论文总字数：29536字

摘 要

人机用语言进行相互交流，是人类长期的梦想。在提高工业系统，计算机系统智能化水平时，最好的信息交换的手段就是人机用语言对话，而人机语言对话的关键就是语言信号采集。本文介绍了一种以ARM为核心控制单元的数字化语音存储与回放系统的组成以及系统软硬件的设计。该系统的基本原理是对语音信号的录制和回放的数字化控制。

该系统用ARM作为核心控制单元，用拾音器进行语音采集，而采集到的语音信号将会转变成电信号，将其用运放电路放大，并通过二阶带通滤波器进行滤波，用STM32自带ADC进行模数转换，并通过DAC进行数模转换，再通过功率放大电路进行放大播放；并通过STM32的串口与个人电脑连接，之后将采集到的语音在PC机上将其波形显示出来。

关键词：ARM 语音采集 模数转换 数字化存储 回放

Design of voice signal acquisition system based on ARM

Abstract

The man-machine communication with language, it is a dream for many years. In the improvement of industrial system, the level of intelligent computer system, the means of human-computer dialogue language exchange is the best information, and the key is "dialogue man-machine language is the language of signal acquisition. This paper introduces a kind of digital voice storage and playback system with ARM as the core control unit of the system and the composition of the hardware and software design. The basic principle of the system is the digital control of the voice signal recording and playback.

This system uses ARM as the core control unit, voice acquisition and speech signal pickup, will be collected into electrical signals, the amplifier amplification, and through the two order band-pass filter, analog-to-digital conversion comes with STM32 ADC, and through DAC digital analog conversion, and then through the power amplifier the circuit amplifies the play; and through the STM32 serial connection with personal computer, after the speech collected in the PC machine on the waveform display.

Keywords: ARM; Speech acquisition; Analog to digital conversion; Digital storage; Playback

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 语音采集的内容和现状 1

1.2.1 语音采集的内容 1

1.2.2 语音采集的现状 2

1.3 论文的结构安排 2

第二章 系统总体方案设计 4

2.1 系统方案论证 4

2.2 总体方案设计 4

第三章 系统硬件设计 6

3.1 拾音器 6

3.2 放大器的设计 6

3.2.1 前置增益放大器 6

3.2.2 输出功率放大器 9

3.3 滤波器设计 9

3.3.1 滤波器介绍 9

3.3.2 语音滤波器 10

3.4 ARM选型 13

3.4.1 STM32介绍 14

3.4.2 ADC介绍 15

3.4.3 DMA介绍 18

3.4.4 DAC介绍 19

3.4.5 存储器选取 22

3.4.6 键盘电路 22

3.4.7 串口介绍 22

第四章 系统软件设计 25

4.1 嵌入式编程软件MDK5 25

4.2 硬件电路设计软件Protel 99SE 25

4.3 电路仿真软件Multisim 26

4.4 软件程序设计 26

4.4.1 程序总体设计 26

4.4.2 子程序设计 27

4.5 采集语音的波形频谱显示 28

第五章 总结和期望 30

5.1本文所做工作总结 30

5.2 进一步的研究工作 30

参考文献 31

致 谢 32

附 录 33

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

在过去的几年里，伴随着科学技术的发展，嵌入式技术的利用及推广也获得极大的发展。数据采集作为这当中一项最为实用的技术，广泛地应用于检测、测量、诊断、控制、科学试验等各个行业^[1]。

语音采集作为信息科学中的一个重要分支，在商业应用和第三产业应用等方面有着不俗的表现。如今电子产品越来越深入到人们日常生活方方面面，例如，MP3、VCD、手机、数字电视、智能家居等，数字化产品已经成为人们日常生活中的一部分，语音信号的采集作为其中一个重要的课题已越来越受到研究者的重视。语音采集得到了空前的利用及推广，在工业自动化控制领域、公安系统领域、军事领域、司法鉴定领域、人工智能领域、加密通讯领域和高科技第五代计算机领域都有着极其普遍的应用。它和多种其他学科的研究也有很多交叉的联系，这些学科在其领域的发展也是推动语音采集技术发展的相当重要因素^[2]。因此，研究语音采集的意义重大。

本文针对语音采集进行研究，研究以ARM为中心的语音采集系统的设计。

1.2 语音采集的内容和现状

1.2.1 语音采集的内容

语音采集就是对外界语音信号的进行采集，经A/D转换、信号编码，将数据实时传输给数据存储器；随时读出数据存储器中的语音数据，并经解码处理、D/A转换，播放出模拟的语音信号。

要使语音信号转变成数字信号，就要先采集到语音信号，即要对语音信号进行采样和量化，得到在幅度及时间上都是离散的数字信号。采样是将语音信号在时间上进行离散化处理的过程，采样时需满足奈奎斯特采样定理，这样对语音信号的采样才是有效的采样。对语音信号进行采样时，要注意采样间隔的设定及相关语音信号的混淆，对语音信号进行采集时，最为重要的就是确定采样间隔。一般情况下，采样频率越高，采样点数就越加密集，得到的离散信号就越接近于原始的语音信号。但采样频率也不能过高，对固定长度的语音信号而言，采集过多的语音数据，会给处理器带来很多不必要的工作量，而且这些数据也占用许多存储空间；若对数据量进行限定，采样时间又会过少，从而使一些数据被排斥在外。采样频率过低，采样点间隔的距离又会太远，从而使离散信号不足，无法还原语音信号的主要特征， 从而导致语音信号无法复原，就会出现信号混乱的现象。根据采样定理，可将采样频率设置成大于语音信号的两倍带宽，这样进行采样，丢失信息的情况就不会出现。对幅度进行离散称为量化，即用编码量化的方式将信号的振动幅度给以表现，量化的电平主要跟随级数来改变，而实际振动值是一个连续物理量^[3]。

1.2.2 语音采集的现状

语音采集是一个极其重要的研究方向，人类对它的研究也已经有了数百年的历史。但谈及它的真正快速发展，应该是从二十世纪四十年代左右达德利发明的声码器和波特等人研究的可见语音开始。

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