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醫(yī)用電子電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用范文第1篇

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；信號(hào)發(fā)生器；語(yǔ)音信息；語(yǔ)音信號(hào)

引言

由于數(shù)字化信息處理和集成電路的不斷進(jìn)步，各種語(yǔ)音合成芯片應(yīng)用也不斷擴(kuò)大。其中有大部分都是采用PC機(jī)或微控制器的方法，這種方法的控制手段不但需要硬件的支持，同時(shí)也需要對(duì)軟件系統(tǒng)和各種指令進(jìn)行嚴(yán)肅處理。伴隨著目前社會(huì)技術(shù)的不斷發(fā)展，語(yǔ)音信息采集與處理措施要求不斷增加，在處理之中，是通過(guò)將模擬語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)相應(yīng)軟件和系統(tǒng)轉(zhuǎn)變形成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)控制儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，形成一套系統(tǒng)的工作流程。

一、信號(hào)發(fā)生器概述

1.1　信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展

信號(hào)發(fā)生器廣泛應(yīng)用于各科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。它是一種常用的信號(hào)源，是現(xiàn)今各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。六十年代以來(lái)，信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、合成信號(hào)發(fā)生器、程控信號(hào)發(fā)生器等新種類(lèi)。各類(lèi)信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)也都有了大幅度的提高，同時(shí)在簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進(jìn)展。

1.2單片機(jī)原理

單片機(jī)是一種集成在電路芯片，具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU　隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O　口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)現(xiàn)模塊化等特點(diǎn)，應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域。

二、硬件電路設(shè)計(jì)與分析

2.1　工作原理

當(dāng)按鍵按下時(shí)，通過(guò)程序判斷哪個(gè)鍵按下，選好按鍵后，利用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波放大，由示波器顯示出所需的波形，此時(shí)LED顯示器也會(huì)顯示其各自的類(lèi)型以及頻率。復(fù)位電路則是用于單片機(jī)的復(fù)位，使單片機(jī)接口初始化。

2.2　實(shí)現(xiàn)功能

（1）所使用的8位LED顯示器，采用共陰極接法，輸入段選碼低電平有效，顯示輸出信號(hào)的類(lèi)型和頻率。

（2）通過(guò)P1.0和P1.1口控制信號(hào)的輸入類(lèi)型。當(dāng)P1.0=0，P1.1=0輸出正弦波；當(dāng)P1.0=0，P1.1=1　輸出三角波；當(dāng)P1.0=1，P1.1=0輸出鋸齒波。

（3）輸出信號(hào)幅度：0～5V。

（4）信號(hào)頻率范圍要求：1—1KHZ。

2.3.硬件電路設(shè)計(jì)與分析

好的硬件電路既能簡(jiǎn)化繁瑣的程序，又能提高實(shí)驗(yàn)的成功率，是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)不可或缺的重要部分，必須高度重視。

2.3.1主控電路

本電路主要采用AT89C52型單片機(jī)，它具有如下特點(diǎn)：（1）有可供用戶使用的大量I/O口線。（2）內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。（3）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。用89C52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可。其中，在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路時(shí)，采用12MHZ和晶振分別接引腳XTAL1　和XTAL2，電容C1，C2　均選擇為30pF。由于頻率較大時(shí)，三角波、正弦波、方波等波中每一點(diǎn)延時(shí)時(shí)間為幾微秒，故延時(shí)時(shí)間還要加上指令時(shí)間即可得到指定頻率的波形。在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，復(fù)位引腳RST通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，作用是用來(lái)抑制噪聲。在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，其輸出電平由復(fù)位電路采用一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。

2.3.2鍵盤(pán)接口電路

本設(shè)計(jì)采用一般的鍵盤(pán)接口，鍵盤(pán)輸出信號(hào)。具體為：P1.0、P1.1波形選擇，其中當(dāng)P1.0=0，P1.1=0　輸出正弦波，當(dāng)P1.0=0，P1.1=1　輸出三角波，當(dāng)P1.0=1，P1.1=0輸出鋸齒波；當(dāng)P1.0=1，P1.1=1　輸出方波。P1.2、P1.3、P1.4　頻率由個(gè)位，十位，百位調(diào)節(jié)；P1.5頻率加減控制；P1.6跳出循環(huán)。

2.3.3　DAC0832芯片與單片機(jī)硬件接口設(shè)計(jì)

由于用示波器顯示波形，所以需要一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，將單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。此設(shè)計(jì)采用DAC0832轉(zhuǎn)換器。由于此芯片是電流輸出，為了變成電壓輸出，我們?cè)谄浜蠹由弦粋€(gè)運(yùn)算放大器OP07。

2.3.4　LED顯示電路

設(shè)計(jì)采用LED共陰極數(shù)碼管顯示電路。當(dāng)某個(gè)驅(qū)動(dòng)電路輸出端為低電平時(shí)，相應(yīng)的那位點(diǎn)亮，從而顯示出波形的種類(lèi)和信號(hào)的頻率，在按鍵時(shí)顯示出相關(guān)信息。添加74LHC573鎖存器是為了增加顯示的準(zhǔn)確性。

三、語(yǔ)音信息系統(tǒng)主要芯片介紹

單片機(jī)作為一種集成電路芯片，是通過(guò)采用各種超大規(guī)模的集成電路技術(shù)將具有各種數(shù)據(jù)處理和函數(shù)計(jì)算能力的中央處理器、隨機(jī)處理器以及定時(shí)器等終端系統(tǒng)和功能集成到一個(gè)完整的硅片之中形成一個(gè)完善而又系統(tǒng)化的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)措施，這種電路芯片在目前被廣泛的應(yīng)用在各種工業(yè)生產(chǎn)和控制領(lǐng)域之中。伴隨著社會(huì)的進(jìn)步，單片機(jī)呈現(xiàn)出其頑強(qiáng)的生命力，以高速發(fā)展的優(yōu)勢(shì)迅速的應(yīng)用在各個(gè)信息處理之中。

3.1　ISD4OO4芯片介紹

ISD4OO4語(yǔ)音芯片采用C14OS技術(shù)，通過(guò)在內(nèi)部裝置韓警惕的振蕩器和防混疊過(guò)濾器等方式來(lái)擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量，增加計(jì)算效率和準(zhǔn)確度，因此只需要很少的器件就可以在其中構(gòu)成一套完整的聲音錄入系統(tǒng)和回放體系，這在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不但能夠節(jié)約設(shè)計(jì)消耗時(shí)間，同時(shí)能夠避免設(shè)計(jì)中其他元件的增多。

在目前ISD公司的單片機(jī)構(gòu)成中主要是通過(guò)信號(hào)輸入系統(tǒng)、信號(hào)輸出部分、存儲(chǔ)系統(tǒng)、采樣時(shí)鐘部分和SPI部分六部分構(gòu)成。其在構(gòu)成中信號(hào)輸入部分—音頻信號(hào)放大器和五極點(diǎn)抗混疊濾波器：而信號(hào)輸出部分在控制的過(guò)程中是通過(guò)平滑過(guò)濾器和自動(dòng)靜噪處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。存儲(chǔ)部—非易失性多電平模擬存儲(chǔ)陣列；采樣時(shí)鐘部分一內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器和調(diào)節(jié)器：SPI—錄、放、快進(jìn)等操作的SPI接口；電源接口部分。

3.2　AT89C52芯片介紹

AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS　8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k　bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256　bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。芯片內(nèi)含有8KB快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與8OC31引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。

四、語(yǔ)音信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

ISD器件在錄音存儲(chǔ)操作之前，要對(duì)信號(hào)作調(diào)整。首先將輸入信號(hào)放大到存儲(chǔ)電路動(dòng)態(tài)范圍要求的最佳電平，這主要由內(nèi)部放大器來(lái)完成。放大后的信號(hào)進(jìn)入五級(jí)抗混疊濾波器進(jìn)行調(diào)整。模擬信號(hào)的存儲(chǔ)采用采樣技術(shù)，利用抗混疊濾波器可以去掉采樣頻率I/2以上的輸入頻率分量，使所有采樣數(shù)據(jù)都滿足奈奎斯特定理，濾波器是一個(gè)連接時(shí)間五極點(diǎn)的低通濾波器。錄音時(shí)，輸入信號(hào)通過(guò)模擬收發(fā)器寫(xiě)入模擬多電平存儲(chǔ)陣列中。將采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)電平移位生成非易失性寫(xiě)入過(guò)程所需要的電壓。采樣時(shí)鐘同時(shí)用于存儲(chǔ)陣列的地址譯碼，以便將采樣信號(hào)順序地寫(xiě)入存儲(chǔ)陣列中。放音時(shí)，錄入的模擬電壓在同一采樣時(shí)鐘的控制下順序地從存儲(chǔ)陣列中讀出，重構(gòu)原來(lái)的采樣波形，輸出通路上的平滑濾波器去掉采樣頻率分量，并恢復(fù)原始波形，ISD器件的采樣頻率通過(guò)內(nèi)部溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)振蕩器來(lái)控制，這個(gè)振蕩器不需要外接元件，采樣頻率取自內(nèi)部振蕩電路之后的一組分頻器。平滑濾波后的信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)靜噪處理傳送入放大器作為輸出音頻功放的輸入信號(hào)，推動(dòng)揚(yáng)聲器。

4.1語(yǔ)音輸出電路

LW386是一種集成音頻功放，同時(shí)其中具有著自身功能消耗低，電壓的增長(zhǎng)穩(wěn)定，對(duì)電源電壓的控制范圍較為合理，單片機(jī)在應(yīng)用的時(shí)候失真效率和要求較低。盡管LM386的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，但稍不注意，特別是器件上電、斷電瞬間，甚至工作穩(wěn)定后，一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕）都會(huì)帶來(lái)的瞬態(tài)沖擊，在輸出喇叭上會(huì)產(chǎn)生噪聲。

4.2錄音電路

ISD器件采用錄音時(shí)間為8分鐘的ISD4OO4-8器件，以單片機(jī)AT89C52為微控制器，外接語(yǔ)音段錄放控制鍵盤(pán)和LED顯示器，外部存儲(chǔ)器24CO2用于保存各語(yǔ)音段首地址及總語(yǔ)音段數(shù)，為了改善語(yǔ)音量，要提高輸入端信噪比，因此在ISD語(yǔ)音輸入端采用放大電路單端輸入。

4.3放音電路

此系統(tǒng)分為三部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)的控制部分、放音部分和顯示部分。本文的控制部分主要由單片機(jī)89C52構(gòu)成，包含必要的按鍵電路、復(fù)位電路和看門(mén)狗電路等電路，放音部分主要由ISD4OO4構(gòu)成。

4.4程序工作順序

程序工作思想電路上電后，程序首先完成程序的初始化，隨后查詢按鍵狀態(tài)，進(jìn)入系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)。如果有按鍵按下，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行按鍵指向的工作程序。按鍵包括放音鍵，程序?qū)⑹紫扰袛嗍侨ミ€是回，并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。自動(dòng)讀出第一段的放音內(nèi)容。如果不是首次按下，程序則首先判斷當(dāng)前位置，并以該位置為依據(jù)獲得存放該站放音內(nèi)容的首地址。調(diào)用放音子程序，讀入前面獲得的本次放音內(nèi)容首地址，開(kāi)始放音。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文信號(hào)發(fā)生器只是一種可能實(shí)現(xiàn)的方法。此法的頻率控制和幅度控制分辨率高，且硬件集成度高，整機(jī)自動(dòng)化程度高，性能優(yōu)良，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

在傳統(tǒng)的語(yǔ)音錄放過(guò)程中，語(yǔ)音信號(hào)要經(jīng)過(guò)設(shè)備豹接受后再轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，遙過(guò)前置放大器把語(yǔ)音信號(hào)放大，通過(guò)帶通濾波之后。去掉多余的干擾，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，控制器對(duì)其進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。之后再由D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，達(dá)到放音的目的。使用這種方法既復(fù)雜又容易使聲音失真。所以，本文介紹了一種單片語(yǔ)音處理芯片ISD4OO4。通過(guò)對(duì)ISD4OO4語(yǔ)音芯片的簡(jiǎn)單介紹，熟悉了ISD4OO4的基本應(yīng)用。通過(guò)對(duì)基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的錄入和播放。并闡述了系統(tǒng)工作各部件的性能特性，基于微處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了錄音和放音。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，成本低，語(yǔ)音器件抗干擾性強(qiáng)，應(yīng)用效果良好。

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