Устройство цифровой записи речи (цифровой диктофон) - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
Балтийский Государственный технический университет
им. Д.Ф.Устинова (“Военмех”) | |
|Кафедра И4
|
|ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
|
|к курсовому проекту по дисциплине
|
|Проектирование радиоэлектронных устройств
|
|
|
|“Устройство цифровой записи речи
|
|(цифровой диктофон)”
|
| | | |
| |Группа |И-4 |
| |Студент |С |
| |Проверил |П |
|
|
|Санкт-Петербург
|
|200
|
СОДЕРЖАНИЕ
Задание 3
Перечень условных обозначений 4
Введение 5
Анализ исходных данных 6
Выбор структуры устройства 8
Выбор элементов 10
Принцип действия 14
Описание принципиальной схемы устройства 18
Заключение 41
Список литературы 42
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
"Устройство цифровой записи речи"
Принцип действия
Происходит запись речевого сигнала в микросхемы памяти после
соответствующего аналого-цифрового преобразования.
Дополнительный сервис по усмотрению разработчика.
Исходные данные
1. Спектр сигнала 20 Гц – 4 кГц
2. Uпит = 5 ± 10% В
3. Время записи – 60 минут
4. Использование чувствительного микрофона
5. Устройство портативное
6. Воспроизведение через встроенный динамик
Перечень конструкторских документов.
Пояснительная записка, структурная схема, функциональная схема, схема
электрическая принципиальная, спецификация, перечень элементов.
Цель курсовой работы.
спроектировать устройство для записи человеческого голоса в течение 60
минут и последующего воспроизведения записанной информации.
Характеристики устройства: автономное устройство с батарейным питанием,
временем записи 60 минут. Обеспечивает долговременное хранение записанной
информации при выключении питания устройства. Имеется индикация режимов
работы цифрового диктофона, а также органы управления режимами устройства.
Отличительной особенностью цифрового диктофона является повышенная
надежность и удобство в эксплуатации.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АЦП –аналого-цифровой преобразователь;
ЦАП –цифро-аналоговый преобразователь;
АТС – автоматическая телефонная станция;
МГц- мегагерцы;
CPU - Central Processor Unit (процессор);
TTL - транзисторно-транзисторная логика;
мкм - микроны;
мм - миллиметры;
мс — микросекунды;
ОЗУ- оперативное запоминающее устройство;
ПЗУ- постоянное запоминающее устройство;
ПП - печатная плата;
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время огромное значение придается различной информации, в
том числе и голосовой. Возникает проблема в удобных способах хранения этой
информации. Для этого применяют различные звукозаписывающие устройства.
Принцип построения этих устройств различен - от записи на восковой
носитель первого фонографа, до преобразования звуковой информации в
цифровой код, с последующим её хранением в виде цифровых кодов. Самым
удобным средством хранения звуковой информации является диктофон.
Профессий, для которых диктофон является необходимым устройством -
множество. Это и журналисты, телевизионщики, корреспонденты, органы охраны
правопорядка.
Одной из проблем, которая возникает перед отечественным пользователем
- это выбор лучшей по соотношению качество/цена модели. Неизбалованные
отечественные пользователи часто не придают особого значения устройству и
техническим характеристикам диктофонов. Мало кто сознает, насколько проще и
легче может стать работа с этим устройством, если серьезно отнестись к его
выбору. Диктофоны выпускаются многими компаниями. К числу наиболее
известных фирм-производителей относятся: Panasonic, I-River, Sony, LG и
многие другие.
Отличительной особенностью большинства моделей диктофонов является то,
что носителем информации является магнитная лента. А она, как известно,
подвержена старению, в результате чего после нескольких десятков
использований резко ухудшаются её качества. К тому же, велика вероятность
«потерять» записанную информацию вследствие влияния сильных магнитных
полей. Также отличительной особенностью диктофонов является наличие
сложного механизма со множеством движущихся частей, которые от интенсивного
использования быстро приходят в негодность.
sitednl.narod.ru/1.zip - база сотовых по Петербургу
Современные диктофоны в качестве носителей информации используют
цифровые модули памяти. Ресурс модулей памяти даже при самом интенсивном
использовании составит не менее нескольких лет. В таких моделях отсутствует
сложный лентопротяжный механизм.
Исходя из вышесказанного проектирование новых типов цифровых
диктофонов является важной задачей ввиду все более нарастающей потребности
удобства хранения звуковой информации.
АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ
Необходимо разработать автономное устройство с батарейным питанием,
которое бы записывало голосовую информацию в течении 60 минут. Устройство
должно обеспечивать долговременное хранение записанной информации при
выключении питания устройства. Необходимо предусмотреть индикацию режимов
работы цифрового диктофона, а также органы управления режимами устройства.
Так как информация должна вводиться и преобразовываться для хранения в
цифровой вид, то необходимо применить АЦП и оцифровывать сигнал по методу
импульсно-кодовой модуляции, суть которой заключается в следующем. Если на
рис.1 представлен исходный сигнал:
[pic]
Рис.1. Исходный сигнал.
То для преобразования мы должны его разделить на временные отрезки
[pic]
Рис.2. Дискретный сигнал.
Затем мы его должны квантировать по уровням (рис.3).
[pic]
Рис.3. Квантированный сигнал.
Наконец мы можем получить кодовые отсчеты сигнала (рис.4).
[pic]
Рис.4. Оцифрованный сигнал.
Для определения длительности временных отрезков необходимо
воспользоваться теоремой Котельникова, по которой для точного
восстановления периодического сигнала необходимо взять минимум два отсчета
за период. Таким образом, при верхней частоте спектра человеческого голоса
- 4 кГц, частота дискретизации - 8 кГц.
Для квантования по уровню можно принять 256 уровней для обеспечения
хорошего качества – в современной аппаратуре для обработки и передачи
голосовой информации используются чаще всего именно 256 уровней.
Из этого следует, что для построения устройства необходимо
использовать восьмибитовый АЦП, работающий на частоте 8 кГц.
Так как хранение информации должно производиться при выключенном
питании, то в качестве устройства хранения нужно применить
энергонезависимую память.
Объем памяти рассчитывается следующим образом: Так как каждую секунду
записывается 8000 отсчетов по 8 бит, что составляет 8 кб, то в течение часа
нам необходимо будет записать 3600 Х 8 кб, что составит примерно 29 Мб.
Таким образом, применив память емкостью 32Мб, мы обеспечим нужное время
записи. При использовании алгоритмов архивации, объем записываемой
информации при необходимости можно увеличить.
ВЫБОР СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВА
Устройство работает с аналоговым сигналом, и, соответственно, чтобы
обеспечить сопряжение с цифровой частью устройства применяется блок АЦП и
блок входных цепей, которые обеспечивают усиление аналогового сигнала до
необходимого уровня.
Устройство производит вывод записанной информации посредством блока
ЦАП и блока выходных цепей, которые производят усиление выходного сигнала
до необходимого уровня.
Контроль за работой блока ЦАП и блока АЦП производится модулем
контроллера записи/чтения.
Индикацию режимов работы и управление ими диктофона выполняет блок
индикации и управления.
Хранение записанной информации происходит в энергонезависимой памяти.
Таким образом в устройстве можно выделить следующие блоки:
- входных цепей;
- выходных цепей;
- контроллер записи/чтения;
- блок питания;
- тактового генератора;
- энергонезависимой памяти;
- блок индикации и управления.
Блок входных цепей соединяется информационной связью с блоком АЦП,
который в свою очередь соединяется информационной связью с блоком
энергонезависимой памяти и управляющими связями с тактовым генератором и
блоком контроллера записи/чтения.
Блок выходных цепей соединяется информационной связью с блоком ЦАП,
который в свою очередь соединяется информационной связью с блоком
энергонезависимой памяти и управляющими связями с тактовым генератором и
блоком контроллера записи/чтения.
Контроллер записи/чтения соединяется управляющей связью с
энергонезависимой памятью.
Блок питания соединяется со всеми блоками.
Блок входных цепей обеспечивает усиление входного сигнала от микрофона
и ограничение верхней частоты входного сигнала до 4 кГц. Усиленный сигнал
поступает на АЦП где преобразуется по сигналам от тактового генератора в
кодовые отсчеты по уровню, представленные в двоичном коде. Кодовые отсчеты
поступают в энергонезависимую память, где посредством контроллера
записи/чтения происходит их запись. Контроллер записи/чтения формирует
необходимые сигналы для записи и чтения из энергонезависимой памяти. В свою
очередь, он получает управляющие сигналы от блока индикации и управления.
При воспроизведении голоса происходит выборка кодовых отсчетов из
энергонезависимой памяти и подача их на ЦАП, где и происходит их
преобразование в аналоговый сигнал.
Блок выходных цепей обеспечивает усиление выходного сигнала и
ограничение верхней частоты выходного сигнала до 4 кГц, для того чтобы
избавиться от высокочастотных гармоник в выходном сигнале, появляющихся при
квантовании.
Блок питания необходим для обеспечения питания всех блоков диктофона.
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ
В качестве устройства управления выбран микроконтроллер RISC-
архитектуры серии AVR фирмы Atmel AT90S8535. Он обладает встроенной памятью
программ объемом 4096 слов и памятью данных 512 байт. Любая его команда
выполняется за 1 такт процессора. Тактовая частота 8 МГц .
На выполнение процессором программного кода для обработки и записи
отсчетов, полученных от АЦП, потребуется до 20 мс, так что выбранный
процессор вполне удовлетворяет требованию скорости работы и успевает
обработать всю необходимую информацию.
Обеспечение протокола работы с памятью организуется тем же процессором
программно - аппаратными методами, так как в микроконтроллере имеется
аппаратная поддержка протокола SPI.
Для хранения записываемой информации выбрана FLASH ПЗУ AT45DB32 фирмы
Atmel, объемом 32Мб.
AT90S8535 Description
The AT90S8535 is a low-power CMOS 8-bit microcontroller based on the AVR
RISC architecture. By executing powerful instructions in a single clock
cycle, the AT90S8535 achieves throughputs approaching 1 MIPS per MHz
allowing the system designer to optimize power consumption versus
processing speed.
Features
• AVR® – High-performance and Low-power RISC Architecture
– 118 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution
– 32 x 8 General-purpose Working Registers
– Up to 8 MIPS Throughput at 8 MHz
• Data and Nonvolatile Program Memories
– 8K Bytes of In-System Programmable Flash SPI Serial Interface for In-
System Programming Endurance: 1,000 Write/Erase Cycles
– 512 Bytes EEPROM Endurance: 100,000 Write/Erase Cycles
– 512 Bytes Internal SRAM
– Programming Lock for Software Security
• Peripheral Features
– 8-channel, 10-bit ADC
– Programmable UART
– Master/Slave SPI Serial Interface
– Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescaler and Compare Mode
– One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare and Capture
Modes and Dual 8-, 9-, or 10-bit PWM
– Programmable Watchdog Timer with On-chip Oscillator
– On-chip Analog Comparator
• Special Microcontroller Features
– Power-on Reset Circuit
– Real-time Clock (RTC) with Separate Oscillator and Counter Mode
– External and Internal Interrupt Sources
– Three Sleep Modes: Idle, Power Save and Power-down
• Power Consumption at 4 MHz, 3V, 20°C
– Active: 6.4 mA
– Idle Mode: 1.9 mA
– Power-down Mode: <1 µA
• I/O and Packages
– 32 Programmable I/O Lines
– 40-lead PDIP, 44-lead PLCC, 44-lead TQFP, and 44-pad MLF
• Operating Voltages
– VCC: 4.0 - 6.0V AT90S8535
– VCC: 2.7 - 6.0V AT90LS8535
• Speed Grades:
– 0 - 8 MHz for the AT90S8535
– 0 - 4 MHz for the AT90LS8535
Pin Descriptions
VCC Digital supply voltage.
GND Digital ground.
Port A (PA7..PA0) Port A is an 8-bit bi-directional I/O port. Port pins can
provide internal pull-up resistors (selected for each bit). The Port A
output buffers can sink 20 mA and can drive LED displays directly. When
pins PA0 to PA7 are used as inputs and are externally pulled low, they will
source current if the internal pull-up resistors are activated. Port A also
serves as the analog inputs to the A/D Converter. The Port A pins are tri-
stated when a reset condition becomes active, even if the clock is
not running.
Port B (PB7..PB0) Port B is an 8-bit bi-directional I/O port with internal
pull-up resistors. The Port B output buffers can sink 20 mA. As inputs,
Port B pins that are externally pulled low will source current if the pull-
up resistors are activated. Port B also serves the functions of various
special features of the AT90S8535 as listed on page 74. The Port B pins are
tri-stated when a reset condition becomes active, even if the clock is not
running.
Port C (PC7..PC0) Port C is an 8-bit bi-directional I/O port with internal
pull-up resistors. The Port C output buffers can sink 20 mA. As inputs,
Port C pins that are externally pulled low will source current if the pull-
up resistors are activated. Two Port C pins can alternatively be used as
oscillator for Timer/Counter2. The Port C pins are tri-stated when a reset
condition becomes active, even if the clock is not running.
Port D (PD7..PD0) Port D is an 8-bit bi-directional I/O port with internal
pull-up resistors. The Port D output buffers can sink 20 mA. As inputs,
Port D pins that are externally pulled low will source current if the pull-
up resistors are activated. Port D also serves the functions of various
special features of the AT90S8535 as listed on page 83. The Port D pins are
tri-stated when a reset condition becomes active, even if the clock is not
running.
RESET Reset input. An external reset is generated by a low level on the
RESET pin. Reset pulses longer than 50 ns will generate a reset, even if
the clock is not running. Shorter pulses are not guaranteed to generate a
reset.
XTAL1 Input to the inverting oscillator amplifier and input to the internal
clock operating circuit.
XTAL2 Output from the inverting oscillator amplifier.
AVCC AVCC is the supply voltage pin for Port A and the A/D Converter. If
the ADC is not used, this pin must be connected to VCC. If the ADC is used,
this pin must be connected to VCC via a low-pass filter. See page 65 for
details on operation of the ADC.
AREF AREF is the analog reference input for the A/D Converter. For ADC
operations, a voltage in the range 2V to AVCC must be applied to this pin.
AGND Analog ground. If the board has a separate analog ground plane, this
pin should be connected to this ground plane. Otherwise, connect to GND.
AT45DB32 Description
The AT45DB321 is a serial-interface Flash memory suitable for in-system
reprogramming. Its 34,603,008 bits of memory are organized as 8192 pages of
528 bytes each. In addition to the main memory, the AT45DB321 also contains
two SRAM data buffers of 528 bytes each. The buffers allow receiving of
data while a page in the main memory is being reprogrammed
Features
• Serial-interface Architecture
• Page Program Operation
– Single Cycle Reprogram (Erase and Program)
– 8192 Pages (528 Bytes/Page) Main Memory
• Optional Page and Block Erase Operations
• Two 528-byte SRAM Data Buffers – Allows Receiving of Data while
Reprogramming of Nonvolatile Memory
• Internal Program and Control Timer
• Fast Page Program Time – 7 ms Typical
• 120 µs Typical Page to Buffer Transfer Time
• Low-power Dissipation
– 4 mA Active Read Current Typical
– 3 µA CMOS Standby Current Typical
• 13 MHz Max Clock Frequency
• Hardware Data Protection Feature
• Serial Peripheral Interface (SPI) Compatible – Modes 0 and 3
• CMOS and TTL Compatible Inputs and Outputs
• Commercial and Industrial Temperature Ranges
Pin Name Function
CS Chip Select
SCK Serial Clock
SI Serial Input
SO Serial Output
WP Hardware Page Write Protect Pin
RESET Chip Reset
RDY/BUSY Ready/Busy
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Устройство состоит из следующих элементов: контроллер на базе
микропроцессора, выполняющий функции управления устройством. В состав MC
также входят АЦП и ЦАП, поэтому микроконтроллер также выполняет функции
оцифровывания аналогового сигнала и преобразования цифровых кодов в
аналоговый сигнал. Усилители U1 и U2 предназначены для усиления аналоговых
сигналов и ограничения верхних граничных частот этих сигналов до 4 кГц.
Микрофон и динамик предназначены соответственно для ввода и воспроизведения
голосовой информации. Генератор опорного напряжения U3 формирует опорное
напряжение для встроенного АЦП микроконтроллера MC. Тактовый генератор G
предназначен для тактирования всех внутренних схем микроконтроллера.
Энергонезависимая память RAM предназначена для хранения всей записываемой
голосовой информации. Блок клавиатуры KBD предназначен для управления
режимами устройства. Блок индикации LED предназначен для индикации режимов
работы устройства.
Входной сигнал с микрофона поступает на усилитель-фильтр U1, где он
усиливается до размаха в несколько вольт и ограничивается верхней частотой
до 4 кГц. С выхода усилителя-фильтра U1 сигнал поступает на вход
встроенного АЦП AD0. Обработанный сигнал программно записывается в RAM по
линиям, предусмотренным протоколом SPI (рис.5).
[pic]
Рис.5. Запись в память.
После окончания записи сигнал может быть прочитан из памяти
микроконтроллером (рис.6).
[pic]
Рис.6. Чтение из памяти.
Микропроцессор MС выдает через встроенный ЦАП сигналы на усилитель-
фильтр U2, где они усиливаются и ограничиваются по верхней частоте до 4
кГц. В качестве ЦАП в микроконтроллере работает встроенный широтно-
импульсный модулятор, который с помощью дифференцирующих сигналов и
интегрирующей цепи может восстановить форму исходного сигнала.
[pic]
Рис.7. Восстановление сигнала при помощи широтно-импульсной
модуляции.
Отображение режимов работы устройства производят светоизлучающие диоды LED
при высоком уровне сигнала на соответствующем выходе микроконтроллера.
|
