系统设计
总体设计
系统主要由语音处理前向通道、A/D转换、单片机控制兼数据处理、D/A转换、键盘显示模块及后向处理通道组成,单片机构成系统的控制中心,用来进行控制功能选择和结果显示。CPLD内集成373、138和分频器。通过前级放大,将微弱的电信号放大到2.5v,中间由射极跟随器进行隔离,再通过300Hz~3.4kHz的带通滤波器滤除50Hz的市电影响和高频噪声。ADC0809的参考电压选为+5V,其采集的电压信号范围是0~+5V。而语音信号是双极性的,可正可负(滤波器输出信号幅值约为土2.5V),因此,有必要加一直流偏置电压(约为+2.5V),使语音信号变为单极性信号(0~+5V),保证ADC0809采样有效,同时也保证其具有一定的采样精度。通过反相加法器将双极性的电信号转换为0~+5V的单极性信号。信号通过A/D转换后进入单片机进行相应处理,然后D/A转换成模拟信号输出,后极通过300Hz~3.4kHz的带通滤波器使之平滑,并用音频功放放大语音信号后输出。总体框图如图1所示。
各模块设计
前级放大模块
话筒的输出阻抗不可忽略,故放大前必须进行隔离,并尽量减小信号输出
单片机
单片机是系统的控制中心,它主要实现以下的功能:一方面控制LCD显示语音信号的相关信息,控制按键识别和功能选择;另一方面控制62256的存储和A/D、D/A转换,实现语音的存储和回放。单片机内部的程序流程不在此祥述了。
CPLD
系统中的373、分频器及138均在CPLD内部实现,这样可减少芯片的使用,并为以后系统实现功能扩展提供条件。CPLD内部的源程序不在此详述。
滤波模块
在设计带通滤波器时,按品质因数Q的大小,分为窄带(Q>10)和宽带(Q<10)两种情况,若上限频率为fh,下限频率为fl,中心频率为fo,则
滤波器的类型可由下面的公式给出定量计算, 当
低通滤波器的截止频率设为3.4kHz,根据二阶低通滤波器(巴特沃斯响应)设计表设定各元器件参数值为:
第一级,R1=6.8kΩ,R2取50kΩ的电位器,C=6.8nF,C1=2.2nF;第二级,R1取10kΩ的电位器,R2取20kΩ,C=6.8nF,C1=2.2nF。
高通滤波器的截止频率设为300Hz,根据二阶低通滤波器(巴特沃斯响应)设计表设定各元器件参数值为:
第一级,R1=3.9kΩ+150Ω,R2取100kΩ的电位器,C1=C2=100nF;第二级,R1取100kΩ的电位器,R2取9.1kΩ,C1=C2=100nF。
根据设计的参数值,用Multisim2001进行模拟,其带通宽度、截止点和矩形系数都达到了系统要求。
系统实现电路
按上述设计思路,系统采用89C52单片机及EPM7128SLC84-15做主体控制。A/D转换部分采用ADC0809,其最大允许时钟可达1.28MHz,典型时钟为640kHz,但这样的时钟限制了ADC0809的采样速率,由于所使用的晶振为12MHz,故将单片机的ALE端经CPLD内部二分频后引入,作为ADC0809的时钟。
系统调试与测试
采用模拟与数字分离,然后级联的方法对系统进行调试,先对各模拟电路分别调试,当每个模拟电路都达到设计标准后,将前向输入部分与后级输出部分用导线连起来,输入语音信号,检查扬声器是否能输出正常放大的语音信号。调节各部分放大电路、滤波电路和功率放大电路,使输出语音清晰。将模拟与数字部分级联,先用单片机控制由ADC一边采集、DAC一边转换,不经RAM存储的方式调试,直至经信号采集与转换后,语音仍能清晰地放出,再调试直接存储回放的PCM模式。最后对整个系统的按键、显示及各种语音信号压缩编码模式进行调试。
测试仪器
Tektronix TDS 1002双信道数字示波器,SG173SB3直流稳压稳流电源,Agilent 33120A信号发生器,FLUKE17B型4位数字万用表。
滤波模块的调试
指标测试
带通滤波模块的幅频特性参数如表1和表2所示。
分别对C51和CPLD的软件调试和仿真,分别换用不同的编码方式,各种编码方式的最终放音效果记录如表3所示。
总结及注意点
1.由于在PCM编码及DPCM编码模式下都要采用8kHz的采样率,所以,每次压缩中断服务程序必须在不超过125μs的时间内完成,因此,压缩录音处理程序的代码必须进行最大可能的优化,以减少程序执行时间,以免采样和数据处理或信息显示发生冲突,也可避免在中断采样时造成采样点的丢失。
2.在选择ADC0809的时钟时,经典选择是640kHz左右,最初选择将单片机的ALE端四分频后作为ADC0809的时钟信号,但发现虽然语音信号能正常采集,但却影响了LCD的输出显示。将ALE改为二分频后(用1M触发)作为ADC0809的时钟信号,问题得到解决。
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