長(zhǎng)春工程學(xué)院 王秀艷

國(guó)家電網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司 王洪凱

雅礱江公司二灘水力發(fā)電廠 王秀梅

長(zhǎng)春工程學(xué)院 晉漢林

基于Arduino Mega2560平臺(tái)的無(wú)線語(yǔ)音錄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

長(zhǎng)春工程學(xué)院 王秀艷

國(guó)家電網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司 王洪凱

雅礱江公司二灘水力發(fā)電廠 王秀梅

長(zhǎng)春工程學(xué)院 晉漢林

本文論述了一種無(wú)線語(yǔ)音錄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括硬件電路構(gòu)成及軟件編譯。本系統(tǒng)依托Arduino技術(shù)平臺(tái)，以其Mega2560型號(hào)電路板作為中央處理單元，采用ISD1760芯片作為語(yǔ)音錄放單元，通過(guò)NRF24L01模塊電路進(jìn)行無(wú)線對(duì)接，可在SPI協(xié)議下實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音無(wú)線錄放功能。該系統(tǒng)信息存儲(chǔ)量大，接口豐富，靈活方便，快捷高效，音質(zhì)好，具備良好擴(kuò)展性，適用范圍廣。

語(yǔ)音錄放；Arduino；ISD1760芯片；串行通信協(xié)議

Key_words: Audio Record- play；Arduino；ISD 1760 chip；Series communication

語(yǔ)音錄放電路在電子產(chǎn)品中用途廣泛，生活工作中隨處可見(jiàn)，可應(yīng)用于報(bào)警、鈴聲、復(fù)讀、人機(jī)語(yǔ)音應(yīng)答對(duì)話等各個(gè)方面，但傳統(tǒng)語(yǔ)音電路的設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，開發(fā)工具較為昂貴。近年來(lái)，隨著模擬存儲(chǔ)語(yǔ)音技術(shù)的ISD芯片的出現(xiàn)和發(fā)展，語(yǔ)音錄制、播放設(shè)計(jì)難度及軟件編譯的工作量降低了，同時(shí)語(yǔ)音音質(zhì)有所提高。下面以Arduino平臺(tái)為核心設(shè)計(jì)一種方便快捷高效的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)，主要由硬件電路搭建和軟件編譯兩部分構(gòu)成。

1　系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由中央控制器、語(yǔ)音模塊、通信模塊等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1系統(tǒng)中央處理單元

Arduino于2005年由一個(gè)歐洲團(tuán)隊(duì)開發(fā)，它包含多種型號(hào)的電路板和Arduino IDE編譯軟件，是一款開源電子原型平臺(tái)。本設(shè)計(jì)采用Arduino Mega2560型號(hào)電路板作為該語(yǔ)音錄放系統(tǒng)中央處理單元，其核心器件是Atmega2560芯片。它具有256KB存儲(chǔ)容量，多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出端口，包括 PWM輸出、UART、ICSP header、USB、電源等接口，以及16MHz晶體振蕩器，并具備過(guò)流保護(hù)功能。豐富的接口和強(qiáng)大的功能特別適合需要大量IO接口的設(shè)計(jì)，采用該電路板利于本語(yǔ)音錄放系統(tǒng)外擴(kuò)應(yīng)用于其它電路中，實(shí)現(xiàn)更多功能，如報(bào)警電路等。

1.2語(yǔ)音錄放單元部分

采用ISD1760芯片作為語(yǔ)音錄放芯片。ISD1760是Winbond推出的單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放電路，音質(zhì)好，電壓范圍寬，應(yīng)用靈活，可錄、放音十萬(wàn)次，存儲(chǔ)內(nèi)容可以斷電保留一百年。芯片內(nèi)部包含有麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、自動(dòng)增益控制、振蕩器與內(nèi)存等的多方位整合系統(tǒng)功能及內(nèi)置多信息管理系統(tǒng)，并可以根據(jù)需求定制信息操作指示音效。ISD1760芯片具備獨(dú)立及嵌入式雙運(yùn)作模式，多種采樣頻率對(duì)應(yīng)多種錄放時(shí)間，可處理多達(dá)255 段以上信息，功能強(qiáng)大。

1.3無(wú)線傳輸單元

采用NRF24L01芯片作為傳輸模塊，建立主控制器和語(yǔ)音模塊之間無(wú)線通信。NRF24L01是一款工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM 頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器、頻率發(fā)生器、SchockBurst增強(qiáng)型模式控制器及功率放大器。NRF24L01可以連接到大多數(shù)型號(hào)單片機(jī)芯片上，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作，通過(guò)其SPI 接口進(jìn)行輸出功率頻道選擇和通信協(xié)議的設(shè)置，電流消耗極低。

2　系統(tǒng)軟件編譯

Arduino是開源的，它的燒錄程序可從官網(wǎng)或其他參考資料中獲得幫助，但就本系統(tǒng)而言，依據(jù)具體硬件電路結(jié)構(gòu)及端口配置下要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)無(wú)線音錄放功能，仍需制定通訊協(xié)議并自行編譯軟件。ATmega2560芯片內(nèi)已經(jīng)預(yù)置了bootloader程序，本系統(tǒng)通過(guò)ICSP header接口將軟件編譯程序直接下載到Arduino Mega2560電路板中。

2.1通信協(xié)議

SPI(Serial Peripheral Interface) 是由美國(guó)摩托羅拉公司推出的一種同步串行傳輸規(guī)范。SPI 可以用全雙工通信方式同時(shí)發(fā)送和接收 8/16位數(shù)據(jù)，在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了資源，同時(shí)為PCB的布局上節(jié)省空間。該語(yǔ)音錄放系統(tǒng)核心主要部件都集成了這種協(xié)議或具備相應(yīng)接口, 這為采用SPI串行通信傳輸協(xié)議了提供便利條件，簡(jiǎn)單易行。

圖2　程序流程圖

2.2程序編譯

程序的編譯主要包括無(wú)線通信和語(yǔ)音錄放部分。用兩塊NRF24L01無(wú)線通信模塊分別作為信號(hào)的發(fā)送和接收端，連接在主機(jī)中央管理單元和從機(jī)語(yǔ)音錄放電路中。確定好各部件之間連接及端口對(duì)應(yīng)關(guān)系后，NRF24L01芯片分別設(shè)置為發(fā)送模式和接收模式。語(yǔ)音錄放部分是將Arduino Mega2560的指令發(fā)送到ISD1760芯片，控制其工作狀態(tài)，并將語(yǔ)音電路信息反饋回控制單元盡行處理，這部分主要通過(guò)鍵盤掃描的處理和當(dāng)前狀態(tài)的判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)鍵盤掃描按鍵操作過(guò)程，檢測(cè)按下去的什么鍵值來(lái)判斷當(dāng)前狀態(tài), 并就錄音、放音、停止、刪除等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷和控制，其程序流程圖如圖2所示。

3　系統(tǒng)實(shí)施及注意事項(xiàng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施流程為：制定總體方案-用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)PCB圖-印制電路板制作－焊接-軟件編譯-系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)。Arduino Mega2560通過(guò)SPI串行總線與ISD1760通信，傳輸SPI指令，配置其內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音錄放。ISD1760作為SPI從機(jī)，幾乎所有的按鍵操作都可以通過(guò)這些SPI指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在設(shè)計(jì)、調(diào)試中仍有可能會(huì)遇到問(wèn)題需要注意。

（1）語(yǔ)音地址長(zhǎng)度推算

以ISD1760語(yǔ)音芯片采樣率為8K時(shí)為例，一共可播放60S的語(yǔ)音。

算法一：開始地址為：S0-S10，結(jié)束地址為：E0-E10，這樣算下來(lái)地址就是：0X7FF=2047，從0-2047為2048個(gè)字節(jié)，采樣頻率為8K，即每個(gè)字節(jié)就是125mS，125mS*2048=256S，但實(shí)際的錄音時(shí)長(zhǎng)為60S，所以這是錯(cuò)誤的。

算法二：最大地址為0X1EF，錄音實(shí)際地址為0X10-0X1EF，則最大地址為：0X1EF-0X10=0X1DF=479。479+1=480個(gè)字節(jié)，480*125mS=60S，即采樣率為8K時(shí)，每1個(gè)地址的最小語(yǔ)音長(zhǎng)度為125mS。故此知道單個(gè)語(yǔ)音的長(zhǎng)度，可自行推斷出每個(gè)語(yǔ)音所占的地址長(zhǎng)度，此為正確算法。

（2）硬件電路部分

首先Arduino Mega2560電路板絲印層上并沒(méi)有注明SPI接口，其引腳接口對(duì)應(yīng)關(guān)系為：50引腳-MISO，51引腳-MOSI，52引腳-SCK，53引腳-SS。其次板載ICSP接口也是串行通信接口，它是兼容SPI的，也可用此接口，但要注意線序。再次，Arduino Mega2560提供了自動(dòng)復(fù)位設(shè)計(jì)，可以通過(guò)主機(jī)復(fù)位，不需要復(fù)位按鈕的話，可在Altium Designer設(shè)計(jì)PCB圖時(shí)，將印制板上絲印“RESET EN”處可使能或禁止該功能。此外，ISD1760的參考資料手冊(cè)中，設(shè)計(jì)上復(fù)位腳直接了個(gè)0.1uF到地，沒(méi)有上拉電阻構(gòu)成阻容復(fù)位，同時(shí)容易受到干擾意外復(fù)位。為了防止單片機(jī)IO口狀態(tài)不穩(wěn)定，可在主控單元與ISD芯片間加一個(gè)反向器74HC04，這樣可起到隔離作用。

（3）音源輸入方式

語(yǔ)音音源可以通過(guò)麥克錄入，也可以是事先錄制好的一段語(yǔ)音或者歌曲等數(shù)字信號(hào)。ISD1760芯片錄入的是模擬信號(hào)時(shí)，用按鍵方式或SPI指令啟動(dòng)錄音后，通過(guò)MIC管腳和LIN管腳輸入語(yǔ)音。如果不用麥錄，而是MP3等格式數(shù)字信號(hào)文件做音源，通過(guò)電腦或其他方式播放出來(lái)，輸出端不要接喇叭，而是要通過(guò)一個(gè)104電容，再連接到第9腳-LIN管腳上。

（4）SPI模式下播放問(wèn)題

如果語(yǔ)音電路在獨(dú)立模式下可以播放，但在SPI模式下不能正常播放，一般來(lái)說(shuō)芯片應(yīng)該沒(méi)什么問(wèn)題，此時(shí)檢查下?lián)P聲器連接的是SP+/-還是AUD/AUX+功放輸出。ISD1760芯片內(nèi)部的APC寄存器的默認(rèn)值是0X0440，即表示PWM和AUD輸出是使能的。如果功放電路只有在AUX輸出時(shí)才是正常的，則必須把APC的設(shè)置為0X04C0以打開AUX輸出，避免主控單元的單片機(jī)正常，而ISD1760的復(fù)位鍵關(guān)閉了AUX。

[1]谷樹忠,耿曉中,王秀艷編著.Altium Designer實(shí)用教程—原理圖、PCB設(shè)計(jì)與信號(hào)完整性分析[M].電子工業(yè)出版社,2015,10.

[2]林海波,王秀艷主編.電子工藝實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)[M].中國(guó)電力出版社,2009,7.

[3]艾學(xué)忠主編.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012,8.

[4]陳呂洲編著.Arduino程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2015.

The design process of a wireless Audio record-pay system is introduced in this paper. This system includes hardware circuit and software compiling. Arduino is its techniqneplatform,Mega2560 is its CPU.ISD1760 is its record-pay unit. It can implement sound’s wireless record-play function with SPI proscal through NRF240L01.IT is detected that this system have such advatages an much information storage, multi-interface, fexibility, effciency and good quality.

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：吉教科合字（2014）第539號(hào)國(guó)家級(jí)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：201611437040。

王秀艷（1972—），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，出版教材3部。