山東建筑大學信電學院課程設計說明書 目 錄 摘摘 要要 I 1 設計目的和要求設計目的和要求 1 1 1 設計目的 1 1 2 設計要求 1 2 設計原理設計原理 2 2 1 電話自動錄音系統的概況 2 2 2 錄音系統原理 2 2 3 相關芯片原理 2 2 3 1 ISD2590芯片的簡介 2 2 3 2 主控制單片機 6 3 設計內容設計內容 8 3 1 電話錄音系統概述 8 3 2 系統方案設計 8 3 3 器件選型 8 3 4 系統設計 9 3 5 軟件設計 10 3 5 1 主程序 10 3 5 2 鍵盤掃描子程序 11 3 5 3 ON OFF鍵子程序 11 3 5 4 RECORD鍵子程序 11 3 5 5 READY鍵子程序 12 3 5 6 PLAY鍵子程序 13 總結與致謝總結與致謝 15 參考文獻參考文獻 16 附錄一附錄一 原理圖原理圖 17 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 摘 要 電話錄音系統是一種能同時進行多路電話實時錄音及語音播放的設備 屬于 CTI 技術的產物 是計算機技術與語音技術的完美結合 由于采用了先進的數碼錄音 技術 配以功能強大 可靠的軟件 并借助大容量計算機硬盤作為存儲介質 完全 突破了傳統的電話錄音概念 通過電話錄音系統可實現自動記錄主叫號碼和被叫號 碼 同時對多路語音通道錄音或監聽 自動備份 以及靈活的錄音查詢方式 系統 可以按客戶需求自動對硬盤進行維護 從而保證系統的不間斷 穩定工作 用單片機進行控制 利用 ISD2590 芯片設計實現的一種數字式自動答錄系統 該系統具有一定程度的智能化 且實現簡單 具有較大的可擴充性 本設計做的是 一個電話自動錄音系統 設計中介紹了以單片機為微處理器的電話自動錄音系統 給出了硬件框圖和程序流圖 電話自動錄音系統特別適用于家庭和辦公室 關鍵詞關鍵詞 單片機 電話錄音 語音芯片 自動答錄 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 0 1 設計目的和要求 1 1 設計目的 通過設計一個電話自動錄音系統 時期能在用戶不在時及時收錄來電留言 以方便 工作生活 通過這次設計與專業知識相聯系 提高對專業的了解與掌握 1 2 設計要求 本設計要求實現一個能電話自動錄音系統 該系統可以附加在通常的電話通信 網之上 作為電話通信的附屬終端設備 和電話機一起為用戶提供電話通信功能 該系統和電話機并聯在用戶電話線上 當有電話呼入時 如果用戶在規定時間內摘 機應答 則錄音系統不起任何作用 如果用戶在規定時間內未摘機應答 則錄音系 統自動摘機 并向主叫用戶給出 如 請在信號音后留言 等語音提示 并對主機用 戶錄音 當有新錄音時 要給出明顯的指示 如指示燈 液晶顯示器顯示漢字提示 等 用戶可以方便的管理錄音 可瀏覽 播放 刪除錄音 1 根據已知參數對輸入信號特征進行分析 需求分析 選擇確定處理器型號 語音電路芯片型號 完成處理基本電路 語音電路 自動摘掛機電路 鍵盤電路 顯示電路等硬件設計 2 基本教學要求 每人一臺計算機 計算機安裝 Protel 程序開發環境等軟 件 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 1 2 設計原理 2 1 電話自動錄音系統的概況 語音處理技術是計算機中文信息處理領域的一項重要技術 它是把語言信號轉 化成數字信號 然后進行壓縮存儲 或把數字信號解壓還原成語音信號 計算機電 話錄音系統就是語音處理技術的一項重要應用 它是現代通訊技術和計算機技術相 結合的產物 通過對各種錄音電話的深入研究 本設計提出了一種新型的錄音系統 將錄音 系統作為計算機的一種附件 增加其功能 從而大大降低錄音系統價格 并且可以 大大降低現有錄音系統的安裝 調試難度 該系統還提出了一種模擬語音信號進行 數字化錄音的方法 并將其應用于電話錄音系統中 電話自動錄音系統具有錄音時 間長 音質好 抗干擾性強以及使用方便等優點 該設計介紹了以單片機為微處理器的電話自動錄音系統 給出了硬件框圖和程 序流圖 電話自動錄音系統特別適用于家庭和辦公室 2 2 錄音系統原理 本系統選用美國 ISD 公司的 ISD2590 單片語音錄放集成電路作為語音提示電路 的核心部分 ISD2590 采用 E2PROM 存儲器 信息可永久保存 零功能存儲 它還采用 了 DA 盯直接模擬量存儲技術 因而能較好地保留語音信息中的有效成分 提高錄放音 的清晰度 ISD2590 可以存儲長達 90s 的語音 能夠實現 1 600 段語音分段 每段錄 放音均有一個起始端 該起始端地址選擇由 A0 A9 確定 ISD2590 的外圍電路也非 常簡單 只需少許阻容元件即可 并且它易與單片機接口 實現分段尋址功能 IS 3 4 系統上線 離線 復位電路 錄音電路主要用 ISD2590 芯片 錄音電路原理圖見附錄 1 2 3 相關芯片原理 2 3 1 ISD2590 芯片的簡介 ISD2590 芯片 它是美國 ISD 公司的專門產品 具有音質自然 使用方便 單 片存儲 反復錄放 低功耗 抗斷電等特點 該芯片采用模擬數據直接在半導體存 儲器中存儲的技術 不需經過 A D 或 D A 轉換 因此能夠非常真實 自然地再現語 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 2 音 音樂 音調和效果聲 避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲 和 金屬聲 片內信息可保存 100 年 無需后備電源 存儲單元可反復錄音十萬 次 美國 ISD 公司的 2500 芯片 按錄放時間 60 秒 75 秒 90 秒和 120 秒分成 ISD2560 2575 2590 和 25120 四個品種 ISD2500 系列和 1400 系列語音電路一樣 具有抗斷電 音質好 使用方便等優點 它的最大特點在于片內 E2PROM 容量為 480K 1400 系列為 128K 所以錄放時間長 有 10 個地址輸入端 1400 系列僅為 8 個 尋址能力可達 1024 位 最多能分 600 段 設有 OVF 溢出 端 便于多個器 件級聯 1 芯片的電路特性 手動操作 微控制器控制兼容 多段信息處理 可分 1 600 段 輸入采樣頻率 5 3kHz 典型帶寬 2 3kHz 外部時鐘頻率 1024 0kHz 2 部分引腳描述 節電控制 PD 本端拉高使芯片停止工作 進入不耗電的省電狀態 芯片發 生溢出 即 OVF 端變低后 要將本端短暫變高復位芯片 才能使之再次工作 片選 CE 本端變低后 而且 PD 為低 允許進行錄放操作 芯片在本端 的下降沿鎖存地址線和 P R 端的狀態 錄放模式 P R 本端在 CE 的下降沿鎖存 高電平選擇放音 低電平選擇錄 音 錄音時 由地址端提供起始地址 錄音持續到 CE 或 PD 變高 或內存溢出 如 果 CE 是前一種情況 芯片自動在錄音結束處寫入 EOM 標志 放音時 由地址端提 供起始地址 放音持續到 EOM 標志 如果 CE 一直為低 或芯片工作在某些操作模 式 放音會忽略 EOM 繼續進行 信息結尾標志輸出端 EOM 信息何時結束在錄音時進行設定 只要 CE 端 上升沿到來 錄音就停止 此時 ISD 芯片會在內部一個獨立的 EEPROM 單元內設 置一個信息結束標志 EOM 當由 CE 端脈沖觸發放音時 放音持續到 EOM 位為止 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 3 ISD 芯片存儲陣列的每一行都可以獨立尋址 每一行中均勻地布置 4 個 EOM 定 位點 因此芯片共有 2400 個定位點 4 600 2400 例如 ISD2590 采樣頻率為 5 3kHz 每行的尋址時間為 160ms 則 EOM 的分辨率為 40ms 這樣 從信息結束 到 EOM 信號輸出的最大延時是 40ms EOM 信號為負脈沖 脈寬為 20ms 上升沿 實際上標志信息的結束 因此語音在 EOM 處于低電平時仍繼續從芯片輸出 而在 上升沿時停止 DIP 封裝圖及各引線端功能 圖 2 2 ISD2590 芯片封裝 表 2 1 ISD2590 各引腳功能 引線 端 名稱 功能 1 7 A0 M0 A6 M6 地址 8 10 A7 A9 地址 11 AUX IN 輔助輸入 12 13 VSSD VSS A 數字和模擬地 14 15 SP SP 揚聲器輸出 16 28 VCCA VCCD 模擬 數字信號電源正極 17 18 MIC MIC REF 麥克風輸入和輸入參考端 19 AGC 自動增益控制 20 21 ANA IN OUT 模擬信號輸入和輸出 22 OVF 溢出 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 4 23 CE 片選 低電平允許芯片工 作 24 PD 芯片低功耗狀態控制 25 EOM 錄放音結束信號輸出 26 XCLK 外部時鐘 27 P R 錄 放控制選擇 操作模式 當最高位地址 MSB A8 A9 都為高電平時 地址端 就作為操作模式選擇端 高電平有效 表 2 2 ISD2590 的控制模式 模式控 制 功能 典型應用 A0 M0 信息檢索 快速檢索信息 A1 M1 刪除 EOM 標 志 在全部語音錄放結束時 給出 EOM 標 志 A2 M2 未用 當工作模式 操作時 此端應接低電平 A3 M3 循環放音 從 0 地址開始連續重復放音 A4 M4 連續尋址 可錄放連續的多段信息 A5 M5 CE 電平觸發 允許信號中止 A6 M6 按鈕控制 簡化器件接口 使用操作模式時需要注意兩點 所有操作模式下的操作都是從 0 地址開始 以后的操作根據模式的不同 而從 相應的地址開始工作 當電路中錄音轉放音或進入省電狀態時 地址計數器復位為 0 操作模式位不加鎖定 可以在 MSB A8 A9 地址位為高電平時 CE 電平變 低的任何時間執行操作模式操作 如果下一片選周期 MSB A8 A9 地址位中有 一個 或兩個 變為低電平 則執行信息地址 即從該地址錄音或放音 原來設定的 操作模式狀態丟失 分段錄放音 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 5 2500 系列最多可分為 600 段 只要在分段錄 放音操作前 不少于 300 納秒 給 地址 A0 A9 賦值 錄音及放音功能均從設定的起始地址開始 錄音結束由停止鍵操 作決定 芯片內部自動在該段的結束位置插入結束標志 EOM 而放音時芯片遇 到 EOM 標志即自動停止放音 2500 系列地址空間是這樣分配的 地址 0 599 作為 分段用 見下表 地址 600 767 未使用 地址 768 1023 為工作模式選擇 2 3 2 主控制單片機 本系統由于需要較多的端口 所以選擇MSP430作為主控制器 TI公司設計的 MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號微控制器 這些微控制器通過16位 RISC結構 CPU中的16個寄存器和常數發生器使MSP430微控制器能達到最高的代 碼效率 靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗 數字控制的振蕩器 DCO 可使器件從低功耗模式迅速喚醒 在少于6us的時間內激活到活躍的工作方式 MSP430的16位定時器經常被應用于工業控制中如 紋波計數器 數字化電機控制電 表和手持式儀表等的理想配置 它的硬件乘法器大大加強了其功能并提供了軟硬件 相兼容的范圍 提高了數據處理的能力 MSP430Fx1x 系列具有FLASH 存儲器 不同型號單片機的存儲器容量和外圍模塊各不相同 使用者可以根據需要具體選擇 MSP430系列器件均是工業級的 運行環境溫度為 40 85 具有以下特點 處理能力強 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機 采用了精簡指令集 RISC 結構 具有豐富的尋址方式 7 種源操作數尋址 4 種目的操作數尋址 簡潔的 27 條 內核指令以及大量的模擬指令 大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運 算 還有高效的查表處理指令 這些特點保證了可編制出高效率的源程序 運算速度快 MSP430 系列單片機能在 25MHz 晶體的驅動下 實現 40ns 的指令周期 16 位 的數據寬度 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器 能實現乘加運算 相配合 能實現數字信號處理的某些算法 如 FFT 等 超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗 是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活 而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 6 首先 MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 1 8 3 6V 電壓 因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時 芯片的電流最低會在 165 A 左右 RAM 保持模式下 的最低功耗只有 0 1 A 其次 獨特的時鐘系統設計 在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統 基本 時鐘系統 鎖頻環 FLL 和 FLL 時鐘系統和 DCO 數字振蕩器時鐘系統 可以只 使用一個晶體振蕩器 32 768kHz DT 26 OR DT 38 4 也可以使用兩個晶體振蕩 器 由系統時鐘系統產生 CPU 和各功能所需的時鐘 并且這些時鐘可以在指令的 控制下 打開和關閉 從而實現對總體功耗的控制 由于系統運行時開啟的功能模塊不同 即采用不同的工作模式 芯片的功耗有 著顯著的不同 在系統中共有一種活動模式 AM 和五種低功耗模式 LPM0 LPM4 在實時時鐘模式下 可達 2 5 A 在 RAM 保持模式下 最低 可達 0 1 A 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 7 3 設計內容 3 1 電話錄音系統概述 電話自動錄音系統是計算機技術與語音處理技術的完美結合 本系統用單片機 控制專用語言芯片 構成一套語音錄 放系統 若將該系統與電話機連用 便可實現 錄音電話的功能 即在系統上電后 可以檢測電話線路發來的振鈴 鈴流 一旦檢 測到鈴流 便進行模擬摘機 摘機后將主人留言 存在 DRAM 中 及固化留言 存 在 EPRAM 中 發送給對方 最后開始錄入對方語音 直到檢測到對方掛機后的線 路忙音為止 主人回家后可按放音鍵將對方留言發送出來 以便主人及時得到對方 的留言信息 3 2 系統方案設計 數字存儲式自動應答錄音系統的原理如圖 1 所示 其核心器件是單片機 利用 單片機檢測鍵盤 摘 掛機 鈴流等輸入信號 并相應地控制和實現雙音多頻 DTMF 信號的發送 語音芯片的錄放音等功能 3 3 器件選型 元器件清單見下表 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 8 編 號名 稱型 號數 量 R1電阻1K1 R2 R3電阻10K2 R4電阻5 1K1 R5電阻470K1 C1電容220u1 C2 C3 C4 C7 C8 電容0 1u5 C5電容4 7u1 C6電容22 u1 LED發光二極管 1 S1開關 3 MIC駐極體話筒電壓電流參考錄音機1 U1語音芯片ISD25901 3 4 系統設計 在電話自動錄音系統中 電源方面 振鈴電路和通話電路由電話線上的直流饋 電直接提取 其它電路用外電源 5V 供電 系統分為硬件和軟件兩部分 整個電路按功能主要分成兩大部分 語音收發電路和 錄音部分 語音收發部分的內部組成如圖 2 所示 要求可傳送的語音信號在 300Hz 3400Hz 之間 語音收發電路主要包括三大部分 振鈴電路 通話電路和發 碼電路 工作過程為 平時通話電路和發碼電路同電話線斷開 當振鈴信號到達時 振鈴電路工作 促使蜂鳴器發聲 摘機后 即通過轉換開關使通話電路和發碼電話 線接通 交換機檢測后立即停止發送振鈴信號 而轉接雙方的話音信號 通過通話 電路實現通話 若欲向外輸出話音信號 首先摘機動作使發碼電路與電話線接通 交換機檢測到即送到撥號音 然后交換機負責把呼叫方撥發的 DTMF 信號送給被叫 方 使被叫方電話振鈴 振鈴電路主要用 SGS 公司的 LS1240 芯片 通話電路用 TEA1061 實現 發碼電路使用可單片機接口的 HT9200A 芯片 可實現 DTMF 數據 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 9 的發送 且容易對其進行軟件控制 錄音時主要用 ISD2590 芯片 錄音部分的電路如附錄一中電路圖所示 單片機 除了要控制 ISO2590 的 CE P R PD 和 EOM4 個控制端 還要控制地址端的高 4 位 A9 A6 以使信息的分辨率最小為 9 6s 圖中的繼電器開關 J1 2 可以控制芯片 的錄音方式 當圖中所示連接開關 芯片從 MIC 錄音 當斷開 J1 2 語音信號從 20 腳 ANA IN 錄入芯片 MIC 不起作用 3 5 軟件設計 3 5 1 主程序 先掃描鍵盤 采用非編碼鍵盤 若所按鍵的鍵值小于或等于 0CH 表示要發 碼 轉入發碼 SENDCODE 程序 這些鍵共包括 0 9 和 鍵 若鍵值大于 0CH 則表示是功能控制鍵 依次判斷是哪個鍵 然后轉入相應子程序 這里功能 鍵共包括 ON OFF PLAY READY RECORD 流程圖如圖 3 所示 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 10 3 5 2 鍵盤掃描子程序 程序采用非編碼鍵盤 單片機必須對所有按鍵進行監視 一旦發現有鍵按下 單片機應通過程序加以識別 找出它的行列值 并求出它的鍵值 然后轉入相應的 處理程序 實現該鍵功能 3 5 3 ON OFF 鍵子程序 ON OFF 鍵是摘掛機控制鍵 它對應的鍵值是 10H 當有振鈴信號輸入或欲輸出話音時 要將通話電路與電話線接通 此時可以按 下 ON OFF 鍵 單片機檢測到此鍵便控制繼電器 JK1 使 P1 4 取反 完成此要求 3 5 4 RECORD 鍵子程序 RECORD 鍵是錄主人留言信息控制鍵 它對應的鍵值是 0DH 主人要把自己不在家的留言信息 例如 您好 這是 XX 的自動留言機 主人 不在家 請留言 留言時間是 80s 預先錄入 ISD2590 芯片中 以便需要時可以 隨時調用 在這里留有 9s 的時間用來錄這段話 具體操作是 選按下 RECORD 鍵 程序檢測到此鍵后 便開始示主人留言信息并啟動單片機的 T0 中斷定時 9s 后自 動停止 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 11 由于對 ISD2590 進行直接尋址時 信息的最小分辨率是 150ms 所以將 A0 A5 都接地 將 A6 A9 連到單片機輸出端 這樣可以使信息的最小分辨率變為 9 6s 150ms 2 6 9 6s 利用單片機的 T0 中斷定時器從 ISD 的初始地址 即 A6 A9 都為 0 開始定時 9s 并段時間留作主人留言區 剩下大約 0 6s 不用 把接下來的 80s 用來錄對方留言信息 3 5 5 READY 鍵子程序 READY 鍵是準備實現自動留言功能控制鍵 它對應的鍵值是 0EH 當主人出門前 預先按下此鍵等待 當有振鈴信號輸入時 振鈴檢測電路檢測 到振鈴響了 4 次后 便發給單片機一請求信號 單片機響應后 首先將通話電路與 電話線接通 模擬摘機 然后將主人留言信息發給呼叫方 發送完畢后馬上準備 進行錄音 本程序留有 80s 的時間錄對方留言信息 每次錄音都從上次錄音結束處 開始到此次對方錄音完畢并掛機為止 循環錄制 自動覆蓋最前面信息 每次錄 音完畢自動掛機 主人回家后 可以按下復位鍵 再進行其他的操作 比如播放留 言信息 流程圖如圖 4 所示 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 12 3 5 6 PLAY 鍵子程序 PLAY 鍵是播放留言控制鍵 它對應的鍵值是 0FH 當主人要聽自己留言信息或對方留言信息時可以按下此鍵 這時便開始播放第 一段信息 主人留言 若不想聽此段信息 可以不等其播放完 再按一下 PLAY 鍵 便從第二段開始播放 對方留言 若再按此鍵 便重新播放第一段信息 只 要按的不是 PLAY 鍵 就跳出此子程序 ISD2590 停止播放 流程圖如圖 5 所示 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 13 本文設計實現了一種數字芯片存儲式自動答錄系統 該系統具有實用性強 穩 定性高等諸多優點 適合家庭和商業兩用 且在功能上可以擴展 山東建筑大學信電學院課程設計說明書 14 總結與致謝 本次設計設計的系統具有自動錄音等特點 能夠在有電話呼入時 如果用戶在 規定時間內摘機應答 則錄音系統不起任何作用 如果用戶在規定時間內未摘機應 答 則錄音系統自動摘機 并向主叫用戶給出 如 請在信號音后留言 等語音提示 并對主機用戶錄音 當有新錄音時 給出明顯的指示 但同時存在一些不足 其錄 音時間較短 通過本次課程設計 使我對錄音系統中的語音芯片和單片機等都有了一定的掌 握和理解 鞏固了我在 程控交換原理 課程中所學的基本理論知識和實驗技能 使我對專業課程中的知識有了更深入的了解 鍛煉了思維創造能力 與動手能力 進一步激發了我對所學專業學習的興趣 提高了我的專業理解能力 通過設計也加 深了我對通信領域內的一些前沿知識的了解與認識 體會到了專業的深遠 加強了 我對本專業的求知欲 在設計的過程和設計說明書的撰寫過程中 孫雪梅老師給予了我熱心的幫助和 大力的支持 給我提了諸多的寶貴意見 拓寬了我的思路 在此我向老師致以崇高 的敬意和衷心的感謝 在我的學習過程中 其他老師和同學