I 錄音筆的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘摘 要要 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼錄音筆已得到了越來越多的人得青睞，論文通過 對(duì)多種錄音筆的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了比較和分析，選定凌陽(yáng)單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字錄音筆。 論文首先介紹了設(shè)計(jì)方案的選擇，介紹了凌陽(yáng)單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境。接著進(jìn)行 了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括音頻輸入輸出電路的設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)、按鍵控制電路 的設(shè)計(jì)、液晶顯示電路的設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)中采用了凌陽(yáng)的功放芯片 SPY0030，利用了單 片機(jī)其串行接口 SIO 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，利用 UART 的 RS232 接口與 PC 機(jī) 232 接口進(jìn)行連接，并設(shè)置了 8 位鍵盤和 LCD 顯示的人機(jī)界面。然后分模塊進(jìn)行了軟 件設(shè)計(jì)，包括主程序模塊、語(yǔ)音信號(hào)的采集模塊、鍵盤掃描模塊、語(yǔ)音信號(hào)存儲(chǔ)模塊 的設(shè)計(jì)等，進(jìn)行了程序流程的設(shè)計(jì)，編寫了程序代碼。最后使用 IDE 進(jìn)行了仿真調(diào)試， 驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音數(shù)據(jù)的錄制、播放、暫停、循環(huán)播放、重 復(fù)播放、選擇上一段、選擇下一段以及與 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽O(shè)計(jì)具有一定 的應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，錄音，放音，電路設(shè)計(jì)，軟件實(shí)現(xiàn) II ABSTRACT As the swift development of the electronic technology, the digital voice editor has become more and more favored nowadays. Through comparison and analysis to various design proposals of the digital voice editor, this thesis presents the designing process of a digital voice editor, using Lingyang single-chip microcomputer. First of all, we give an introduction for the selection of the designing proposal, and the IDE (integrated development environment) of Lingyang single-chip microcomputer. Secondly, systematical hardware designing is carried out, including the design of the output circuit, memory circuit, button-control circuit, LCD circuit and so on. In the designing, we adopt the Lingyang amplifier chip SPY0030, apply the single-chip microcomputers SIO (serial interface) to realize the communication between the host computer and slave computer, connect the UARTs RS232 interface with the PCs 232 interface, and set the eight buttons as well as the human-computer interface. Then we have a modular software design, consisting of the module of the main program, the acquisition module, key scanning module and memory module for the voice signal. Meanwhile, we accomplish the design of the program flow and write the source code of the program. In the integrated development environment (IDE), the validity of the systems designing has been verified through simulate debugging. The system can fulfill the functions presented on the buttons such as “record”, “play”, “pause”, “l(fā)oop play”, “replay”, “l(fā)ast recorded file play”, “next recorded file play” and “data transmission with PC”, which represents the application significance of the design to a certain extent. Keyword:Keyword: single-chip microcomputer, record, play, circuit design, software realization i 目 錄 第 1 章 錄音筆設(shè)計(jì)方案與論證.1 1.1 引言.1 1.2 錄音筆設(shè)計(jì)方案的提出.1 1.3 錄音筆設(shè)計(jì)方案分析論證.2 1.4 錄音筆設(shè)計(jì)方案的確定.3 第 2 章 凌陽(yáng)單片機(jī)開發(fā)環(huán)境介紹.4 2.1 系統(tǒng)硬件資源.4 2.1.1 SPCE061A 功能及其特點(diǎn).4 2.1.2 應(yīng)用領(lǐng)域.5 2.2 軟件開發(fā)環(huán)境 IDE.5 2.2.1 nSP IDE 窗口.5 2.2.2 工程的操作.8 第 3 章 硬件設(shè)計(jì).10 3.1 系統(tǒng)總體方案介紹.10 3.2 系統(tǒng)電源電路.11 3.3 SPCE061A 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).12 3.4 音頻電路.13 3.4.1 音頻輸入電路.13 3.4.2 A/D 轉(zhuǎn)換接口.15 3.4.3 D/A 轉(zhuǎn)換模塊.16 3.4.4 音頻輸出電路.17 3.5 SPR4096 存儲(chǔ)電路.18 3.5.1 串行設(shè)備輸入輸出口(SIO).19 3.6 按鍵控制電路.20 3.7 液晶顯示電路.20 3.8 通用串行通信接口 UART 模塊.22 第 4 章 軟件設(shè)計(jì).23 4.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖.23 4.2 分模塊軟件設(shè)計(jì).25 ii 4.2.1 主程序模塊.25 4.2.2 語(yǔ)音信號(hào)的采集.25 4.2.3 鍵盤掃描模塊.27 4.2.4 語(yǔ)音信號(hào)的存儲(chǔ).30 4.2.5 LVD 低電壓檢測(cè).31 4.2.6 UART 模塊.31 4.2.7 看門狗計(jì)數(shù)器（WatchDog）.33 4.2.8 系統(tǒng)調(diào)試與總結(jié).33 結(jié)論.35 參考文獻(xiàn).36 致謝.37 附錄.38 1 第 1 章 錄音筆設(shè)計(jì)方案與論證 1.1 引言 隨著視聽家電產(chǎn)品的不斷豐富，已經(jīng)有越來越多微小型化的產(chǎn)品走入了人們的日 常生活，他們最突出的優(yōu)點(diǎn)是體積小巧、非常薄，而且重量很輕，給人們帶來方便， 并增添了無窮樂趣。作為一種簡(jiǎn)單方便地獲取和記錄數(shù)字化聲音文件的工具，數(shù)碼錄 音筆從 2000 年開始風(fēng)靡市場(chǎng)，成為學(xué)生、記者和商務(wù)人士購(gòu)置錄音設(shè)備的首選。不 僅在校園里取代了復(fù)讀機(jī)，也成為時(shí)間緊張的在職進(jìn)修人員的掌上新寵。帶 FM 功 能的數(shù)碼錄音筆，還可以便利地收聽調(diào)頻廣播外語(yǔ)教學(xué)節(jié)目。 數(shù)碼錄音筆，實(shí)際上是一種采用數(shù)碼錄音技術(shù)的錄制設(shè)備，通過對(duì)聲音進(jìn)行采集、 壓縮、存儲(chǔ)到閃存(Flash Memory)進(jìn)行記錄，無需使用額外的錄音磁帶、話筒等設(shè)備， 音質(zhì)清晰逼真，即使反復(fù)播放其音質(zhì)也毫無損失。 在設(shè)計(jì)中將說明怎樣利用凌陽(yáng) 16 位單片機(jī) SPCE061A 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)錄音筆系統(tǒng)。 SPCE061A 該款單片機(jī)資源豐富，有強(qiáng)大的數(shù)字語(yǔ)音處理功能可應(yīng)用與語(yǔ)音播放和語(yǔ) 音識(shí)別領(lǐng)域，內(nèi)置有 2 路 DA 轉(zhuǎn)換，8 路 AD 轉(zhuǎn)換及在線仿真等豐富的功能，這些都為 實(shí)現(xiàn)數(shù)碼錄音和播放提供了良好的方便條件。 1.2 錄音筆設(shè)計(jì)方案的提出 設(shè)計(jì)要求錄音筆實(shí)現(xiàn)錄音、播放、暫停、循環(huán)播放、重復(fù)播放、選擇上一段、選 擇下一段以及與 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋？梢钥闯霰敬卧O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的主要部分應(yīng) 該是括錄放音部分再附加上其他的功能部分。因此我們重點(diǎn)對(duì)錄放音部分實(shí)現(xiàn)的方案 做了探討，方案比較的多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)具體分析如下： 方案一：采用處理器集成型可重構(gòu)系統(tǒng) PICEX 實(shí)現(xiàn)數(shù)碼錄音筆的核心處理部分， 對(duì)每一個(gè)管理模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊都構(gòu)建一個(gè)可重構(gòu)模塊。在系統(tǒng)完成各種任務(wù)時(shí)， 可重構(gòu)模塊的運(yùn)行是完全獨(dú)立于內(nèi)核的，在編程中使各模塊處于并行運(yùn)行狀態(tài)。在錄 音狀態(tài)時(shí)各部件采用流水線的方法，即每個(gè)部件的輸入數(shù)據(jù)都取自其來源部件給出的 上一個(gè)值，各部件幾乎同時(shí)開始工作，使系統(tǒng)處于在線程級(jí)并運(yùn)行的狀態(tài)。 方案二：基于單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器 DSP 和 FLASH 存儲(chǔ)器的數(shù)碼錄放音系統(tǒng)。 在錄音時(shí)，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過處理后送到 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在把這些語(yǔ)音數(shù) 據(jù)送到高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行壓縮，壓縮后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)與日期、時(shí)間一起 2 存儲(chǔ)到 FLASH 存儲(chǔ)器中；回放時(shí)，從 FLASH 存儲(chǔ)器中讀取語(yǔ)音數(shù)據(jù)送到 DSP 解壓，解 壓后的數(shù)據(jù)經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換，還原成語(yǔ)音信號(hào)，最后經(jīng)功放放大后從喇叭輸出。 方案三：用 ISP 實(shí)現(xiàn)對(duì) ISD25120 語(yǔ)音芯片的錄放音控制。以 ISP 技術(shù)為手段， 使用系統(tǒng)編程器件 M4-32/32 實(shí)現(xiàn)了對(duì)單片 ISD25120 語(yǔ)音芯片的錄、放音控制。利用 VantisPro 設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，經(jīng)過編譯后再輸入仿真文件，仿真通過后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行引 腳鎖定、熔絲生成、下載編程（IDCD 軟件下載編程） 。2 方案四：基于凌陽(yáng) 16 位單片機(jī)的簡(jiǎn)單開發(fā)系統(tǒng) SPCE061A 精簡(jiǎn)開發(fā)板，利用 SPCE061A 的可編程音頻處理功能，通過串行輸入輸出端口 SIO 與同樣具有串行接口 的 FLASH(SPR4096)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊來開發(fā)數(shù)碼錄音及播放系統(tǒng)。通過按鍵控制系統(tǒng)的 錄音、停止、放音等操作。 1.3 錄音筆設(shè)計(jì)方案分析論證 方案一：雖然數(shù)據(jù)串行化輸出、A/D 和 D/A 器件的操作可在內(nèi)核上實(shí)現(xiàn)，當(dāng)其 他可重構(gòu)模塊在工作時(shí)內(nèi)核處于等待狀態(tài)，則提高了系統(tǒng)的并行性，接省了系統(tǒng)資源。 但是方案中使用 Samsung 公司的 K9K1208U0A 型 Flash 內(nèi)存作為存儲(chǔ)媒質(zhì)，這型號(hào) 內(nèi)存為減少連線和封裝大小需要有特殊的控制時(shí)序和邏輯。因此需要為 Flash 內(nèi)存控 制專門增加一個(gè)可重構(gòu)部件。對(duì)濾波、壓縮、解壓、信道編碼這些需要大量運(yùn)算或長(zhǎng) 時(shí)間操作的過程也必須對(duì)這四項(xiàng)任務(wù)各設(shè)計(jì)一個(gè)可重構(gòu)部件。這種方案對(duì)幾個(gè)重要過 程都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)可重構(gòu)部件，設(shè)計(jì)煩瑣工作量大，可重構(gòu)部件多。同時(shí)，雖然 元件級(jí)可重構(gòu)系統(tǒng)在現(xiàn)有的 FPGA 上是可以實(shí)現(xiàn)的，但是由于現(xiàn)有 FPGA 體系結(jié)構(gòu) 上的種種限制，諸如最小配置單位過大配置結(jié)構(gòu)復(fù)雜等，使這種系統(tǒng)在很多情況下執(zhí) 行效率反而不及傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大大減少了這類系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。綜上，故我們不 采取這種方案。 方案二：人們?cè)谡Z(yǔ)音處理的研究中，已經(jīng)研制出了很多語(yǔ)音編碼算法，而有些編 碼算法已經(jīng)被直接固化到 DSP 上，形成專用的基于 DSP 的語(yǔ)音處理芯片。但是在我 們未選擇 DSP 芯片主要是基于以下幾個(gè)因素：（1）運(yùn)算速度。本系統(tǒng)中，對(duì)運(yùn)算速 度的要求，主要是要滿足每一個(gè) A/D 變換后的數(shù)據(jù)都能及時(shí)地存入存儲(chǔ)器，而通用 單片機(jī)的處理能力已經(jīng)可以滿足需要。 （2）運(yùn)算精度。本數(shù)字錄音系統(tǒng)沒有復(fù)雜的數(shù) 學(xué)計(jì)算，所以沒有對(duì)運(yùn)算精度的要求。(3)片內(nèi)硬件資源。由于系統(tǒng)要求能進(jìn)行錄放 音，所以 A/D 和 D/A 的功能是必需的，對(duì) DSP 芯片，若外接 A/D 或 D/A 元件，增 加了復(fù)雜度，也提高了成本。(4)功耗。DSP 芯片實(shí)現(xiàn)的功能較多，所以它的功耗相 對(duì)較高。因此我不采取這種方案。 3 方案三：ISP 技術(shù)是在一個(gè)系統(tǒng)可編程器件上實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音芯片的控制。這種控制 直接通過 ISP 器件的硬件電路實(shí)現(xiàn)，省去了軟件接口程序，使用起來方便快捷。但是 ISD 芯片的控制錄放音的兩種方式（引腳的邊沿或電平觸發(fā)控制和微控制器串行通信 接口控制）這兩種方式都不能用類似文件的方式進(jìn)行控制，操作不方便，雖然它的存 儲(chǔ)器采用的是非易失數(shù)據(jù)的 EEPROM 但容量較小。因此在設(shè)計(jì)方案的選取中不選用 這種方案。 1.4 錄音筆設(shè)計(jì)方案的確定 我最后決定采用 SPCE061A 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)我的設(shè)計(jì)。SPCE061A 是凌陽(yáng)科技研發(fā) 生產(chǎn)的一款高性價(jià)比十六位單片機(jī)，把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里，內(nèi)部 采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各功能部件之間的連線，提高了可靠性和抗干擾能力。片內(nèi)帶 有高尋址能力的 ROM、靜態(tài) RAM 和多功能的 I/O 口。芯片工作電壓范圍大，能在 低電壓供電時(shí)正常工作，且能用電池供電。其指令系統(tǒng)為其應(yīng)用增添了 DSP 功能但 是又比專用的 DSP 芯片廉價(jià)。對(duì)于我的設(shè)計(jì)來說 SPCE061A 可以非常方便靈活的實(shí) 現(xiàn)語(yǔ)音的錄放功能，該芯片擁有 8 路 10 位精度的 ADC，其中一路為音頻轉(zhuǎn)換通道， 并且內(nèi)置有自動(dòng)增益 AGC 電路。這為實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音錄入提供了方便的硬件條件。兩路 10 精度的 DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成語(yǔ)音的播放。另外凌陽(yáng)十六位 單片機(jī)具有易學(xué)易用、高效率的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。該開發(fā)環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn) C 語(yǔ)言與凌陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調(diào)用，并且，提供了語(yǔ)音錄放的庫(kù)函 數(shù)，只要了解庫(kù)函數(shù)的使用，就會(huì)很容易完成語(yǔ)音錄放，這些都為軟件開發(fā)提供了方 便的條件。同時(shí)還可根據(jù)設(shè)計(jì)要求在實(shí)現(xiàn)基本錄放功能的基礎(chǔ)上運(yùn)用 SPCE061A 的 多功能集成功能擴(kuò)展錄放系統(tǒng)的功能。比如，使用 SPCE061A 的通用異步串行接口 UART 來實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī)的通訊，或者使用其他的 IO 口來外掛 USB 器件實(shí)現(xiàn)與 PC 機(jī) 的 USB 通訊；進(jìn)行低電壓檢測(cè)；還可通過 LCD 顯示字符、數(shù)字等圖象，在錄音筆設(shè) 計(jì)系統(tǒng)中可用來顯示按鍵功能等。這樣可以制作更復(fù)雜的錄、放音系統(tǒng)。 4 第 2 章 凌陽(yáng)單片機(jī)開發(fā)環(huán)境介紹 2.1 系統(tǒng)硬件資源 2.1.1 SPCE061A 功能及其特點(diǎn) 1）集成度高，易于擴(kuò)展 凌陽(yáng) 16 位單片機(jī)內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里， 有效地減少各功能部件之間的連線，提高了集成度，增強(qiáng)了芯片的可靠性和抗干擾能 力。此單片機(jī)屬于非總線型單片機(jī)，省去廠片外的地址、數(shù)據(jù)及控制并行總線，而外 部封裝引腳可明顯減少，使芯片成本下降。它既可通過 I/O 端口與外設(shè)器件通信，也 可采用串行擴(kuò)展方式。目前，由于串行傳輸速度的不斷提高，用串行口擴(kuò)展外圍器件， 特別在 SOC 中，已得到了較多的應(yīng)用。 凌陽(yáng) 16 位單片機(jī)采用 CMOS 制造工藝，有較好的低功耗和功耗管理功能，它提 供了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式三種低功耗工作方式，大大降低了芯 片功耗。由于它工作電壓范圍大，可在低電壓供電時(shí)正常工作，并可用電池供電，從 而可大幅度地減少器件的功耗。低功耗是一切電子應(yīng)用系統(tǒng)所追求的目標(biāo)，特別是在 野外作業(yè)、便攜式儀器儀表的開發(fā)等方面具有特殊的意義。 2）較強(qiáng)的中斷處理能力 凌陽(yáng) 16 位單片機(jī)中斷系統(tǒng)可支持三種類型的中斷：異常中斷、事件中斷和軟件 中斷。中斷系統(tǒng)共有 10 個(gè)中斷向量，可響應(yīng) 14 個(gè)中斷源的中斷請(qǐng)求，由于對(duì)外界突 發(fā)事件具有快速反應(yīng)能力，使其適合用于實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。 3）高效的指令系統(tǒng) 凌陽(yáng) 16 價(jià)單片機(jī)的指令系統(tǒng)以字為單位，從而格式緊湊、靈活，執(zhí)行時(shí)間迅速， 并提供了對(duì)高級(jí)語(yǔ)言和數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算能力的良好支持，從而可有效縮短基于凌陽(yáng) 單片機(jī)的各種產(chǎn)品的研發(fā)周期。 同時(shí)，凌陽(yáng) 16 位單片機(jī)片內(nèi)還集成了大容量的 ROM、靜態(tài) RAM、全雙工異步 通信的串行接口、紅外收發(fā)通信接口、A/D，D/A 轉(zhuǎn)換接口和多功能的 I/O 口。其指 令系統(tǒng)提供的具有較高運(yùn)算速度的 16 位16 位的乘法運(yùn)算和內(nèi)積運(yùn)算指令。這就使 凌陽(yáng) 16 位單片機(jī)可方便地用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，卻又比常用的 DSP 芯片便宜， 因而具有較高的性能價(jià)格比。另外，在 SPCE061 及 SPCE060 單片機(jī)中還采用了 5 F1ash ROM 技術(shù)，有 32K Flash ROM 單元。F1ash ROM 的使用使得基于 SOC 的單片 機(jī)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，極大地改變了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式、開發(fā)與測(cè)試手段 以及運(yùn)行條件。 2.1.2 應(yīng)用領(lǐng)域 1)學(xué)習(xí) Sunplus 的 16 位 SPCE061A 單片機(jī)和各類外圍器件，比如：串行 Flash 和 SRAM 器件 SPR4096、RS232 器件 MAX3232、USB 器件 PDIUSBD12、LCD GPG12063YS 以及語(yǔ)音錄放、鍵盤顯示等等。 2)進(jìn)行各類接口實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)接器，如：USB-232 轉(zhuǎn)換器、232- USB 轉(zhuǎn)換 器。 3)完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)，也可作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的應(yīng)用工具。 4)通過 CPU 內(nèi)部的 ICE 電路與 IDE 配合，可按單步、斷點(diǎn)、連續(xù)等方式在線 調(diào)試。 5) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，凌陽(yáng)專為 SPCE061A 單片機(jī)寫了 MINIOS，可以方 便的學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。 6)進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)壓縮編碼、解碼以及存儲(chǔ)的學(xué)習(xí)和開發(fā)。8 2.2 軟件開發(fā)環(huán)境 IDE 凌陽(yáng)十六位單片機(jī) SPCE061A 具有易學(xué)易用、高效率的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán) 境。該開發(fā)環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn) C 語(yǔ)言與凌陽(yáng)匯編語(yǔ)言的互相調(diào)用，并 且，提供了語(yǔ)音錄放的庫(kù)函數(shù)，只要了解庫(kù)函數(shù)的使用，就會(huì)很容易完成語(yǔ)音錄放， 這些都為軟件開發(fā)提供了方便的條件：nSP IDE 則是這個(gè)由凌陽(yáng)科技提供的一個(gè) 集成開發(fā)環(huán)境，它集程序的編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和仿真等功能為一體。具有友好 的交互界面、下拉菜單、快捷鍵和快速訪問命令列表等，使程序設(shè)計(jì)工作更加方便、 高效。此外，它的軟件仿真功能可以不連接仿真板，模擬硬件的部分功能來調(diào)試程序。 本次設(shè)計(jì)中選用 IDE184。 2.2.1 nSP IDE 窗口 工具界面： nSP集成開發(fā)環(huán)境支持 C 和匯編混合編程，可以有效地利用這兩種語(yǔ)言的優(yōu) 點(diǎn)進(jìn)行在線編程，有利于更加充分地、直觀地利用硬件資源。nSP IDE 采用 MFC 6 MDI 機(jī)制，因此，用戶可以在主界面里同時(shí)打開多個(gè)窗口，如圖 2.1。 主界面包括三個(gè)主要窗口：工作區(qū)窗口(Workspace window)、編輯窗口(Edit window)和輸出窗口(Output window)。只需在各窗口內(nèi)單擊鼠標(biāo)左鍵即可把該窗口激 活。此外，在主界面上，還提供工具欄等一些方便用戶操作的工具。 圖 2.1 IDE 主界面 Workspace 窗口： 在 Workspace 窗口內(nèi)，用戶可查看到當(dāng)前工程所包括的全部文件。Workspace 窗 口由 FileView 和 ResourceView 兩個(gè)視窗組成。單擊 FileView 標(biāo)簽，用戶可以方便瀏 覽到工程內(nèi)的各文件。FileView 視窗用層次圖排列出當(dāng)前工程的所有文件的邏輯關(guān)系。 Files 文件夾包含了源程序、程序接口和說明硬件配置情況的文件。Resource 文件夾 包括了各種資源文件(rc)。Source Files 文件夾用于保存源文件。Head Files 文件夾用 于保存頭文件。External Dependencies 文件夾用于保存對(duì)工程的一些標(biāo)注信息。 ResourceView 視窗列出當(dāng)前工程用到的所有資源。可以單擊視窗內(nèi)分支頂部旁邊的 和號(hào)展開和收縮層次圖。 （如圖 2.2） Workspace 窗口所體現(xiàn)的邏輯位置不是指文件在硬盤上的物理位置，而是指一種 邏輯從屬關(guān)系。用戶可用拖曳的辦法改變文件的邏輯位置。在 Workspace 窗口內(nèi)，不 同類型的文件有不同的圖標(biāo)表現(xiàn)。 7 圖 2.2 Workspace 窗口 Output 窗口： Output 窗口用于顯示編譯、調(diào)試和查找的結(jié)果。在窗口底部有幾個(gè)視窗標(biāo)簽： Build、Debug 和 Find in Files 等。用鼠標(biāo)單擊這些標(biāo)簽，可以激活相應(yīng)的視窗。 Build：顯示編譯和鏈接過程里產(chǎn)生的信息，包括文件編輯過程里的錯(cuò)誤和警告 信息等。 Debug：顯示程序調(diào)試過程里出現(xiàn)的信息。 Find in Files：顯示在文件中查找字符的結(jié)果。 Edit 窗口：在 Edit 窗口里，文件的打開格式有兩種：用戶可用文本格式打開文 件，也可以用二進(jìn)制代碼格式打開文件。如圖 2.3 8 圖 2.3 Output 窗口 1）文件編輯器(圖 2.4) 文本編輯器可以用來打開匯編語(yǔ)言程序和 C 語(yǔ)言程序。 圖 2.4 文件編輯器 2）二進(jìn)制代碼編輯器(圖 2.5) 二進(jìn)制代碼編輯器讓用戶在 Edit 窗口里以十六進(jìn)制數(shù)/ASCII 字符的形式來編輯 二進(jìn)制代碼的資源文件。 圖 2.5 二進(jìn)制代碼編輯器 2.2.2 工程的操作 2.2.2.1 創(chuàng)建工程過程 1) 選擇FileNew，打開 New 對(duì)話框如圖 2.6，選擇 Project 標(biāo)簽； 2) 在 File 文本框內(nèi)輸入工程名稱； 3) 在 Location 文本框內(nèi)輸入工程文件的路徑； 9 4) 在 Select Body Here 區(qū)域內(nèi)選擇 Probe； 5)單擊OK，創(chuàng)建工程。 圖 2.6 創(chuàng)建工程對(duì)話窗口 2.2.2.2 開發(fā)操作過程 1) 從開始菜單內(nèi)啟動(dòng)工具； 2) 選擇FileOpen Project，在打開對(duì)話框內(nèi)選擇所要打開的工程； 3) 窗口（工作區(qū)窗口）顯示在工具的左半邊，在這個(gè)窗口內(nèi)，用戶可以看到當(dāng) 前工程所包含的所有文件； 4) 選擇BuildRebuild All，進(jìn)行源文件的編譯和鏈接。 編譯過程里的語(yǔ)法 錯(cuò)誤顯示在 Output 窗口內(nèi)； 5) 選擇BuildStart DebugDownload，把程序加載到 RAM，然后，用戶 可以用 Debug 菜單內(nèi)所提供的調(diào)試命令來優(yōu)化和運(yùn)行程序。選擇 6、BuildStart DebugGo，在調(diào)試器內(nèi)運(yùn)行程序。 10 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和凌陽(yáng)十六位單片機(jī)（SPCE061A）所包括的功能，我可以 利用其所具有的特性完成設(shè)計(jì)所需要達(dá)到的各項(xiàng)功能要求。 3.1 系統(tǒng)總體方案介紹 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1： 圖 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 因此在設(shè)計(jì)中需要使系統(tǒng)具有如下模塊： 1) 一路0-3.3V可調(diào)模擬電壓，可方便地完成AD的數(shù)據(jù)采集。 2) 采用18鍵盤使各功能通過按鍵控制。 3) SIO接口擴(kuò)展存儲(chǔ)芯片SPR4096，擴(kuò)展4M Bits Flash的擴(kuò)展存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)所錄 語(yǔ)音數(shù)據(jù)。 4) MIC輸入電路，配合SPCE061A內(nèi)置的AGC和OPI電路，獲得語(yǔ)音數(shù)據(jù)。 5) 兩路音頻輸出電路，采用凌陽(yáng)功放芯片SPY0030A，通過它完成語(yǔ)音的播放。 6) 利用帶背光的12864點(diǎn)陣液晶LCD顯示出個(gè)按鍵功能。 7) 使用SPCE061A的通用異步串行接口UART來實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊。5 下面對(duì)各功能模塊進(jìn)行具體描述。 凌陽(yáng)十六位單片機(jī) SPCE061A SPEAKER MIC 按鍵 SPR4096 UART LCD 11 3.2 系統(tǒng)電源電路 系統(tǒng)采用的是開關(guān)電源，該電源提供5V電壓，用于SPCE061A端口電壓和用戶實(shí) 驗(yàn)電路供電。實(shí)驗(yàn)箱的供電電源系統(tǒng)采用多種輸入，用戶有多種選擇方式： （1）220V交流電壓供電：用戶可以選擇220V交流電壓供電，系統(tǒng)已將其經(jīng)過變壓、 穩(wěn)壓處理成5V，再經(jīng)過一個(gè)三端穩(wěn)壓器提供3.3V，供系統(tǒng)工作。 （2）DC5V供電：用戶可以直接提供直流5V電壓和3.3V電壓為實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行供電。 如圖3.2所示為電源系統(tǒng)圖，包括電源開關(guān)，低電壓檢測(cè)供電端子和指示燈，5V供電 端子和電源指示燈。 我所設(shè)計(jì)的錄音筆系統(tǒng)中硬件設(shè)備采用由220V交流電壓供電。由于在系統(tǒng)中要 運(yùn)用到LCD和SPR4096，他們的接口邏輯電壓為3.3V，并且我選用了SPR4096內(nèi)部存 儲(chǔ)空間較大的4M Bit FLASH存儲(chǔ)語(yǔ)音數(shù)據(jù)，而電源輸入端VDDI是給內(nèi)部FLASH和控 制邏輯供電的，VDDI：2.25V-2.75V。因此系統(tǒng)電壓選擇了采用220V交流電壓供電。 圖 3.2 電源電路 12 3.3 SPCE061A最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)提到我所設(shè)計(jì)的錄音筆系統(tǒng)的核心采用SPCE061A。SPCE061A內(nèi)置的7 路10bitAD轉(zhuǎn)換器和2路音頻輸出電路使得設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單了很多。SPCE061A最小系統(tǒng) 如圖3.3。 圖3.3 SPCE061A最小系統(tǒng) 芯片提供兩個(gè)16位通用的并行I/O口：IOA0-IOA15，IOB0-IOB15。這兩個(gè)口的每 一位都可以通過編程單獨(dú)定義為輸入或輸出口。其中A口的IOA0-IOA7用作輸入口時(shí) 具有觸鍵喚醒功能，可以應(yīng)用于低功耗的場(chǎng)合。 鑒于所要求功能，我將IOA0-IOA7與18鍵盤連接，A0-A7做輸入口。SPCE061A 的并行I/O口可以通過編程設(shè)置為上拉輸入、下拉輸入、懸浮輸入或同相輸出、反相 輸出的狀態(tài)。要求按鍵執(zhí)行程序所定義功能因此設(shè)置為下拉輸入。 13 3.4 音頻電路 音頻電路由音頻輸入電路以及音頻輸出電路兩部分組成。 3.4.1 音頻輸入電路 音頻輸入電路包括MIC錄音輸入和AGC電路。 人的聲音頻率在300Hz-3400Hz范圍之內(nèi)，因此所設(shè)計(jì)的錄音筆只需要記錄這樣 一個(gè)范圍的聲音信號(hào)即可。 在這里把要記錄的語(yǔ)音信號(hào)最高頻率定為4KHz，根據(jù)公式：f采樣 采樣=2f低通低通規(guī)定系統(tǒng) 的采樣頻率為8KHz。當(dāng)錄入的語(yǔ)音信號(hào)有高于4KHz的部分時(shí)，則把高于4KHz頻率 的信號(hào)認(rèn)為是噪聲。噪聲是不需要記錄的，所以應(yīng)該把高于4KHz的聲音頻率排除在 記錄范圍外，因此需在ADC電路前加一個(gè)截止頻率為4KHz的前置低通濾波器用來濾 除噪聲。前置低通濾波器電路如圖3.4，濾波器的頻譜圖如圖3.5。9 MIC 圖3.4 MIC輸入驅(qū)動(dòng)電路與前置低通濾波器圖 14 f f H(e ) jw 圖3.5 前置低通濾波器頻譜圖 SPCE061A內(nèi)置的AGC電路，它的作用是當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí)使放大器增益自動(dòng)降 低；當(dāng)信號(hào)較弱時(shí)，又使其增益。因此，從MIC輸入的音頻信號(hào)經(jīng)過SPCE061A內(nèi)置 的AGC電路將語(yǔ)音信號(hào)的放大值控制在一定范圍內(nèi)，便可進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。 輸入信號(hào)有兩個(gè)通道：一個(gè)由LINE_In通道輸入；另一個(gè)由MIC_In通道輸入。 MIC_In一般用于麥克風(fēng)通道插入，專門用于對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)MIC 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由隔直電容隔掉直流成分，然后輸入至SPCE061A內(nèi)部前置放大器。 在MIC_In前端有兩級(jí)OP放大器，因此對(duì)信號(hào)的放大有兩種選擇，一是在關(guān)閉 SPCE061A內(nèi)部自動(dòng)增益控制電路AGC時(shí)，MIC_In前端的OP放大器使信號(hào)放大。二 是啟用AGC自動(dòng)調(diào)整增益的值，以防止信號(hào)飽和。AGC能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視前置放大 器輸出的音頻信號(hào)電平，當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，AGC電路自動(dòng)減小放大器的增益；當(dāng) 輸入信號(hào)減小時(shí)，AGC電路自動(dòng)增大放大器的增益，以便使進(jìn)入A/D的信號(hào)保持在最 佳電平，又可使削波減至最小。當(dāng)OPAMP2的輸出0.9AVdd時(shí)，AGC自動(dòng)降低 OPAMP1的增益，以防止被放大的信號(hào)飽和。因此為了能更好的控制系統(tǒng)所獲取的信 號(hào)選擇啟用AGC。其輸入接口電路如圖3.6。 15 圖3.6 ADC輸入接口的結(jié)構(gòu) 3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換接口 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC是外界與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息傳遞的通道。它是一種信號(hào)轉(zhuǎn)換接口， 可以把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)以便輸入給計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行各種處理。芯片采用 逐次逼近式原理實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。ADC的結(jié)構(gòu)及工作原理是：由10位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 DAC0、10位緩存器DAR0、逐次逼近寄存器SAR以及比較器COMP組成逐次逼近式的 ADC，如圖3.7中虛線框內(nèi)所示。圖中的ADC有兩種工作方式：手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。 在 ADC 自動(dòng)方式被啟用后,會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)啟動(dòng)信號(hào),此時(shí),DAC0 的電壓模擬量輸 出值與外部的電壓模擬量輸入值進(jìn)行比較,.逐次逼近式控制首先將 SAR 中數(shù)據(jù)的最高 有效位試設(shè)為1,而其它位則全設(shè)為0,即 10 0000 0000B.這時(shí),DAC0 輸出電壓 VDAC0(1/2 滿量程)就會(huì)與輸入電壓 VIN 進(jìn)行比較.如果 VINVDAC0,則保持原先設(shè) 置為1的位(最高有效位)仍為1;否則,該位會(huì)被清0.接著,逐次逼近式控制又將下一位 試設(shè)為1,其余低位依舊設(shè)為0,即 110000 0000B,VDAC0 與 Vin 進(jìn)行比較的結(jié)果若 VinVDAC0,則仍保持原先設(shè)置位的值,否則便清0該位.這個(gè)逐次逼近的過程一直會(huì)延 16 續(xù)到 10 位中的所有位都被測(cè)試之后, A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在 SAR 內(nèi). 圖3.7 逐次逼近式的ADC結(jié)構(gòu) ADC在手動(dòng)方式下取消了自動(dòng)方式的逐次逼近寄存器SAR的功能，取而代之的是 內(nèi)部比較器COMP和緩存器DAR0，以模擬SAR的作用。換言之，手動(dòng)方式是指須用 軟件程序來控制模擬信號(hào)的輸入采樣或保持，通過寫入A/D數(shù)據(jù)單元來控制比較器基 準(zhǔn)電壓值VDAC0，以及通過讀比較器的比較結(jié)果來推測(cè)模擬輸入電壓值VIN。當(dāng)外 部2V的電壓模擬信號(hào)輸入到ADC的輸入端上，可試著寫入A/D數(shù)據(jù)單元一個(gè)數(shù)字量值 1000000000B，它實(shí)際對(duì)應(yīng)于1.8V電壓模擬量。由于2V1.8 V，故COMP第一次比較 輸出的結(jié)果為1 ，則ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果暫為1000000000B。接著寫入A/D數(shù)據(jù)單元下一 個(gè)數(shù)字量值。 7 在對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，我根據(jù)設(shè)計(jì)要求將ADC設(shè)計(jì)為手動(dòng)方式。 3.4.3 D/A 轉(zhuǎn)換模塊 單片機(jī)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換電路的使用與其它內(nèi)部接口的使用相同，都是可編程控制的 接口，通過程序設(shè)置其工作方式、工作狀態(tài)等。SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部有DAC1和 DAC2兩路10位的DAC轉(zhuǎn)換器，可以形成雙通道的音頻輸出，也可以作為其它的模擬 輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換輸出是以模擬電流信號(hào)的方式分別通過AUD1和AUD2管腳輸出。 DAC與SPCE061A連接圖如圖3.8。 DAC1_PIN21 DAC2_PIN22 S SP PC CE E0 06 61 1A A D D A A C C SPY0030 17 圖3.8 DAC與SPCE061A連接圖 3.4.4 音頻輸出電路 音頻輸出電路采用凌陽(yáng)功放芯片 SPY0030，SPY0030 音頻輸出大于 700mw，而 供電電壓僅需 2.4V。電路中 SPY0030 的放大倍數(shù)被固定為 20 倍，音量的大小可以通 過電位器調(diào)整。喇叭直流阻抗 8 歐，左右兩個(gè)通道音量分立調(diào)節(jié)并備有兩個(gè)外部音頻 信號(hào)放大輸入端。錄入后的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng) MIC 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由隔直電容隔掉直流成 分，然后輸入至 SPCE061A 內(nèi)部前置放大器，經(jīng)過 2 路 10 位精度的 DA 轉(zhuǎn)換后，通 過功放 SPY0030A 即可完成語(yǔ)音的播放。音頻輸出揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路圖，如圖 3.9。7 圖3.9 音頻輸出揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路 SPCE061A的音頻輸出有兩種方式，一種是音調(diào)輸出方式（Tone Mode） ，另一種 則為語(yǔ)音輸出方式（Speech Mode） ，如圖3.10所示。二者的區(qū)別在于其輸出的控制機(jī) 理不同。前者是通過控制Timer溢出所產(chǎn)生的不同頻率來決定聲波振動(dòng)次數(shù)的多寡， 從而決定發(fā)出的聲音音調(diào)的高低，譬如好聽的樂音；后者則是用與聲音（不論是音樂 還是語(yǔ)音）數(shù)據(jù)采樣率相同的速率將聲音數(shù)據(jù)通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換（D/A）通道還原成音頻 電壓或電流輸出，其中聲音數(shù)據(jù)采樣率可決定聲音音質(zhì)的好壞，并決定了聲音數(shù)據(jù)所 需占據(jù)的存儲(chǔ)空間。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我采用語(yǔ)音輸出方式,數(shù)據(jù)采樣率采用相同的 8KHz。音頻輸出波形參見圖3.11。12 DA C Speech Mode 音頻輸出 Ti mer方波輸出乘法器 Tone Mode 圖3.10 音頻輸出方式硬件實(shí)現(xiàn)圖 18 3.5 SPR4096存儲(chǔ)電路 SPR4096為自帶SIO接口的FLASH/SRAM存儲(chǔ)芯片，SIO是一種串行輸入輸出接 口,它可以與其它設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，在SPCE061A內(nèi)通過IOB0和IOB1端口復(fù)用實(shí)現(xiàn) 與設(shè)備進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換，SPR4096與SPCE061的硬件連接如圖3.12，SPR4096的 SCK接SPCE061A的IOB0，SDA接SPCE061A的IOB1。SPR4096與SPCE061A之間的通 訊采用SIO協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。使整個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展了4M BitFLASH/32K BitSRAM，這同語(yǔ)音 錄放相配合會(huì)產(chǎn)生很好的效果。 圖3.12 SPR4096和SPCE061A的連接圖 在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中SPR4096串行接口運(yùn)行時(shí)的工作頻率可達(dá)5MHz。SPR4096有 兩個(gè)電源輸入端VDDI和VDDQ。VDDI是給內(nèi)部FLASH和控制邏輯供電的；VDDQ是 專門為I/O供電的。供電電壓為VDDQ：2.25V-3.6V,VDDI：2.25V-2.75V。SPR4096電 v t 語(yǔ)音輸出方式 圖3.11 語(yǔ)音輸出方式音頻輸出波 形圖 19 路與SPCE061的IO接口為：IOB0_SCK，IOB1_SDA，IOB2_CS_FLASH，其中 IOB2_CS_FLASH口用于控制SPR4096內(nèi)FLASH與SRAM的選擇，當(dāng)IOB2_CS_FLASH 為低電平的時(shí)候選擇FLASH，當(dāng)為高電平的時(shí)候用于選擇SRAM。 如圖3.13為FLASH部分電路原理圖，SDA為數(shù)據(jù)傳輸位、SCK為同步時(shí)鐘輸入位。 REST_N_4096 VDD1 VDDQ VSS NC VSS CF3 NC CF4 SCK VSSQ CF7 SDA VSS IOB_SDA IOB_SDA IOB0_SCK VSSJDH1 圖3.13 FLASH部分電路原理圖 3.5.1 串行設(shè)備輸入輸出口(SIO) SIO的電路連接原理圖如3.14： VSS SCK VSSQ SDA VDD CF0 SPCE061A CF1 CF2 CF7 VDD1 1 2 3 4 5 6 S IOB0 IOB1 IOB2 SCK SDA SCK SDA 圖3.14 SIO電路原理圖 20 SIO 的讀寫操作時(shí)序如圖