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: >3);
while (!(SPSR & temp)); // ожидание завершения передачи
SPDR = (char)(block_counter8); // не важно + первые два бита буфера адреса
while (!(SPSR & temp)); // ожидание завершения передачи
SPDR = (char)buffer_counter; // буфер адреса (макс. 2^8 = 256 страниц)
while (!(SPSR & temp)); // ожидание завершения передачи
SPDR = flash_data; // запись данных в регистр данных SPI
while (!(SPSR & temp)); // ожидание завершения передачи
PORTB |= DF_CHIP_SELECT; // выключение DataFlash
buffer_counter++;
if (buffer_counter > 528) // если буфер заполнен, то его содержимое записывается в страницу памяти
{
buffer_counter = 0;
if (page_counter
{
PORTB &= ~DF_CHIP_SELECT; // включить DataFlash
SPDR = B1_TO_MM_PAGE_PROG_WITHOUT_ERASE; // записать
данные из буфера 1 в страницу
while (!(SPSR & temp)); // ожидание завершения передачи
SPDR = (char)(page_counter>>6);
while (!(SPSR & temp)); // ожидание завершения передачи
SPDR = (char)(page_counter 6);
while (!(SPSR & temp)); // ожидаем завершения передачи
SPDR = (char)(page_counter