（毕业论文 字数：15275 页数：32）摘 要：随着公安、铁路等部门对语音记录的需求不断增长，出现了许多声音处理的产品。而数字录音系统作为其中的一种，经常用于某些监控对话系统中，在适当的时候用语音实时报告系统的工作状态和提示信号等。
本文介绍了一种用单片机实现的嵌入式数字录音系统，该系统为一个数字录音模块，可以将其封装在上面进行二次开发。它采用数字录音的原理，录音时，单片机的CPU将语音信号转换为数字信号，存储存储器中。播放的时候，既可以播放录音文件，也可以播放提前存入存储器中的语音文件。本文首先介绍了实现嵌入式录音的几种技术，然后介绍了数字录音的原理，在这之后进行了系统的总体结构设计和详细的软硬件设计，给出了系统调试过程和实验结果。最后，对系统的应用前景进行了分析并提出了改进设想。
从实验结果来看，本论文所设计的嵌入式数字录音系统稳定性较好。当然要真正做到商业化还需要做很多的改进工作，但它对许多要求录放的场合是十分有用的。

关键词: 嵌入式系统,数字录音,Flash Memory

ABSTRACT ：With the growth of the need for sound record in the department of Gongan and Railway, many products for sound disposal have appeared. As one sort of the products, digital recording system is mainly used in the systems of industrial watch and automatic responsion, reporting timely the State of working and warning information, prompt information and explanation.
The paper has devised the embedded system of digital recording on the basis of the principle of digital recording. When recording, the microcontroller will convert the analog signals into the digital signals and then store the digital signals in the Flash Memory. While playing the sound, the recording file or the .wav file can be both played. The paper firstly introduces several ways of designing the system，then the principle of digital recording, and then the main architecture of the system and the devising of the hardware and software. At last the future of the system and some thinking of promoting is provided.
The embedded system of digital recording is proved to be stable after the test of it. Obviously the system has to be promoted before its commercialization，yet it is useful highly for the situation needing recording

Keywords: the embedded system；digital recording；Flash Memory

目 录

摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1论文背景 1
1 .2 当前嵌入式录音系统实现的方案 2
1.2.1语音芯片的采用 2
1.2.2 DSP芯片的采用 3
1.3 本论文的任务 4
第2章 数字录音的基本原理 6
2.1模拟声频和数字声频 6
2.2数字音频技术的概念 6
2.3语音信号的数字化 8
2.3.1取样 8
2.3.2量化 9
2.3.3编码 10
2.4数字信号的检错、纠错及模拟信号的恢复 10
2.4.1数字信号的检错和纠错 10
2.4.2模拟信号的恢复 11
第三章 系统的硬件设计 12
3.1系统的硬件总体设计 12
3.2 C8051F020的简介 14
3.2.1 微处理器 14
3.2.2 C8051F020的资源和特性 16
3.3 Flash Memory 17
3.4 输入放大电路和输出电路的设计 18
第四章 系统的软件设计 20
4.1 软件的总体设计 20
4.2 单片机控制程序 22
4.2.1 文件传送子程序 22
4.2.2 录音程序 23
4.2.3 放音程序 24
第五章 总结 26
参考文献 27
致谢 28

第1章 绪 论

1.1课题背景
随着我国经济建设的迅猛发展，公安、铁路、民航、金融等部门对语音记录的需求不断增长。把语音生成技术用于工业监控系统、自动应答系统、多媒体查询系统、智能化仪表、办公自动化系统或家用电气产品中，使它们具有语音输出功能，使之能在适当的时候用语音实时报告系统的工作状态、警告信息、提示信息或相关的解释说明等，无疑在提高人机通信能力、减少对错误处理的遗漏、提高系统性能、降低人们的工作强度等方面都有极大的好处。
数字录音系统是将现场的语音模拟信号转变为离散的数字信号，然后存储在一定的存储介质上的一种录音方式，它也是数字语音处理技术中常用的一种方式。采用数字录音技术，有较高的效率和自动化程度，录音时间也长，并可将信息长期保存于存储介质中，同时对语音信息进行编辑整理非常方便，可快速查找。
实现数字录音系统可以采用PC机实现和嵌入式系统实现两种方式。当使用PC机的时候，由于它的体积庞大，耗电高，造价也高，并且在某些情况下系统的稳定性得不到保证所以用PC机来实现前述的各项功能和操作，就受到了一定的限制。而嵌入式系统的体积小，供电方便，造价低，稳定性也高，所以得到了广泛的应用。
本文中设计的嵌入式数字录音系统，主要是要满足以下几个指标:
（1）足够长的录音时间，至少30分钟以上的时间，主要满足对长时间数字语音记录的需要；
（2）大容量非易失数据的存储器作为存储媒介，可以保存语音文件和一记录；
（3）灵活方便的控制方式，可以随心所欲地进行客户所需要的各种对语音的操作；
（4）好的语音质量的保证，必须有足够高的采样频率；
（5）合理的数据压缩方式，既保证语音的质量，又要尽可能地充分地利用存储空间；
（6）同时录放音，即实现语音数据全双工传输；
（7）与PC机联机，能够将语音文件传入存储器，以备播放时用。
现阶段下，实现嵌入式录音系统主要有三种方案:语音芯片实现、DSP芯片实现和通用单片机实现。
1 .2 当前嵌入式录音系统实现的方案
1.2.1语音芯片的采用
采用语音芯片进行录音是一种可行的方法，它有音质自然、单片存储、反复录放、低功耗等优点。
现有的主流语音芯片有以下几种:
（1）ISD系列[8]
一块 ISD 芯片上集成有麦克风前置放大器(AMP)、自动增益控制电路(AGC)、抗混淆和平滑滤波器、模拟存储阵列、扬声器驱动器、控制接口和内部精确的参考时钟，外部元件包括:麦克风、扬声器、开关和少数电阻、电容，再加上电源和电池
。
1.2.2 DSP芯片的采用[2][4]
DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有以下特点:
（1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算。
（2） 程序和数据存储空间分开，可以同时访问数据和指令。
（3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线进行访问。
（4） 具有低开销或无开销执行循环及跳转操作的硬件支持。
（5） 快速的中断处理和硬件I/O支持。
（6） 在单周期内操作的多个硬件地址产生器。
（7） 可以并行执行多个操作。
（8） 支持流水线操作，不同操作阶段可以重叠执行。
从以上的特点可以看出，DSP芯片具有较快的运算速度和较短的指令周期，它的应用领域也非常广泛，对于语音的处理也是它的一个应用。在本嵌入式数字录音系统中，未选择DSP芯片主要是基于以下几个因素的考虑:
（1） 运算速度。本系统中，对运算速度的要求，主要是要满足每一个AD变换后的数据都能及时地存入存储器，从后面的分析可以看出，通用单片机的处理能力已经可以满足本系统的需要。
（2） 运算精度。本数字录音系统没有复杂的数学计算，所以没有对运算精度的要求。
（3） 片内硬件资源。本数字录音系统由于必须能同时进行录放音，所以AD和DA的功能是必需的，对DSP芯片，若外接AD或DA元件，增加了复杂度，也提高了成本。
（4） 功耗 。DSP芯片实现的功能较多，所以它的功耗相对较高。
（5） 开发调试工具。因为选用DSP芯片的同时，还要增加它的开发调试工具，因此提高了成本。
（6） 价格 。DSP芯片的价格虽然己经降到很低，但相对于C8051F系列微处理器，还是要高一点，因此从成本考虑的话，选择一个价格相对较低的产品可以带来利润和产品竞争力的提高。由于上述原因，本系统未采用DSP芯片，而是选用了通用的单片机。
1.3 本论文的任务
在铁路公寓的叫班机系统和铁路机车上，都需要播放语音提示，为了界定责任，放音的同时还要将这些语音录制下来，这样在发生事故的时候，从录制的该语音情况就可以判断出谁是事故的责任方。
本系统就是针对类似的这种应用进行设计的，这种嵌入式数字录音系统，可以播放预先存储在存储器里的语音文件或它们的组合，也可以播放录音后存在存储器里的声音文件，在自己播放语音文件的同时，它还可以通过麦克风将该声音连带外界的声音一起录制下来，作为对播放过该语音文件的证明。另外，通过它的TTL232接口，可以向其中输入命令来执行录放音、读取参数、传送文件等多种操作。为了实现这些功能，本嵌入式数字录音系统必须在下列各项指标上达到要求:
（1）录音时间。本系统的录音时间应该在30分钟以上，以满足对长时间录音的需要。为了实现如此长时间的录音，必须有大容量的存储设备。
（2）非易失数据的存储器。语音和录音文件必须能保存下来，才能用来重复播放，以满足需要。
（3） 合适的采样速率。由于本系统处理的不是音乐，而是语音信号，所以11.025KHz的采样速率可以保证录音和放音的质量。
（4）与PC机的联机功能。要实现对本数字录音系统的控制，应考虑与PC机联机，通过TTL232接口发送相应的命令来实现相应的操作，另外也要通过TTL232接口将语音文件传入存储器。
（5）数据的压缩。适当的数据压缩，可以减少存储器空间的用量，增大录音时间，但由于存储器的录音区是循环利用的，为了降低算法的复杂度，少占用更多的系统资源，所以本系统没有采用语音数据的压缩。