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ATMEGA16 的PDF資料 下載 ,2998752K

ATMEGA16 的貨源和報(bào)價(jià) ATMEGA16 的相關(guān)技術(shù)信息

其他型號(hào)

基于ATMEGA16單片機(jī)的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(yǔ)音提示，提供一個(gè)良好的人機(jī)接口。該設(shè)計(jì)給某測(cè)試設(shè)備提供一個(gè)語(yǔ)音告警系統(tǒng)，具有較強(qiáng)通用性。系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)ATMEGA16控制語(yǔ)音芯片ISD1790，實(shí)現(xiàn)了在不同情況下，提供不同的語(yǔ)音提示告警，提示語(yǔ)音可以自行錄入，最后，通過(guò)D類(lèi)音頻功率放大器TPA3101D2，實(shí)現(xiàn)了高音質(zhì)大音量語(yǔ)音輸出。

　　0引言

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

　　a)以高度集成的語(yǔ)音芯片為核心。

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

　　c)D類(lèi)功率放大越來(lái)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(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，語(yǔ)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(yīng)用發(fā)展前景。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)是某測(cè)試儀器的語(yǔ)音模塊。它以華邦（WINBOND）公司的ISD1790語(yǔ)音錄放芯片為核心，通過(guò)單片機(jī)ATMEGA16智能控制，最后通過(guò)D類(lèi)功率放大器TPA3101D2驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試設(shè)備語(yǔ)音告警功能。

　　系統(tǒng)框圖如下圖１。

圖1 語(yǔ)音錄放系統(tǒng)框圖

　　圖１中，上位機(jī)（安裝設(shè)備管理軟件的PC機(jī)）和下位機(jī)（ATMEGA16單片機(jī)）通過(guò)RS232信號(hào)通信，上位機(jī)送出錄音或刪除指令，下位機(jī)接收后，通過(guò)相應(yīng)子程序，輸出TTL電平，驅(qū)動(dòng)錄音芯片，執(zhí)行相應(yīng)操作；當(dāng)該測(cè)試設(shè)備檢測(cè)信號(hào)超過(guò)設(shè)定的門(mén)限以及其它需要語(yǔ)音提示情況時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出提示信號(hào)，通過(guò)控制下位機(jī)輸出控制信號(hào)，語(yǔ)音芯片播放指針指向相應(yīng)語(yǔ)音片段，播放該段語(yǔ)音，完成相應(yīng)操作；當(dāng)使用人員需要調(diào)節(jié)聲音大小時(shí)，通過(guò)設(shè)備面板上的加減兩個(gè)語(yǔ)音按鍵，送給下位機(jī)信號(hào)，下位機(jī)通過(guò)控制錄放芯片ISD1790和功率放大器TPA3101D2音量控制引腳電平按時(shí)序變化，實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)。

　　2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1語(yǔ)音錄放模塊

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

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

圖2 語(yǔ)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(jī)給PLAY管腳一個(gè)下降沿信號(hào)，經(jīng)大約216ms后，開(kāi)始播放播放指針指向語(yǔ)音段，在放音期間，如需停止播放，單片機(jī)再給PLAY管腳一個(gè)下降沿信號(hào)即可。放音結(jié)束后，播放指針回到剛播放語(yǔ)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(jìn)，也使播放指針指向跳到下一個(gè)語(yǔ)音段。實(shí)現(xiàn)方法為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制FWD 端，將電平拉低并維持大約192ms以上，啟動(dòng)快進(jìn)操作。當(dāng)播放指針到達(dá)最后一段語(yǔ)音處時(shí)，再次快進(jìn)，指針會(huì)返回到第一段語(yǔ)音。該引腳在設(shè)計(jì)時(shí)，被用作選段播放，當(dāng)系統(tǒng)給出一個(gè)提示信號(hào)要求播放某段語(yǔ)音時(shí)，程序設(shè)定對(duì)應(yīng)的快進(jìn)次數(shù)，將播放指針對(duì)準(zhǔn)需要播放的語(yǔ)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(jī)控制芯片ERASE引腳電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。全體擦除，也就是擦除芯片內(nèi)全部語(yǔ)音信息，條件是ERASE管腳被置低超過(guò)2.5秒。單段擦除，也就是只擦除一段已錄入的語(yǔ)音信息，且僅可擦除第一段或最后一段語(yǔ)音。如果ERASE 管腳拉低不超過(guò)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(yǔ)音，則刪除第一段語(yǔ)音，播放指針指向新的第一段（擦除前第二段）語(yǔ)音；如果芯片空閑且播放指針指向最后一段語(yǔ)音，則刪除最后一段語(yǔ)音，播放指針指向新的最后一段（擦除前倒數(shù)第二段）語(yǔ)音；如果芯片空閑并且播放指針指向沒(méi)有指向第一或最后一段語(yǔ)音，則不會(huì)刪除任何語(yǔ)音，播放指針也不會(huì)被改變。擦除操作信號(hào)有上位機(jī)發(fā)出，在軟件界面里分別對(duì)應(yīng)全體擦除和單段擦除，點(diǎn)按軟件里相應(yīng)按鈕，執(zhí)行相應(yīng)操作。

　　復(fù)位，用RESET按鍵控制此管腳，RESET管腳與地之間連接一個(gè)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(yǔ)音信息的位置。復(fù)位按鍵為一個(gè)按鍵，同時(shí)提供單片機(jī)復(fù)位信號(hào)。

　　音量調(diào)節(jié)，單片機(jī)將 VOL 引腳電平下拉一次，音量會(huì)減小一檔，直到到達(dá)最小檔，再次下拉，會(huì)增加音量一檔，如此循環(huán)。語(yǔ)音芯片總共有8個(gè)音量檔，每一檔會(huì)改變 4dB。復(fù)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(dòng)直通操作。直通操作會(huì)將語(yǔ)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(huì)同時(shí)錄下直通引腳進(jìn)入的語(yǔ)音信號(hào)。直通信號(hào)，由上位機(jī)軟件發(fā)出，用于測(cè)試芯片狀態(tài)。

　　語(yǔ)音錄放模塊的具體操作，由相應(yīng)單片機(jī)子程序控制實(shí)現(xiàn)。

　　音頻信號(hào)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(xiàn)開(kāi)關(guān)式立體聲接座。這使電路子模塊相互獨(dú)立，便于調(diào)試和維護(hù)。輸入端，*可以借用通用高音質(zhì)話(huà)筒，省去了不必要的錄音電路，提高了可靠性。輸出端，當(dāng)插入通用耳機(jī)測(cè)試時(shí)，這種開(kāi)關(guān)式接頭，將它與到功放模塊的引腳斷開(kāi)，避免的相互干擾，便于故障隔離。

　　震蕩電阻ROSC，用來(lái)定義芯片的采樣頻率，從而決定芯片的錄放時(shí)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(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量，該模塊設(shè)計(jì)注意以下幾點(diǎn)。

　　第一，該模塊電路中有很多電源和電源地，PCB上每個(gè)電源和電源地之間分開(kāi)走線(xiàn)，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(xiàn)寬大于30mil。

　　第四，自動(dòng)增益控制電容、耦合電容、其它電阻電容擺放靠近芯片，引線(xiàn)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(jī)控制的開(kāi)關(guān)量盡量不用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)模電電路數(shù)字電平驅(qū)動(dòng)。

　　2.2控制模塊

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

　�。�1）上位機(jī)控制信息

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

　　上位機(jī)軟件用VISUAL C++ 6.0編寫(xiě)，語(yǔ)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(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入某種狀態(tài)，需要語(yǔ)音提示時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)編碼的數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，激活相應(yīng)單片機(jī)子程序，單片機(jī)輸出相應(yīng)時(shí)序電平信號(hào)，將語(yǔ)音芯片播放指針指向相關(guān)語(yǔ)音，以默認(rèn)的音量輸出，驅(qū)動(dòng)功放，完成語(yǔ)音輸出。

　　（3）音量控制

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

　　語(yǔ)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(gè)低電平信號(hào)，增大音量一檔；輸入7個(gè)低電平信號(hào)，減小音量一檔。

　　功放芯片TPA3101D2音量增益有兩個(gè)引腳（GAIN0和GAIN1），對(duì)應(yīng)四檔，增益分別為20dB、26dB、32dB和36dB。

　�。�3）復(fù)位按鍵

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

　　2.3 D類(lèi)功率放大

　　D類(lèi)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(lèi)功放，首先將輸入的音頻信號(hào)和一個(gè)固定頻率（一般250KHz）的三角波相比較，形成一個(gè)脈沖寬度調(diào)制的方波信號(hào)(PWM)，每個(gè)脈沖寬度實(shí)時(shí)體現(xiàn)了輸入信號(hào)的幅度，將此信號(hào)送到由開(kāi)關(guān)管所組成的功率放大器進(jìn)行脈沖功率放大，輸出的信號(hào)再經(jīng)一個(gè)低通濾波器進(jìn)行解調(diào)，得到音頻信號(hào)推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。D類(lèi)功放原理圖如圖３所示。

圖3  D類(lèi)功放原理圖

　　該設(shè)計(jì)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(lèi)功放，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)揚(yáng)聲器；

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

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

　　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是為管理測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)的。與語(yǔ)音模塊相關(guān)的主要是語(yǔ)音錄入、擦除和直通測(cè)試，在軟件界面下調(diào)用這些功能，通過(guò)計(jì)算機(jī)串口，將指令傳給下位機(jī)，執(zhí)行相應(yīng)功能。

　　下位機(jī)軟件是ATMEGA16的工作程序，其框圖如下圖4。

　　軟件開(kāi)始，初始化輸出端口，控制語(yǔ)音芯片和功放處于低功耗狀態(tài)；接下來(lái)，掃描ATMEGA16單片機(jī)輸入(PA口和串口)，如果輸入沒(méi)有狀態(tài)變化，保持語(yǔ)音模塊待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生變化，判斷并啟動(dòng)相應(yīng)子程序，在程序控制下，單片機(jī)輸出口狀態(tài)按時(shí)序發(fā)生相應(yīng)變化，執(zhí)行相應(yīng)操作；執(zhí)行結(jié)束，返回。

圖4 單片機(jī)程序框圖

　　4試驗(yàn)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(yǔ)音人機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)方案，該方案實(shí)現(xiàn)了目前語(yǔ)音錄放技術(shù)方案的下三個(gè)特點(diǎn)，且各個(gè)模塊相互獨(dú)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(shí)現(xiàn)具體細(xì)節(jié)問(wèn)題，該模塊已經(jīng)加裝到某測(cè)試設(shè)備用于語(yǔ)音告警，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，后續(xù)維護(hù)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。