基于單片機(jī)的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李琛宇

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李琛宇

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

通過(guò)ISD4004芯片的特性，運(yùn)用型號(hào)為STC89C52的單片機(jī)ISD4004芯片進(jìn)行控制最終完成語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，這個(gè)語(yǔ)音采集系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)并且回放數(shù)字化語(yǔ)音。通過(guò)最后的結(jié)果可以得出本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音采集系統(tǒng)具有友好的界面，同時(shí)易操作等優(yōu)點(diǎn)，在很多的商業(yè)領(lǐng)域中都能夠應(yīng)用該基于單片機(jī)的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。

STC89C52單片機(jī) 語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集 ISD4004

傳統(tǒng)意義上的數(shù)字語(yǔ)音合成在實(shí)現(xiàn)以及設(shè)計(jì)的過(guò)程中都非常地繁瑣，第一步是針對(duì)于語(yǔ)音而創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，通過(guò)自適應(yīng)差分脈沖編碼進(jìn)行調(diào)制的操作，從而形成數(shù)字量，接著再把數(shù)字量寫(xiě)到EPROM存儲(chǔ)器里面，其次是進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)，其中的裝配主要涉及到了A/D轉(zhuǎn)換器、音頻放大器以及邏輯接口電路等。數(shù)量龐大的元器件，制作時(shí)間漫長(zhǎng)，同時(shí)體積巨大的產(chǎn)品，所投入的資金成本高，語(yǔ)音識(shí)別中背景所造成的噪聲很大，另外更換音源也不是很方便。為了處理這種尷尬的局面，提出的方案，總結(jié)如下：

1 語(yǔ)音識(shí)別的步驟

語(yǔ)音信號(hào)的步驟先是通過(guò)預(yù)處理，其中該過(guò)程中包括了A/ D轉(zhuǎn)換，生成的信號(hào)是離散的數(shù)字信號(hào)，接著就頻譜分析，將語(yǔ)音中的信號(hào)提取出來(lái)，并且將語(yǔ)音信號(hào)用參數(shù)化的形式表示，一般情況下，特征矩陣的形成因素需要特征矢量，接著比較數(shù)據(jù)庫(kù)中的模式與該模式，最終識(shí)別的判斷與否是由決策實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)獲得判決的結(jié)果。

預(yù)處理：預(yù)處理所包括的內(nèi)容十分豐富，先是完成A/D轉(zhuǎn)換，該操作主要是為了通過(guò)采樣量化的形式把錄入到麥克風(fēng)中的最初模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理為數(shù)字信號(hào)。考慮到麥克風(fēng)，語(yǔ)音信號(hào)的失真因素包括了A/D轉(zhuǎn)化器以及在語(yǔ)言信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中通過(guò)的通道非線性響。另一方面，為了可以把頻譜分析的工作做到更好，就不得不盡量避免由于語(yǔ)音信號(hào)的衰減缺陷，在預(yù)處理的整個(gè)過(guò)程中，需要通過(guò)加權(quán)的方式對(duì)語(yǔ)音頻譜處理。在現(xiàn)實(shí)的生活實(shí)踐中，還存在環(huán)境噪音的因素，所以在語(yǔ)言識(shí)別的過(guò)程中離不開(kāi)噪聲的抑制，噪聲對(duì)語(yǔ)音識(shí)別造成的影響等。

特征參數(shù)的提取操作是緊接著預(yù)處理的操作，在所有的語(yǔ)音識(shí)別中特征提取是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。其中在語(yǔ)音信號(hào)特征提取過(guò)程里面，特征參數(shù)要求主要包括如下幾點(diǎn)：

①能區(qū)分性以及代表性良好。②各個(gè)參數(shù)間的獨(dú)立性良好。③容易計(jì)算參數(shù)，其中可以確保實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別。全極點(diǎn)模型參數(shù)的表征需要借助于線性預(yù)測(cè)系數(shù)。在該預(yù)測(cè)系統(tǒng)中可以演變出多個(gè)參數(shù)，其中包括了線譜對(duì)系數(shù)、聲道面積比函數(shù)和相關(guān)系數(shù)等。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)的語(yǔ)音采集系統(tǒng)所包括的功能模塊主要總結(jié)如下：耳機(jī)音頻輸出、語(yǔ)音錄音功能以及MIC錄音功能等。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的單片機(jī)選擇的型號(hào)是STC89C52，語(yǔ)音芯片選擇是ISD4004，通過(guò)這些硬件設(shè)備從而完成錄放語(yǔ)音的目的。芯片中操作的控制是需要STC89C52完成，當(dāng)觸發(fā)了操作命令后系統(tǒng)就會(huì)把命令經(jīng)過(guò)SPI總線再傳送給ISD4004芯片。單片機(jī)的模塊部分所包括的操作主要分為硬件初始化、對(duì)用戶輸入鍵盤的命令進(jìn)行響應(yīng)，同時(shí)ISD4004芯片會(huì)把命令接收到。他們是通過(guò)SPI總線來(lái)完成相互地通信的。ISD4004模塊的響應(yīng)完成需要借助于來(lái)自單片機(jī)中的命令，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的采集、語(yǔ)音存儲(chǔ)、語(yǔ)音播放等。在語(yǔ)音采集以及語(yǔ)音播放的模塊中都有外圍電路，而語(yǔ)音采集的實(shí)現(xiàn)需要借助于MIC抑或是模擬信號(hào)從而把語(yǔ)音發(fā)送給ISD4004芯片里面，但是語(yǔ)音播放需要將ISD4004芯片里面的語(yǔ)音信號(hào)傳送給麥克風(fēng)抑或是對(duì)錄線。本文基于單片機(jī)的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 ISD4004變壓電路

考慮到ISD4004進(jìn)行工作的時(shí)候電壓是3V，但是單片機(jī)要的供電電壓是等于5V，所以就要ISD4004正常工作的前提是需要通過(guò)變壓電路獲得3V的工作電壓。穩(wěn)壓器選擇的是型號(hào)為AMS1117，AMS1117能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，比如將5伏的電壓轉(zhuǎn)為3伏。

3.2 語(yǔ)音輸入電路

將模擬輸入信號(hào)與ISD4004輸入相互連接，并且一個(gè)接口用來(lái)連接音頻與一個(gè)駐極話筒，其中的聲音錄制的方式具體可以分為兩種。選擇駐極體電容話筒，因?yàn)樵撛捯魝鞲衅髯鳛閷掝l高靈敏度中的一種，具有價(jià)格便宜以及體積小的特點(diǎn)。模擬信號(hào)的接收時(shí)直接通過(guò)音頻接口實(shí)現(xiàn)的，從而如此一來(lái)在錄制電子產(chǎn)品中的語(yǔ)音時(shí)候，可以中排出了外界的影響下進(jìn)行。錄音電路如圖2所示。

圖2 錄音電路

3.3 語(yǔ)音輸出電路

ISD4004芯片的輸出端與LM386功率放大器相互連接從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音輸出信號(hào)的增強(qiáng)。LM386的特點(diǎn)總結(jié)為自身功耗低、電壓范圍大、可以調(diào)整電壓增益、同時(shí)失真小等。語(yǔ)音輸出的方式具體包括了：①通過(guò)喇叭輸出。②通過(guò)音頻接口輸出，這個(gè)音頻接口能夠和耳機(jī)連接。其中的放音電路如圖3所示。

圖3 放音電路

4 軟件設(shè)計(jì)

程序的設(shè)計(jì)模塊主要包括了：錄音、放音以及停止等。各個(gè)模塊中的實(shí)現(xiàn)都需要采取模擬SPI時(shí)序的形式將對(duì)應(yīng)的命令傳給ISD4004芯片中。在語(yǔ)言錄音以及語(yǔ)音放音的命令發(fā)送的過(guò)程中都要先完成通電的操作。該主程序可以對(duì)用戶按鍵的狀態(tài)進(jìn)行查詢，如果用戶按下了按鍵那么就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的子程序。

4.1 主程序

給電路通電以后，主程序先是要初始化程序，接著可以對(duì)按鍵的狀態(tài)進(jìn)行查詢，然后當(dāng)系統(tǒng)是待機(jī)的狀態(tài)時(shí)候。當(dāng)按下按鍵，那么就會(huì)調(diào)用按鍵所觸發(fā)的子程序，同時(shí)將對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。執(zhí)行完子程序后，就會(huì)回到主程序從而進(jìn)行下一個(gè)命令的等待。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4.2 放音子程序

按下主程序里面的放音按鍵，主程序就會(huì)調(diào)用放音子程序。第一步是這個(gè)子程序會(huì)發(fā)送2次Powerup命令給ISD4004，接著就會(huì)出現(xiàn)TPUD等待，當(dāng)TPUD完成后就會(huì)啟動(dòng)SETPLAY命令，而該命令的地址值是等于ADDR，然后再啟動(dòng)PLAY命令，從而通過(guò)在特定的地址處系統(tǒng)啟動(dòng)放音主程序，實(shí)現(xiàn)放音功能。放音命令的部分核心代碼為：

結(jié)語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中語(yǔ)音采集的控制是通過(guò)單片機(jī)型號(hào)是STC89C52，進(jìn)而完成了語(yǔ)音錄入以及語(yǔ)音播放等功能，該語(yǔ)音實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有低投入成本、靈活的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用效果佳和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說(shuō)明了本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音放音以及語(yǔ)音錄放實(shí)現(xiàn)效果佳，同時(shí)單片機(jī)易控制。可以把語(yǔ)音采集電路嵌入到另外的電路里，從而完成更加復(fù)雜的語(yǔ)音系統(tǒng)，因此研究基于單片機(jī)的語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)具有重大的理論意義與實(shí)用意義。

[1]齊子元,謝桂海,劉毅,等.一種實(shí)時(shí)語(yǔ)音信號(hào)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,41(9):105-107

[2]瞿少成,艾寧,趙橋.基于SPCE061A單片機(jī)的無(wú)線語(yǔ)音控制智能小車的研制[J].電子測(cè)量技術(shù),2008,31(12):151-154

[3]劉盛鵬,方勇.基于TMS320C64xDSP/BIOSⅡ的嵌入式語(yǔ)音采集與盲分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2004,31(4):17-20

[4]黃昀,黃勤山.單片機(jī)語(yǔ)音采集與隨機(jī)實(shí)時(shí)生成[J].電子技術(shù),1996(8):11-13