基于AT89C2051 和ISD2560 的录放音系统设计 - 电路

基 于 AT89C2051 和 ISD2560 的 录 放 音 系 统 设 计
Design of Record & play system Based on AT89C2051 and
ISD2560
肖 海 荣 , 王 凤 瑛 , 杨 金 清 , 孙 玉 风
摘 要 : 介 绍 了 由 Flash 单 片 机 AT89C2051 及 数 码 语 音 芯 片 ISD2560 组 成 的 电 脑 语 音 系 统 。 设 计 出 了 系
统 的 硬 件 电 路 , 给 出 了 录 、 放 音 实 用 的 源 程 序 。
关 键 词 :AT89C2051 单 片 机
ISD2560 语 音 芯 片 分 段 录 音 组 合 回 放
Abstract: In the paper, a microcomputer sound system based on AT89C2051 and ISD2560 is
introduced. Hardware circuit of system is designed, and practical programmes are given.
Key words: AT89C2051 ISD2560 subsection record combination return play
中 图 分 类 号 :TP273 文 献 标 识 码 :B
1 引 言
目 前 基 于 单 片 微 机 的 语 音 系 统 的 应 用 越 来 越 广 泛 , 如 电 脑 语 音 钟 、 语 音 型 数 字 万 用 表 、 手 机 话 费 查
询 系 统 、 排 队 机 、 监 控 系 统 语 音 报 警 以 及 公 共 汽 车 报 站 器 等 等 。 本 文 作 者 用 Flash 单 片 机 AT89C2051
和 录 放 时 间 达 60s 的 数 码 语 音 芯 片 ISD2560 设 计 了 一 套 智 能 语 音 录 放 系 统 , 实 现 了 语 音 的 分 段 录 取 、 组
合 回 放 , 通 过 软 件 的 修 改 还 可 以 实 现 整 段 录 取 , 循 环 播 放 , 而 且 不 必 使 用 专 门 的 ISD 语 音 开 发 设 备 。
2 系 统 硬 件 电 路 设 计
系 统 采 用 的 微 控 制 器 是 ATMEL 公 司 生 产 的 低 电 压 、 高 性 能 8 位 CMOS 单 片 机 AT89C2051, 由 于
它 将 8 位 CPU 和 闪 速 存 储 器 组 合 在 单 个 芯 片 中 , 为 很 多 嵌 入 式 控 制 应 用 系 统 提 供 了 一 个 高 度 灵 活 且 价
格 低 廉 的 解 决 方 案 。AT89C2051 带 有 2K 字 节 可 编 程 的 Flash Memory、128 字 节 RAM、15 根 I/O 线 、2
个 16 位 定 时 / 计 数 器 、1 个 全 双 向 的 串 口 、1 个 精 密 比 较 器 。 其 与 工 业 标 准 MCS-51 的 指 令 集 和 引 脚 结
构 完 全 兼 容 。
该 单 片 机 的 P1 口 是 一 个 双 向 I/O 口 , 其 中 P1.2~P1.7 口 内 部 提 供 了 上 拉 电 阻 ,P1.0、P1.1 需 外 部 上
拉 。P1.0、 P1.1 同 时 也 是 片 内 精 密 比 较 器 的 正 输 入 端 (AIN0) 和 负 输 入 端 (AIN1)。P3 口 是 7 个 带 有
内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 口 (P3.6 除 外 , 其 为 片 内 比 较 器 的 输 出 脚 , 而 不 能 作 为 普 通 的 I/O 口 使 用 )。 有 关
AT89C2051 较 详 细 地 资 料 请 参 阅 文 献 [1]。
数 码 语 音 芯 片 选 用 的 是 ISD2500 系 列 单 片 语 音 录 放 集 成 电 路 ISD2560, 它 具 有 抗 断 电 、 音 质 好 , 使
用 方 便 , 无 须 专 用 的 开 发 系 统 等 优 点 。 录 音 时 间 为 60 s, 能 重 复 录 放 达 10 万 次 。 芯 片 采 用 多 电 平 直 接
模 拟 量 存 储 专 利 技 术 , 省 去 了 A/D、D/A 转 换 器 。 每 个 采 样 值 直 接 存 储 在 片 内 单 个 EEPROM 单 元 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 ”。ISD2560 集 成 度 较 高 , 内 部 包 括 前 置 放 大 器 、 内 部 时 钟 、 定 时 器 、 采 样 时 钟 、
1

滤 波 器 、 自 动 增 益 控 制 、 逻 辑 控 制 、 模 拟 收 发 器 、 解 码 器 和 480 K 字 节 的 E 2 PROM 等 , 内 部 原 理 框 图 及
引 脚 排 列 如 图 1 所 示 。ISD2560 控 制 电 平 与 TTL 电 平 兼 容 , 接 口 简 单 , 使 用 方 便 。 各 引 脚 功 能 如 表 一 所
示 :
XCLK
26
内 部 时 钟
定 时 器
采 样 时 钟
ANA IN
ANA OUT
MIC
MIC REF
AGC
20
21
17
18
19
前 置
放 大 器
模 拟 输 入
放 大 器
自 动 增 益 控 制
(AGC)
防 混 淆 滤 波 器
解 码 器
模 拟 收 发 器
480K
存 储 器 阵 列
平 滑 滤 波 器
混 合
扬 声 器
驱 动 器
14
15
SP+
SP-
电 源 地 址 缓 冲 器 器 件 控 制 线
16
13
12
28
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 24 22 27 23 25 11
VccA VssAVssDVccD A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 PD OVF P/R CE EOM AUX IN
图 1 ISD2560 内 部 原 理 框 图
ISD2560 与 单 片 机 AT89C2051 的 接 口 电 路 以 及 外 围 电 路 如 图 2 所 示 。 单 片 机 的 P1 口 、P3.4 和 P3.5
分 别 与 ISD2560 的 地 址 线 相 连 , 用 以 设 置 语 音 段 的 起 始 地 址 。P3.0~P3.3 用 以 控 制 录 放 音 状 态 。P3.7 连
接 一 按 键 , 供 录 音 时 使 用 。 由 TL7705 构 成 可 靠 复 位 及 电 源 监 视 电 路 。
RST
C9
0.1
C8
10/16v
R6
10K
+5v
R5
10k
U3 TL7705CP
8
VCC
7
SENSE
R7
10K
Q
2
A2
1
A1
Q
3
C1
4
GND
5
6
11
Key
Record
1
U1AT89C2051
P3.7
RST
X1
5
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
X2
12MHz
4
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P3.4
P3.5
12
13
14
15
16
17
18
19
8
9
2
3
6
7
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
27
25
24
23
U2
A0/M0
A1/M1
A2/M2
A3/M3
A4M4
A5/M5
A6/M6
A7
A8
A9
P/R
EOM
PD
CE
ISD2560
SP+
SP-
MIC REF
MIC IN
XCLK
ANA IN
ANA OUT
AGC
+5V
14
15
SPEAKER
18
17
26
20
21
19
R3 1K
C4
0.22u
C5
0.22u
R1
10K
C3
1uF
R4 470K
C6 4.7u
R2
10K
+
C7
47u
MK1
MIC
C1
30P
C2
30P
图 2 ISD2560 与 单 片 机 AT89C2051 的 接 口 电 路
2

表 一
引 脚 功 能 描 述
引 脚 序 号 引 脚 名 称 功 能
1~7 A0/M0~A6/M6 地 址 线
8~10 A7~A9 地 址 线
11 AUX IN
当 /CE 和 P/-R 为 高 , 放 音 不 进 行 , 或 处 入 放 音 溢 出 状 态 时 , 本 端 的 输 入
信 号 通 过 内 部 功 放 驱 动 喇 叭 输 出 端 。
12,13 VSSD、 VSSA 数 字 地 和 模 拟 地 , 这 两 脚 最 好 在 引 脚 焊 盘 上 相 连 。
14,15 SP+、SP- 扬 声 器 输 出 。
16,28 VCCA、VCCD 模 拟 电 源 、 数 字 电 源 , 尽 可 能 在 靠 近 供 电 端 处 相 连 。
17 MIC
本 端 连 至 片 内 前 置 放 大 器 , 外 接 话 筒 应 通 过 串 联 电 容 耦 合 到 本 端 ,
耦 合 电 容 值 和 本 端 的 10KΩ 输 入 电 阻 ( 如 图 2) 决 定 了 芯 片 频 带 的 低
频 截 止 点 。
18 MIC REF
本 端 是 前 置 放 大 器 的 反 向 输 入 。 当 以 差 分 形 式 连 接 话 筒 时 , 可 减 小
噪 声 , 提 高 共 模 抑 制 比 。
19 AGC
AGC 动 态 调 整 前 置 增 益 以 补 偿 话 筒 输 入 电 平 的 宽 幅 变 化 , 使 得 录 制 变
化 很 大 的 音 量 时 失 真 都 能 保 持 最 小 。 响 应 时 间 取 决 于 本 端 的 5KΩ 输
入 阻 抗 外 接 的 对 地 电 容 ( 即 图 2 中 C2) 的 时 间 常 数 。 释 放 时 间 取 决
于 本 端 外 接 的 并 联 对 地 电 容 和 电 阻 ( 即 图 2 中 R5 和 C2) 的 时 间 常 数 。
470KΩ 和 4.7uF 的 标 称 值 在 绝 大 多 数 场 合 下 可 获 得 满 意 的 效 果 .
20 ANA IN
本 端 为 芯 片 录 音 信 号 输 出 。 对 话 筒 输 入 来 说 ANA OUT 端 应 通 过 外 接
电 容 连 至 本 端 。
21 ANA OUT 前 置 放 大 器 的 输 出 . 前 置 电 压 增 益 取 决 于 AGC 端 电 平
22 /OVF
芯 片 处 于 存 储 空 间 末 尾 时 本 端 输 出 低 电 平 脉 冲 表 示 溢 出 , 之 后 本 端
状 态 跟 随 /CE 端 的 状 态 , 直 到 PD 端 变 高 。 本 端 可 用 于 级 联 。
23 /CE
本 端 变 低 后 ( 而 且 PD 为 低 ), 允 许 进 行 录 放 操 作 。 芯 片 在 本 端 的 下
降 沿 锁 存 地 址 线 和 P/R 端 的 状 态 。
24 PD
本 端 拉 高 使 芯 片 停 止 工 作 , 进 入 不 耗 电 的 节 电 状 态 , 芯 片 发 生 溢 出 ,
即 /OVF 端 输 出 低 电 平 后 , 要 将 本 端 短 暂 变 高 复 位 芯 片 , 才 能 使 之 再
次 工 作 。
25 /EOM
EOM 标 志 在 录 音 时 由 芯 片 自 动 插 入 到 该 信 息 的 结 尾 。 放 音 遇 到 EOM
时 , 本 端 输 出 低 电 平 脉 冲 。 芯 片 内 部 会 检 测 电 源 电 压 以 维 护 信 息 的
完 整 性 , 当 电 压 低 于 3.5V 时 , 本 端 变 低 , 芯 片 只 能 放 音 。
26 XCLK 外 部 时 钟 。 本 端 内 部 有 下 拉 元 件 , 不 用 时 应 接 地 。
27 P/R
本 端 状 态 在 /CE 的 下 降 沿 锁 存 。 高 电 平 选 择 放 音 , 低 电 平 选 择 录 音 。
录 音 时 , 由 地 址 端 提 供 起 始 地 址 , 录 音 持 续 到 /CE 或 PD 变 高 , 或 内
存 溢 出 ; 如 果 是 前 一 种 情 况 , 芯 片 自 动 在 录 音 结 束 处 写 入 EOM 标 志 。
放 音 时 由 地 址 端 提 供 起 始 地 址 , 放 音 持 续 到 EOM 标 志 。 如 果 /CE 一
直 为 低 , 或 芯 片 工 作 在 某 些 操 作 模 式 , 放 音 会 忽 略 EOM, 继 续 进 行
下 去 。
3 系 统 工 作 原 理 及 程 序 设 计
3.1 ISD2560 内 部 地 址 单 元 寻 址
3

ISD2560 虽 然 提 供 了 地 址 输 入 线 , 但 它 的 内 部 信 息 段 的 地 址 却 无 法 读 出 。 本 系 统 采 用 单 片 机 来 控 制 ,
不 需 读 出 信 息 地 址 , 而 直 接 设 置 信 息 段 起 始 地 址 。 其 实 现 方 式 有 两 种 : 一 是 由 于 ISD2560 的 地 址 分 辨 率
为 100 ms, 所 以 可 用 单 片 机 内 部 定 时 器 定 时 100 ms, 然 后 再 利 用 一 计 数 器 对 单 片 机 定 时 次 数 进 行 计 数 ,
则 计 数 器 的 计 数 值 为 语 音 段 所 占 用 的 地 址 单 元 。 该 方 式 能 充 分 利 用 ISD2560 内 部 的 E 2 PROM, 在 字 段 较
多 时 可 利 用 该 方 法 。 该 方 法 的 具 体 使 用 请 见 参 考 文 献 [3] 。 二 是 语 音 字 段 如 果 较 少 , 则 可 根 据 每 一 字 段 的
内 容 多 少 , 直 接 分 配 地 址 单 元 。 一 般 按 每 1 s 说 3 个 字 计 算 ,60 s 可 说 180 个 字 , 再 根 据 ISD2560 的 地 址
分 辨 率 为 100 ms, 即 可 计 算 出 语 音 段 所 需 的 地 址 单 元 数 。 本 文 采 用 第 二 种 方 式 。
3.2 录 放 音 时 AT89C2051 单 片 机 对 ISD2560 的 控 制
录 音 时 , 按 下 录 音 键 , 单 片 机 通 过 口 线 设 置 语 音 段 的 起 始 地 址 , 再 使 PD 端 、P/R 端 和 /CE 端 为 低
电 平 启 动 录 音 ; 结 束 时 , 松 开 按 键 , 单 片 机 又 让 /CE 端 回 到 高 电 平 , 即 完 成 一 段 语 音 的 录 制 。 同 样 的 方
法 可 录 取 第 二 段 、 第 三 段 、 ……。 特 别 值 得 注 意 的 是 , 录 音 时 间 不 能 超 过 预 先 设 定 的 每 段 语 音 的 时 间 。
放 音 时 , 根 据 需 播 放 的 语 音 内 容 , 找 到 相 应 的 语 音 段 起 始 地 址 , 并 通 过 口 线 送 出 。 再 将 P/R 端 设 为
高 电 平 ,PD 端 设 为 低 电 平 , 并 让 /CE 端 产 生 一 负 脉 冲 启 动 放 音 , 这 时 单 片 机 只 需 等 待 ISD2560 的 信 息
结 束 信 号 , 即 /EOM 的 产 生 。 信 号 为 一 负 脉 冲 , 在 负 脉 冲 的 上 升 沿 , 该 段 语 音 才 播 放 结 束 , 所 以 单 片 机
必 须 要 检 测 到 /EOM 的 上 升 沿 才 能 播 放 第 二 段 , 否 则 播 放 的 语 音 就 不 连 续 , 而 且 会 产 生 啪 啪 声 , 这 一 点
在 编 制 软 件 时 一 定 要 注 意 。 下 面 给 出 了 录 取 5 段 语 音 信 息 的 录 音 程 序 和 对 这 5 段 语 音 进 行 组 合 播 放 的 源
程 序 ( 均 可 直 接 拷 贝 使 用 )。 播 放 时 , 可 根 据 实 际 情 况 组 合 回 放 。 实 际 需 要 时 , 可 对 该 程 序 进 行 扩 充 。
录 音 源 程 序 :
START: MOV R7,#00H
MOV P1,#00H
CLR P3.4 ;ISD2560 地 址 初 始 化
CLR P3.5
CLR P3.2
CLR P3.0 ; 设 置 为 录 音 状 态
LOOP: JB P3.7,LOOP ; 录 音 键 按 下 否 ?
INC R7
CALL PRESS
LJMP LOOP
PRESS: CJNE R7,#1,NEXT1
MOV P1,#00H ; 送 字 段 1 起 始 地 址
CLR P3.4
CLR P3.5
LCALL RECORD
JMP BACK
NEXT1: CJNE R7,#2,NEXT2
MOV P1,#20H ; 送 字 段 2 起 始 地 址
CLR P3.4
CLR P3.5
LCALL RECORD
JMP BACK
NEXT2: CJNE R7,#3,NEXT3
MOV P1,#40H ; 送 字 段 3 起 始 地 址
CLR P3.4
CLR P3.5
LCALL RECORD
JMP BACK
NEXT3: CJNE R7,#4,NEXT4
MOV P1,#60H ; 送 字 段 4 起 始 地 址
CLR P3.4
CLR P3.5
LCALL RECORD
JMP BACK
NEXT4: CJNE R7,#5,BACK
MOV R7,#00H
MOV P1,#80H ; 送 字 段 5 起 始 地 址
CLR P3.4
CLR P3.5
LCALL RECORD
BACK: RET
RECORD: CLR P3.3 ;/CE 端 为 低 , 开 始 录 音
JNB P3.7,$
SETB P3.3
RET
4

放 音 源 程 序 : PNEX2: CJNE A,#3,PNEX3
MOV P1,#40H ; 若 A=#3 放 第 三 段
BEGIN: SETB 20H.0 ; 置 放 音 标 志 CLR P3.4
SETB P3.0 ; 置 放 音 状 态 CLR P3.5
MOV P1,#00H ;ISD2560 地 址 初 始 化
CALL SOUND
CLR P3.4
JMP PBACK
CLR P3.5
PNEX3: CJNE A,#4,PNEX4
MOV R0,2FH ; 放 音 起 始 地 址 送 R0
MOV P1,#60H ; 若 A=#4 放 第 四 段
LOOP1: JB 20H.0,LOOP1 CLR P3.4
LCALL PLAY ;20H.0=0 调 放 音 程 序 CLR P3.5
JMP LOOP1
CALL SOUND
PLAY: INC R0
JMP PBACK
LCALL FIND ; 调 查 找 播 放 地 址 子 程 PNEX4: CJNE A,#5,PBACK
CJNE R0,#5,OUT
MOV P1,#80H ; 若 A=#5 放 第 五 段
MOV R0,#2FH CLR P3.4
OUT: RET CLR P3.5
FIND: MOV A,@R0 ; 查 找 播 放 语 音 地 址 CALL SOUND
CJNE A,#1,PNEX1
PBACK: RET
MOV P1,#00H ; 若 A=#1 放 第 一 段
SOUND: CLR P3.3 ;/CE 端 形 成 一 负 脉 冲
CLR P3.4
启 动 播 放
CLR P3.5 NOP
CALL SOUND NOP
JMP PBACK SETB P3.3
PNEX1: CJNE A,#2,PNEX2 TURN1: JB P3.1,TURN1 ; 等 待 语 音 段 结 束 信
MOV P1,#20H ; 若 A=#2 放 第 二 段
号
4 结 束 语
CLR P3.4 TURN2: JNB P3.1,TURN2 ; 等 待 EOM 信 号 的
CLR P3.5
上 升 沿
CALL SOUND RET
JMP PBACK
该 语 音 系 统 硬 件 电 路 简 单 , 调 试 方 便 。 即 可 作 为 电 脑 语 音 系 统 的 语 音 板 , 又 可 作 为 语 音 服 务
系 统 的 子 系 统 。 实 际 应 用 表 明 具 有 较 好 的 实 用 价 值 , 对 初 步 涉 足 单 片 机 语 音 系 统 的 读 者 来 说 具 有
一 定 的 参 考 价 值 。
参 考 文 献
1 余 永 权 . ATMEL89 系 列 单 片 机 应 用 技 术 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ,2002.4
2 2002 数 码 语 音 芯 片 、 产 品 及 应 用 电 路 资 料 汇 编 [M].
3 刘 欣 , 等 . IDS 语 音 器 件 分 段 地 址 的 获 取 [J]. 电 子 技 术 应 用 ,1999(10)
4
作 者 简 介 : 肖 海 荣 , 女 , 1969 年 生 , 汉 族 , 硕 士 , 副 教 授 。 研 究 领 域 : 监 控 系 统 及 计 算 机 控 制 等 。
电 话 :0531-5903010,Email:hairong.xiao@163.com
(250023 山 东 交 通 学 院 ) 肖 海 荣 王 凤 瑛
(265700 山 东 龙 口 矿 物 局 技 校 ) 杨 金 清
(250027 山 东 煤 矿 总 医 院 ) 孙 玉 风
5