1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一．研究背景及意义：

随着信息社会的快速发展，交通、公安、金融等部门对语音记录与播放的需求也在不断的增长，从而也就促进了一些语音录放产品的诞生。把语音生成技术应用于自动应答系统、工业监控系统、智能化仪表、多媒体查询系统、办公自动化系统或家用电气等多种产品中，使其具有语音输出功能，然后在特定的环境下使之能够使用语音实时报告系统的工作状态和相应的警告信息、提示信息或相关的解释说明等。这样的工作系统无疑在很大程度上提高了人机通信能力而且减少了对错误信息处理的遗漏，提高了系统的性能与此同时还大大的降低了人们的工作强度等。综合以上的诸多优点，语音录放系统对人们发展生产力方面都有极大的好处。

事实上语音的记录与播放已有很长的历史，在较早以前人们是利用磁带来记录、存储语音信息，然后再还原模拟语音信号。虽然基于这一方法记录语音的电子产品市场上也到处可见，但是这些产品的体积都很大，在使用的范围上受到了很大程度的限制。基于单片机的语音录放系统是以数字电路为基础，利用数字语音电路来实现语音信号的记录、存储、还原等任务。由于单片机的可靠性高，高性价比，低功耗，低电压等优点从而得到了迅速的发展和大范围的推广。并且被广泛应用于数据采集系统、工业控制系统、智能化仪器仪表及通讯设备、玩具、日常消费类产品等，利用单片机实现语音录放有很大的研究和开发价值。语音集成电路与微处理器相结合，具有体积小、扩展方便、不易损坏等特点，具有广泛的发展前景。

二．研究现状：

语音，是指人类通过发音器官发出来的、具有一定意义的、目的是用来进行社会交际的声音。在语言的形、音、义三个基本属性当中，语音是第一属性，人类的语言首先是以语音的形式形成，世界上有无文字的语言，但没有无语音的语言，所以说语音在语言中起决定性的支撑作用，同时也是人类赖以生存发展和从事各项社会活动最基本，也是最重要的交流工具之一。在初中物理课本中，我们就从中学习到，空气是传播语音（包括音乐和自然界的一切声音）的媒体介质。语音是以一种特殊的物质形态发生与存在着的信息载体，看不见，摸不着，只能从我们的感官（耳朵）听到声音，因此，它稍纵即逝。千万年前，人们就有企图捕捉和保存语音的愿望，而且对此付出了种种不懈的努力。一直到了上个世纪才有了一些成就，1877年，大发明家爱迪生发明出世界上第一部机械式留声机才初次得以实现。在此后的100多年间，伟大的科学家们先后发明创造出了钢丝、胶片、磁带、磁盘、磁芯、光盘、激光唱片等各种保存原生的载体。虽然说上述这些产品都曾经或是现在正在发挥着很大的作用，但是这类原生载体都需要依赖一套精密复杂的机械传动装置来操纵控制，而且它们在不同程度上多多少少都存在着一些缺陷，例如：体积大、耗电多、成本高和机械磨损、介质损耗等，随着社会的发展与进步这类器件与新兴的一些器件之间就产生了一些不融合的现象。其中最为突出的就是机械控制与集成电路之间的接口问题，它们之间没有完全的接口，这就导致了从根本上决定了这类原生载体终究不能成就大器的事实。然而，人类为此探索的脚步从来都没有停止过。上个世纪60、70年代，语音集成电路的诞生，开创了语音合成技术的新纪元。特别是近10年来，语音电路已经迅速发展成当前”会说话”的电子产品在通信产品、家电产品和网络化产品中都是不可或缺的重要集成电路器件，并成为一个多品种、多规格、多系列、多元化的庞大语音集成电路体系。随着人们在越来越多的领域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，并在不少领域里取得了喜人的成果。语音技术已经从原来的锦上添花的点缀，变为实实在在提供用户便利的重要特征与内涵，同时也成为衡量电子电器产品智能化得一个重要指标。语音技术发展的目的，就是要让人们充分享受到人机界面信息交流时的那种亲切感和人性化的便利，同时也让人们在多个领域中都能感受到信息的准确性，与工作的便利性。目前在国内外，语音技术的应用已相对较为成熟地进入到了日用产品和工业化产品等多个领域。大大的提高了人们的工作效率，与生活质量。

三．设计原理介绍：

系统通常采用模块化设计。主要有语音芯片模块、单片机控制模块、电源模块、输入输出模块和音频功放模块，添加适当的外围电路，使之能够协调工作，达到较好的录放音效果。其中以单片机为系统控制核心。设计框图如图1：

方案以语音芯片为核心，采用话筒为输入音频信号进行录音，通过开关和单片机控制录音、放音和放音、录音时的相应模式，由于语音芯片推动的音频功放较小，为了加大音量，所以增加了一级音频功放，声音最后通过音箱输出。

图1 基本的原理框图

1.单片机是一种可通过编程控制的微处理器，单片机芯片自身不能单独应用与某项工程或产品上，它必须要靠外围数字器件或者是模拟器件的协调才能发挥其自身的强大功能。单片机属于控制类数字芯片，目前其应用的领域已非常广泛。单片机采用串行通讯协议，单片机发送语音段信息的地址码到语音芯片的串行接口，语音芯片收到信息后进行声音播放。串行通讯方式多种多样，有类似SPI的三线制通讯，双线和单线通讯。这个方式下，语音芯片是SLAVE设备。一般只能接受指令进行播放,可以在串行控制下进行录音和放音的操作。

单片机主要包含CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；在单片机编写录音程序，调用语音芯片录音，录音成功后语音芯片会返回当前录进去的音的地址，可以用一个变量来储存，以后要播放声音时可以编写程序播放这个地址的声音

2. ISD4004工作原理：

（1）.ISD4004 系列工作电压3V,单片录放时间8 至16 分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片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 或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存储器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存储器中,可在断电情况下保存100 年(典型值),反复录音10 万次。

图2 ISD4004的内部结构

(2). ISD4004工作于SPI串行接口。SPI 协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK 的下降沿动作，因此对ISD4004而言，在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO 引脚。其时序图如图3所示，协议的具体内容为：

1.所有串行数据传输开始于SS 下降沿。

2.SS 在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间则保持为高电平。

3.数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。

4.SS 变低,输入指令和地址后,ISD 才能开始录放操作。

5.指令格式是(6位控制码)加(10 位地址码)。

6.ISD 的任何操作(含快进)如果遇到EOM 或OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个SPI 周期开始时被清除。

7.使用"读"指令使中断状态位移出ISD 的MISO引脚时,控制及地址数据也应同步从MOSI 端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然,也允许在一个SPI 周期里,同时执行读状态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。

8.所有操作在运行位(RUN)置1 时开始,置0 时结束。

9.所有指令都在SS 端上升沿开始执行。

图3 芯片时序图

四．总结与展望：

随着单片机技术的日益发展，人们已经不再满足于键盘输入、屏幕输出这样传统的输入输出方式，他们希望拥有更好的人机界面，更方便的操作方式，具有语音功能的单片机系统于是应运而生，而且获得了广泛的应用，前景远大。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 课题的主要任务：

对语音录放系统的研究与设计，实现一套完整的可以实现语音录放功能的系统。单片机为系统控制核心，选择合适的专用语音芯片，设计系统整体的硬件电路。并通过lcd显示秒、分、片段等信息。

2. 拟选用的语音芯片：