触发。

2脚：边沿触发放音(PLAYE) 此端出现上升沿时，芯片开始放音。放音持续到EOM 标志或内存结束，之后芯片自动进入节电状态。开始放音后，可以释放PLAYE。

3脚：电平触发放音(PLAYL) 此端从低变高时，芯片开始放音。放音持续至此端回到低电平，或遇到EOM 标志，或内存结束。放音结束后芯片自动进入节电状态。

4脚：话筒输入(MIC) 此端连至片内前置放大器。片内自动增益控制电路(AGC)控制前置放大器的增益。外接话筒应通过串联电容耦合到此端。耦合电容值和此端的10KΩ输入阻抗决定了芯片频带的低频截止点。

5脚：话筒参考(MIC REF) 此端是前置放大器的反向输入。当以差分形式连接话筒时，可减小噪声，提高共模抑制比。

6脚：自动增益控制(AGC) AGC 动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量(从耳语到喧嚣声)时失真都能保持最小。通常4.7uF 的电容器在多数场合下可获得满意的效果。

7脚和9脚：喇叭输出(SP+,SP-) 这对输出端可直接驱动8Ω以上的喇叭。单端使用时必须在输出端和喇叭之间接耦合电容，而双端输出既不用电容又能将功率提高至4 倍。SP+和SP-之间通过内部的50KΩ的电阻连接，不放音时为悬空状态。

8和14脚：地线(VSSA, VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路的不同地线汇合在这个引脚。

10脚：振荡电阻(ROSC) 此端接振荡电阻至VSS，由振荡电阻的阻值决定录放音的时间。

11脚：电源(VCC) 芯片内部的模拟和数字电路使用的不同电源总线在此引脚汇合，这样使得噪声最小。去耦电容应尽量靠近芯片。

12脚：直通模式(FT) 此端允许接在MIC 输入端的外部语音信号经过芯片内部的AGC 电路、滤波器和喇叭驱动器而直接到达喇叭输出端。平时FT 端为低，要实现直通功能，需将FT端接高电平，同时REC、PLAYE 和PLAYL 保持低。

13脚：录音指示(/RECLED) 处于录音状态时，此端为低，可驱动LED。此外，放音遇到EOM标志时，此端输出一个低电平脉冲。此脉冲可用来触发PLAYE，实现循环放音。

第三章语音电路的原理图与工作流程

3.1 语音电路

其原理图如下：

图2语音电路图

在直通模式下，直通开关闭合，对话筒说话会从喇叭里扩音播放出来，构成喊话器功能，由于该模式下的话筒放大同时经过AGC 自动增益调节和带通滤波器，其音质比通常的话筒放大器要好很多，而且不会出现喇叭过载的情况。

3.1.1音频功率放大电路

其原理图如下：

图3音频功放电路原理图

3.1.2实物图

语音电路与音频功率放大电路的实物图如下：

图4 实物图

3.1.3元器件清单

图5元器件清单

3.2硬件流程

该系统的核心为ISD1820，完全符合该系统硬件要求。为实现语音录放功能，采用ISD1820器件，其录音时间为20 s，接收录音指令时，将从麦克风传出的语音段直接保存在内部存储器中；接收到放音指令时，按照单片机给定的地址，从存储器中取出语音段并驱动扬声器，以声音的形式播出语音段。

图6 录音工作流程图

图7 放音工作流程图

其具体的操作方法如下：

(a)录音

录音时，第一次按录音键开始录音，第二次按录音键表示暂停（即保存，设置EOM）。暂停录音后后，按放音键，可以从地址指针为0处开始录音。录音时，可通过PD段的高脉冲来停止录音。按“STOP”键为复位，再录音时，又将从第一段开始。

(b)放音

播放时，第一次按播音键即开始播放。播放过程中，再次按放音键则可暂停，第三次按播放键可以在暂停处继续播放。如果在第二次播放键按下后，再按录音键，则可以从暂停处开始录音。播放中，可通过PD端产生的高脉冲来停止播放，同时将地址指针复位到0.播放中没有PD高脉冲，则一直播放下去，直到遇到芯片溢出处时，再返回地址指针为0处，开始循环播放。按“STOP”键为复位，再录音时，又将从第一段开始。

3.3软件流程

图8 软件流程图

以三个按键的动作为输入信号，单片机收到信号后可以分别独立的调用其相应的子程序来完成相应的工作。从而实现了录音与放音。

第四章设计结果及分析

经过多次修改程序后，现在基本上能实现语音功能，按下按键后能实现相应的功能。但是需要改成的地方是语音播放处理，使其变得更加清晰。

该语音电路产品，具有音色自然、使用方便、单片存储、反复录放、扩展容易、功耗低微、不怕断电等许多特点，通过扩展外部设备，基于ISD的语音产品在通信导航设计、智能仪器仪表、治安报警系统、自动售货机、电子地图、电子导游机、车载信息终端语音播报、公共汽车语音报站器、电磁报层背景音乐播放系统、语音讲解仪、电话自动应答系统、便携式语音记录装置、电子词典、语言复读机、语言音乐教学仪、智能玩具、高档电子礼品等许多领域，都有着极其广泛的应用。

通过以上的介绍可以看到：

（1）ISD语音芯片精度高、集成度高，使微机的语音输出结构大大简化，造价大大降低。

（2）由于ISD语音器件抗干扰性强，所以在环境恶劣的系统中，如机车车辆，也能进行正常的语音输出，信息保存时间长，工作可靠。

（3）由于ISD芯片的输出可以高保真的再现原声，可将ISD语音芯片用于语音及声音信号的检测或模拟系统。

（4）系统中研制的基于PC机和声卡的开发工具，实现了语音的非定长录制和无间断停顿式组合播放。

（5）应用在机车随车质量状态诊断报警装置中，实现了车载大量语音报警信息和故障应急处理提示的功能，取得了良好的效果。

第五章总结

几周的课程设计结束了，我相信每个人都会又不小的收获。在这几周中，我们一起完成了我们的任务，我学到了很多，也发现了很多不足。

本文通过对ISD1820语音芯片的一个实际应用的简单介绍，使我熟悉了1SD1820的基本应用。通过实验验证该语音录放系统录音和放音效果良好，具有一定的实用价值。

我的题目是语音录放系统的设计，对于我们来说，这是一次考验。怎么才能找到课堂所学与实际应用的最佳结合点？怎样让自己的计划更具有序性，而不会忙无一用？这都是我们所要考虑和努力的。这次课程设计我学到很多很多的东西，学会了怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划。不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，掌握了一种系统的研究方法。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

虽然前期进行了完备的设计分析和充分的准备工作，在实际操作中我们还是遇到诸多困难。我们花费大量时间对方案进行讨论修改，考虑到制作的简单易行，芯片功能，我们对设计方案进行不断改进，在理论和实践上实现协调统一；课下我们从图书馆和网上查找资料，不断丰富自己的相关知识，并与老师保持沟通，获得宝贵意见。为了尽早完成作品，经过课下大量的实践操作，我们提高了焊接技能和效率，丰富了各种器件常识，收获了难得的实践经验。

毕业设计，帮助我们总结大学四年收获、认清自我。同时，还帮助我们改变一些处理事情时懒散的习惯。从最开始时的搜集资料，整理资料，到方案比选，确定方案，再到着手开始进行路基工程、路面工程和路线排水的设计，每一步都是环环相扣，衔接紧密，其中任何一个步骤产生遗漏或者疏忽，就会对以后的设计带来很多的不便。

学生的动手能力和资料搜集能力在设计中也得到提升。毕业设计中很多数值、公式、计算方法都需要我们去耐心地查阅书籍，浏览资料，设计中需要用到辅助设计软件的地方，也需要我们耐心的学习。掌握其使用的要领，运用到设计当中去。最后汇总的时候，需要将前期各个阶段的工作认真整理

通过课设更使我明白了学习是用来服务的，我们不能只学习书上的知识，我们学习是为了更好的生活，要学以致用，要能够理论联系实际。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计通过自己的努力，同学的帮助，还有老师的辛勤指导下，最终顺利完成了。

感谢应用电子技术专业的全体老师对我的谆谆教导，你们的教诲将使我受益终生。

感谢全体同学，你们的关心和友爱使我很感动！

参考文献

[1] 周玲.电路基础[M].长沙：中南大学出版社，2007.7，1-45.

[2] 汤光华，黄新民.模拟电子技术[M].长沙：中南大学出版社，2007.7，1-31.

[3] 任富民.电子CAD-Protel DXP 2004 SP2电路设计—2版[M].北京：电子工业出版社，2012.5，1-245.

[4] 彭勇.单片机技术[M].北京：电子工业出版社，2009.1，2-19.

[5] 王静霞.单片机应用技术(C语言版) [M].北京：电子工业出版社，2009.5，1-165.

[6] 成奋华，陆惠民.C语言程序设计[M].长沙：中南大学出版社，2005.6，1-119.

[7] 李雪东.电子产品制造技术[M].北京：北京理工大学出版社，2001.8，1-178.

[8] 王冬梅，张建秋.基于单片机的八路抢答器设计与实现[J].佳木斯大学学报(自然科学版).2009.5，27(3)：350-352.

[9] 何志琴，崔春成.电子抢答器的设计[J].河北机电学院学报.1996.13(2)：21-25.

[10] 程相波，卫安军.基于MCS-51单片机的八路抢答器设计方法研究[J].北京工业职业技术学院学报.2007.4，6(2)：31-34.

[11] 王文峰.数码显示八路抢答器的设计[J].井冈山师范学院学报(自然科学版). 2000.11，21(5)：20-21.

[12] 臧殿红.基于AT89S51的八路抢答器的设计[J].泰安市高级技工学校电气工程系科技信息报.2011，25：518-530.

[13] 肖光辉.数显抢答器的设计与制作.[D].鄂州职业大学，2014

[14] 王永刚.浅议单片机硬件设计和软件设计的相互关系[J].赤峰学院学报(自然科学版).2008.8，24(4)：8-9.

[15] 刘开绪.数字式抢答器的设计与实现[J].电子工程师.2005,(9)：69-71.

附录

ISD1820语音芯片驱动（C51源程序）

/*spi isd1820.h*/

#include "reg51.h"

#include "intrins.h"

sbit _cs = p0^0;

sbit _sclk= p0^3;

sbit _mosi= p0^1;

sbit _miso= p0^2;

sbit _rac = p0^4;

sbit _int = p0^5;

void delay(unsigned int i) //延时程序

{

while(i--);

}

void stopmode() //停止

{

unsigned char m,i,j;

_cs=1;

_sclk=0;

_cs=0;

m=0x30;

for(i=0;i<8;i++)

{

m=_cror_(m,1);

j=m<<1;

_mosi=cy;

_sclk=0;

_sclk=1;

}

_cs=1;

}

void powerdown() //下电

{

unsigned char m,i,j;

_cs=1;

_sclk=0;

_cs=0;

m=0x10;

for(i=0;i<8;i++)

{

m=_cror_(m,1);

j=m<<1;

_mosi=cy;

_sclk=0;

_sclk=1;

}

_cs=1;

}

void powerup() 上电

{

unsigned char m,i,j;

_cs=1;

_sclk=0;

_cs=0;

m=0x20;

for(i=0;i<8;i++)

{

m=_cror_(m,1);

j=m<<1;

_mosi=cy;

_sclk=0;

_sclk=1;

}

_cs=1;

}

void record1820(unsigned int address) 录音 address--录音地址 0---2400 {

unsigned char i,m,j;

unsigned int datasoute=0;

powerup();

delay(5118);//上电延时

powerup();

delay(5118);//上电延时

delay(5118);//上电延时

_cs=1;

_sclk=0;

m=0xa0;

_cs=0;

for(i=0;i<16;i++)

{

address=_iror_(address,1);

datasoute=address<<1;

_mosi=cy;

_sclk=0;

_sclk=1;