【我的毕设作品】数字语音存储回放系统

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        其实这并不是我的毕设作品，为了参与这个活动才加上的标签。但是作品还是有必要分享一下。
        一道全国大学生电子设计竞赛的题目：1999年的数字语音存储回放系统。


一、题目要求   
        先来简单看一下题目要求

    基本部分

    发挥部分

        题目整体的结构比较简单，制作的思路也比较清晰。就直接给出详细的设计方案：

二、硬件部分

• 拾音器
  

        使用普通的咪头就可以完成采集，电阻分压，电容隔直。

• 放大器1
  

        题目要求放大倍数为46dB，也就是200倍的放大倍数，一级放大可能不太行，采用两级如下图所示的放大器电路串联。

• 滤波器1
  

        滤波器要求的通频带是300Hz~3400Hz。使用TI的在线滤波器设计工具Webench来进行设计，之后使用洞洞板来焊接。由于此处设计比较简单，就不再贴出具体的电路图了

        如果对这个在线工具感兴趣先要简单学习一下，这里有简易的教学视频

• 加法器
  

        因为单片机不能采集0V以下的电压，所以需要将信号抬升到0V以上，这里就使用一个加法器电压，调节前级电路使得信号的峰峰值最大不超过3.3V，这里将信号抬升1.65V，这样采集到的音频信号就会在0V~3.3V之间了。

• 限幅器
  

        为了防止某一时刻突然的一个大的声响导致信号电平激增，意外烧坏单片机，所以出于安全的考虑使用一个限幅器电路，将信号电平保持在3.3V以下。

• 滤波器2
  

        由于此处的滤波器要求的通频带和滤波器1相同，所以使用和滤波器1相同的电路。

• 放大器2
  

        此处要求的放大倍数为43dB，为100倍，一级放大已经可以满足要求，故此处使用一级放大电路

• 功放
  

        因为题目要求的是接一个耳机，那么可以不需要接功率放大电路，只将耳机接在放大器的后面就可以，但是演示效果不好，所以这里使用功率放大电路驱动喇叭去播放录音。使用的是功率放大器模块，PAM8403

• 系统整体图片
  

三、软件部分

• 说明：
  

        基于正点原子战舰V3开发板的触摸屏实验进行修改，硬件测试平台为太极M3开发板，引脚基本兼容战舰V3开发板，显示屏（触摸）引脚、TF卡引脚完全兼容

• 程序操作方法：
  

        1、插入TF卡
        2、打开电源，点击显示屏上对用的区域即可执行相应的功能

• 程序设计思路：
  

        1、使用定时器产生8KHz的中断，在中断中获取数据，存储到Buffer中
        2、存储512个字节后，就在主函数中将数据存入TF卡中的一个Page内
        3、当结束录音时，就记录当前的Page数，并写入第一个Page中，作为录音文件的信息
        4、DA出来时，同样使用这个定时器
        5、直通模式，在定时器中边采集变输出
        6、自动音量控制需要分析整个录音文件的均值，根据一定的关系式计算出一个因子
        7、提高信噪比，将信号电平与一个门限值比较，若小于门限，则判定为噪声信号，将其置0
        7、数据压缩：使用QuickLZ压缩算法，实时进行数据的压缩与解压
        8、矫正：使用SINC插值滤波的方法进行矫正

• 主函数文件中的主要内容
  

1. ……
   
2. #include "AUDIO.h"
   
3. #include "sdio_sdcard.h"
   
4. #include "quicklz.h"
   
5. 
   
6. /*
   
7.         全局变量
   
8. */
   
9. //模式Sample、Play、Cross最多只能有一个为1，Info模式一直为1进行显示
   
10. extern u8 Now_Mode[4];
    
11. extern u8 Info_Mode[3];
    
12. ……
    
13.         
    
14. qlz_state_compress state_compress;
    
15. qlz_state_decompress state_decompress;
    
16. extern size_t QuickLZ_Size ;
    
17. 
    
18. int main(void)
    
19. {
    
20. 
    
21.         
    
22. ……//一堆的初始化
    
23. 
    
24.         //初始化UI界面,随意触发一下界面绘制
    
25.         MODE_Scan_DISP(0 , 300 );
    
26.         
    
27.         
    
28.         while(1)
    
29.         {
    
30.                 tp_dev.scan(0);
    
31.                 if(tp_dev.sta&TP_PRES_DOWN)                        //触摸屏被按下
    
32.                 {
    
33.                          if(tp_dev.x[0]<lcddev.width&&tp_dev.y[0]<lcddev.height)
    
34.                         {
    
35.                                 //扫描触摸屏，获得对应的函数
    
36.                                 switch (MODE_Scan_DISP( tp_dev.x[0] , tp_dev.y[0] ) )//主要就是做界面的显示
    
37.                                 {
    
38.                                         case MODE_Sample:
    
39.                                         if(Now_Mode[0])
    
40.                                                 MODE_Sample_ON_Function();
    
41.                                         else if( !Now_Mode[0] )
    
42.                                                 MODE_Sample_OFF_Function();
    
43.                                         break;
    
44. ……
    
45.                                         default:break;
    
46.                                 }
    
47.                         }
    
48.                 }
    
49.                
    
50.                 //写入操作移出中断
    
51.                 if(ADC_FINISH_FLAG)
    
52.                 {
    
53.                         ADC_FINISH_FLAG = 0;
    
54. 
    
55.                         if( QuickLZ_Flag )
    
56.                         {
    
57.                                 QuickLZ_Size = qlz_compress(ADC_BUFF,(char*)DATA_BUFF,512, &state_compress);
    
58.                                 SD_WriteDisk(DATA_BUFF,TF_Page_Count,1);
    
59.                         }
    
60.                         else
    
61.                                 SD_WriteDisk(ADC_BUFF,TF_Page_Count,1);
    
62.                         
    
63.                         TF_Page_Count++;
    
64.                         time_count++;
    
65.                         sprintf(str,"%7.1f",(float)time_count*0.064);
    
66.                        ……………………
    
67.                         
    
68.                 }
    
69.                
    
70.                 //读出操作移出中断
    
71.                 if(DAC_FINISH_FLAG)
    
72.                 {
    
73.                         DAC_FINISH_FLAG = 0;
    
74.                         
    
75.                         if( QuickLZ_Flag )
    
76.                         {
    
77.                                 while(SD_ReadDisk(DATA_BUFF,TF_Page_Count,1)!=0);
    
78.                                 if(TF_Page_Count != TF_End_Page)
    
79.                                         qlz_decompress((char*)DATA_BUFF, DAC_BUFF , &state_decompress);
    
80.                                 else
    
81.                                         for(i=0;i<512;i++)
    
82.                                                 DAC_BUFF[i] = DATA_BUFF[i];
    
83.                         }
    
84.                         else
    
85.                                 while(SD_ReadDisk(DAC_BUFF,TF_Page_Count,1)!=0);
    
86.                         
    
87.                         ……………………
    
88.                         
    
89.                         if( TF_Page_Count > TF_End_Page )//播放完毕，自动触发结束函数
    
90.                         {
    
91.                                 
    
92.                                 TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,DISABLE);
    
93.                                 TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,DISABLE);
    
94.                                 
    
95.                                 if(SINC_Flag)
    
96.                                         MODE_Scan_DISP( 200 , 250 );
    
97.                                 else
    
98.                                         MODE_Scan_DISP( 50 , 100 );
    
99. 
    
100.                                 INFO_SINC_Function_OFF();
     
101.                                 MODE_Play_OFF_Function();
     
102. 
     
103.                         }
     
104.                 }
     
105. 
     
106.         }
     
107. }

复制代码

       所有与音频采集处理、界面显示有关的函数全部都放在了这个Audio文件中，方便移植

        程序最终实现的效果如下图所示：

四、功能设计

• 存储
  

        因为单片机是串行操作，读取ADC的值和存储ADC的值不能同时进行，只要存储器写入一个字节的速度小于1/8K的时间，那么存储就不是问题，否则就会出现采集得快、存储得慢等，数据丢失等一系列问题。实际测试时发现，使用大容量存储介质SD卡的时候，需要一次写入512个字节。写入读出的速度测试如下：

        大于1/8K的125us，所以不可避免会出现在写入数据时数据丢失的问题，所以计划采用乒乓操作的思想进行处理，详细原理不再赘述。

• 自动音量控制
  

        自动音量控制（AVC）是输出限幅装置的一种，其作用是将不同强度的语声调整到最适听取的水平。例如：在不调节电视机音量的情况下，有的电视节目声音很大，有的电视节目又声音很小。使用AVC功能后，电视机可以根据节目输入的音量水平，自动调节输出音量水平，保持声音的稳定，减少或消除爆音，同时放大较小的声音至适宜的范围。
软件中首先将所有的音频数据统一处理，计算其平均功率，之后根据一定的计算规则生成一个比例因子，将此比例因子与音频数据相乘，控制数据的大小，使得信号得以实现自动音量控制。

• 压缩算法
  

        QuickLZ是世界上速度最快的压缩库，每个核心达到308 Mbyte / s。易于使用且易于集成。其C语言版本的代码，可以在无障碍得在各种平台快速移植。如Windows上的Visual Studio，Linux上的gcc，ARM等。软件中使用此压缩算法QuickLZ V1.5.0。
        算法处理512个数据的速度测试：

        但是它有个最大的缺点：太占用资源，STM32F103ZET6一共64KB的RAM，它自己占用了56KB，下图中最后两个是此算法压缩和解压的结构体变量：

• sinc函数矫正
  

        通过提高ADC的采样率可以使得信号的失真度降低。如果AD的采样率一定，那么就可以使用插值滤波器对信号进行处理。软件中另外开启一个32KHz的定时器，使得其DAC的速率变为32KHz，在每两个原采样点之间插入了3个零值。从频域的角度来说，并没有改变信号的单周期频谱，但是却将频谱进行了细化，具体的原理在数字信号处理教材中有讲解，此处不再赘述。

五、系统测试

        最后附上系统整体测试的视频

missxing

不错，挺有帮助的，我最近准备电赛也在做这个题目，方案很有参考价值