基于Arduino Mega2560平臺的無線語音錄放系統的設計

長春工程學院 王秀艷

國家電網長春供電公司 王洪凱

雅礱江公司二灘水力發電廠 王秀梅

長春工程學院 晉漢林

基于Arduino Mega2560平臺的無線語音錄放系統的設計

長春工程學院 王秀艷

國家電網長春供電公司 王洪凱

雅礱江公司二灘水力發電廠 王秀梅

長春工程學院 晉漢林

本文論述了一種無線語音錄放系統的設計過程，包括硬件電路構成及軟件編譯。本系統依托Arduino技術平臺，以其Mega2560型號電路板作為中央處理單元，采用ISD1760芯片作為語音錄放單元，通過NRF24L01模塊電路進行無線對接，可在SPI協議下實現語音無線錄放功能。該系統信息存儲量大，接口豐富，靈活方便，快捷高效，音質好，具備良好擴展性，適用范圍廣。

語音錄放；Arduino；ISD1760芯片；串行通信協議

Key_words: Audio Record- play；Arduino；ISD 1760 chip；Series communication

語音錄放電路在電子產品中用途廣泛，生活工作中隨處可見，可應用于報警、鈴聲、復讀、人機語音應答對話等各個方面，但傳統語音電路的設計十分復雜，開發工具較為昂貴。近年來，隨著模擬存儲語音技術的ISD芯片的出現和發展，語音錄制、播放設計難度及軟件編譯的工作量降低了，同時語音音質有所提高。下面以Arduino平臺為核心設計一種方便快捷高效的語音錄放系統，主要由硬件電路搭建和軟件編譯兩部分構成。

1　系統硬件電路設計構成

系統主要由中央控制器、語音模塊、通信模塊等構成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

1.1系統中央處理單元

Arduino于2005年由一個歐洲團隊開發，它包含多種型號的電路板和Arduino IDE編譯軟件，是一款開源電子原型平臺。本設計采用Arduino Mega2560型號電路板作為該語音錄放系統中央處理單元，其核心器件是Atmega2560芯片。它具有256KB存儲容量，多達54路數字輸入輸出端口，包括 PWM輸出、UART、ICSP header、USB、電源等接口，以及16MHz晶體振蕩器，并具備過流保護功能。豐富的接口和強大的功能特別適合需要大量IO接口的設計，采用該電路板利于本語音錄放系統外擴應用于其它電路中，實現更多功能，如報警電路等。

1.2語音錄放單元部分

采用ISD1760芯片作為語音錄放芯片。ISD1760是Winbond推出的單片優質語音錄放電路，音質好，電壓范圍寬，應用靈活，可錄、放音十萬次，存儲內容可以斷電保留一百年。芯片內部包含有麥克風前置擴大器、揚聲器驅動線路、自動增益控制、振蕩器與內存等的多方位整合系統功能及內置多信息管理系統，并可以根據需求定制信息操作指示音效。ISD1760芯片具備獨立及嵌入式雙運作模式，多種采樣頻率對應多種錄放時間，可處理多達255 段以上信息，功能強大。

1.3無線傳輸單元

采用NRF24L01芯片作為傳輸模塊，建立主控制器和語音模塊之間無線通信。NRF24L01是一款工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM 頻段的單片無線收發器芯片。無線收發器包括：晶體振蕩器、調制器和解調器、頻率發生器、SchockBurst增強型模式控制器及功率放大器。NRF24L01可以連接到大多數型號單片機芯片上，并完成無線數據傳送工作，通過其SPI 接口進行輸出功率頻道選擇和通信協議的設置，電流消耗極低。

2　系統軟件編譯

Arduino是開源的，它的燒錄程序可從官網或其他參考資料中獲得幫助，但就本系統而言，依據具體硬件電路結構及端口配置下要實現語無線音錄放功能，仍需制定通訊協議并自行編譯軟件。ATmega2560芯片內已經預置了bootloader程序，本系統通過ICSP header接口將軟件編譯程序直接下載到Arduino Mega2560電路板中。

2.1通信協議

SPI(Serial Peripheral Interface) 是由美國摩托羅拉公司推出的一種同步串行傳輸規范。SPI 可以用全雙工通信方式同時發送和接收 8/16位數據，在芯片的管腳上只占用四根線，節約了資源，同時為PCB的布局上節省空間。該語音錄放系統核心主要部件都集成了這種協議或具備相應接口, 這為采用SPI串行通信傳輸協議了提供便利條件，簡單易行。

圖2　程序流程圖

2.2程序編譯

程序的編譯主要包括無線通信和語音錄放部分。用兩塊NRF24L01無線通信模塊分別作為信號的發送和接收端，連接在主機中央管理單元和從機語音錄放電路中。確定好各部件之間連接及端口對應關系后，NRF24L01芯片分別設置為發送模式和接收模式。語音錄放部分是將Arduino Mega2560的指令發送到ISD1760芯片，控制其工作狀態，并將語音電路信息反饋回控制單元盡行處理，這部分主要通過鍵盤掃描的處理和當前狀態的判斷來實現。系統通過鍵盤掃描按鍵操作過程，檢測按下去的什么鍵值來判斷當前狀態, 并就錄音、放音、停止、刪除等狀態進行實時判斷和控制，其程序流程圖如圖2所示。

3　系統實施及注意事項

系統設計和實施流程為：制定總體方案-用Altium Designer軟件設計PCB圖-印制電路板制作－焊接-軟件編譯-系統統調。Arduino Mega2560通過SPI串行總線與ISD1760通信，傳輸SPI指令，配置其內部寄存器，實現語音錄放。ISD1760作為SPI從機，幾乎所有的按鍵操作都可以通過這些SPI指令來實現。但在設計、調試中仍有可能會遇到問題需要注意。

（1）語音地址長度推算

以ISD1760語音芯片采樣率為8K時為例，一共可播放60S的語音。

算法一：開始地址為：S0-S10，結束地址為：E0-E10，這樣算下來地址就是：0X7FF=2047，從0-2047為2048個字節，采樣頻率為8K，即每個字節就是125mS，125mS*2048=256S，但實際的錄音時長為60S，所以這是錯誤的。

算法二：最大地址為0X1EF，錄音實際地址為0X10-0X1EF，則最大地址為：0X1EF-0X10=0X1DF=479。479+1=480個字節，480*125mS=60S，即采樣率為8K時，每1個地址的最小語音長度為125mS。故此知道單個語音的長度，可自行推斷出每個語音所占的地址長度，此為正確算法。

（2）硬件電路部分

首先Arduino Mega2560電路板絲印層上并沒有注明SPI接口，其引腳接口對應關系為：50引腳-MISO，51引腳-MOSI，52引腳-SCK，53引腳-SS。其次板載ICSP接口也是串行通信接口，它是兼容SPI的，也可用此接口，但要注意線序。再次，Arduino Mega2560提供了自動復位設計，可以通過主機復位，不需要復位按鈕的話，可在Altium Designer設計PCB圖時，將印制板上絲印“RESET EN”處可使能或禁止該功能。此外，ISD1760的參考資料手冊中，設計上復位腳直接了個0.1uF到地，沒有上拉電阻構成阻容復位，同時容易受到干擾意外復位。為了防止單片機IO口狀態不穩定，可在主控單元與ISD芯片間加一個反向器74HC04，這樣可起到隔離作用。

（3）音源輸入方式

語音音源可以通過麥克錄入，也可以是事先錄制好的一段語音或者歌曲等數字信號。ISD1760芯片錄入的是模擬信號時，用按鍵方式或SPI指令啟動錄音后，通過MIC管腳和LIN管腳輸入語音。如果不用麥錄，而是MP3等格式數字信號文件做音源，通過電腦或其他方式播放出來，輸出端不要接喇叭，而是要通過一個104電容，再連接到第9腳-LIN管腳上。

（4）SPI模式下播放問題

如果語音電路在獨立模式下可以播放，但在SPI模式下不能正常播放，一般來說芯片應該沒什么問題，此時檢查下揚聲器連接的是SP+/-還是AUD/AUX+功放輸出。ISD1760芯片內部的APC寄存器的默認值是0X0440，即表示PWM和AUD輸出是使能的。如果功放電路只有在AUX輸出時才是正常的，則必須把APC的設置為0X04C0以打開AUX輸出，避免主控單元的單片機正常，而ISD1760的復位鍵關閉了AUX。

[1]谷樹忠,耿曉中,王秀艷編著.Altium Designer實用教程—原理圖、PCB設計與信號完整性分析[M].電子工業出版社,2015,10.

[2]林海波,王秀艷主編.電子工藝實訓基礎[M].中國電力出版社,2009,7.

[3]艾學忠主編.單片機原理及接口技術[M].機械工業出版社,2012,8.

[4]陳呂洲編著.Arduino程序設計基礎[M].北京航空航天大學出版社,2015.

The design process of a wireless Audio record-pay system is introduced in this paper. This system includes hardware circuit and software compiling. Arduino is its techniqneplatform,Mega2560 is its CPU.ISD1760 is its record-pay unit. It can implement sound’s wireless record-play function with SPI proscal through NRF240L01.IT is detected that this system have such advatages an much information storage, multi-interface, fexibility, effciency and good quality.

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目，項目編號：吉教科合字（2014）第539號國家級“大學生創新創業訓練計劃”項目，項目編號：201611437040。

王秀艷（1972—），女，碩士，實驗師，出版教材3部。