基于Arduino Mega2560平台的无线语音录放系统的设计

长春工程学院 王秀艳

国家电网长春供电公司 王洪凯

雅砻江公司二滩水力发电厂 王秀梅

长春工程学院 晋汉林

基于Arduino Mega2560平台的无线语音录放系统的设计

长春工程学院 王秀艳

国家电网长春供电公司 王洪凯

雅砻江公司二滩水力发电厂 王秀梅

长春工程学院 晋汉林

本文论述了一种无线语音录放系统的设计过程，包括硬件电路构成及软件编译。本系统依托Arduino技术平台，以其Mega2560型号电路板作为中央处理单元，采用ISD1760芯片作为语音录放单元，通过NRF24L01模块电路进行无线对接，可在SPI协议下实现语音无线录放功能。该系统信息存储量大，接口丰富，灵活方便，快捷高效，音质好，具备良好扩展性，适用范围广。

语音录放；Arduino；ISD1760芯片；串行通信协议

Key_words: Audio Record- play；Arduino；ISD 1760 chip；Series communication

语音录放电路在电子产品中用途广泛，生活工作中随处可见，可应用于报警、铃声、复读、人机语音应答对话等各个方面，但传统语音电路的设计十分复杂，开发工具较为昂贵。近年来，随着模拟存储语音技术的ISD芯片的出现和发展，语音录制、播放设计难度及软件编译的工作量降低了，同时语音音质有所提高。下面以Arduino平台为核心设计一种方便快捷高效的语音录放系统，主要由硬件电路搭建和软件编译两部分构成。

1　系统硬件电路设计构成

系统主要由中央控制器、语音模块、通信模块等构成，系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构框图

1.1系统中央处理单元

Arduino于2005年由一个欧洲团队开发，它包含多种型号的电路板和Arduino IDE编译软件，是一款开源电子原型平台。本设计采用Arduino Mega2560型号电路板作为该语音录放系统中央处理单元，其核心器件是Atmega2560芯片。它具有256KB存储容量，多达54路数字输入输出端口，包括 PWM输出、UART、ICSP header、USB、电源等接口，以及16MHz晶体振荡器，并具备过流保护功能。丰富的接口和强大的功能特别适合需要大量IO接口的设计，采用该电路板利于本语音录放系统外扩应用于其它电路中，实现更多功能，如报警电路等。

1.2语音录放单元部分

采用ISD1760芯片作为语音录放芯片。ISD1760是Winbond推出的单片优质语音录放电路，音质好，电压范围宽，应用灵活，可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年。芯片内部包含有麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、自动增益控制、振荡器与内存等的多方位整合系统功能及内置多信息管理系统，并可以根据需求定制信息操作指示音效。ISD1760芯片具备独立及嵌入式双运作模式，多种采样频率对应多种录放时间，可处理多达255 段以上信息，功能强大。

1.3无线传输单元

采用NRF24L01芯片作为传输模块，建立主控制器和语音模块之间无线通信。NRF24L01是一款工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：晶体振荡器、调制器和解调器、频率发生器、SchockBurst增强型模式控制器及功率放大器。NRF24L01可以连接到大多数型号单片机芯片上，并完成无线数据传送工作，通过其SPI 接口进行输出功率频道选择和通信协议的设置，电流消耗极低。

2　系统软件编译

Arduino是开源的，它的烧录程序可从官网或其他参考资料中获得帮助，但就本系统而言，依据具体硬件电路结构及端口配置下要实现语无线音录放功能，仍需制定通讯协议并自行编译软件。ATmega2560芯片内已经预置了bootloader程序，本系统通过ICSP header接口将软件编译程序直接下载到Arduino Mega2560电路板中。

2.1通信协议

SPI(Serial Peripheral Interface) 是由美国摩托罗拉公司推出的一种同步串行传输规范。SPI 可以用全双工通信方式同时发送和接收 8/16位数据，在芯片的管脚上只占用四根线，节约了资源，同时为PCB的布局上节省空间。该语音录放系统核心主要部件都集成了这种协议或具备相应接口, 这为采用SPI串行通信传输协议了提供便利条件，简单易行。

图2　程序流程图

2.2程序编译

程序的编译主要包括无线通信和语音录放部分。用两块NRF24L01无线通信模块分别作为信号的发送和接收端，连接在主机中央管理单元和从机语音录放电路中。确定好各部件之间连接及端口对应关系后，NRF24L01芯片分别设置为发送模式和接收模式。语音录放部分是将Arduino Mega2560的指令发送到ISD1760芯片，控制其工作状态，并将语音电路信息反馈回控制单元尽行处理，这部分主要通过键盘扫描的处理和当前状态的判断来实现。系统通过键盘扫描按键操作过程，检测按下去的什么键值来判断当前状态, 并就录音、放音、停止、删除等状态进行实时判断和控制，其程序流程图如图2所示。

3　系统实施及注意事项

系统设计和实施流程为：制定总体方案-用Altium Designer软件设计PCB图-印制电路板制作－焊接-软件编译-系统统调。Arduino Mega2560通过SPI串行总线与ISD1760通信，传输SPI指令，配置其内部寄存器，实现语音录放。ISD1760作为SPI从机，几乎所有的按键操作都可以通过这些SPI指令来实现。但在设计、调试中仍有可能会遇到问题需要注意。

（1）语音地址长度推算

以ISD1760语音芯片采样率为8K时为例，一共可播放60S的语音。

算法一：开始地址为：S0-S10，结束地址为：E0-E10，这样算下来地址就是：0X7FF=2047，从0-2047为2048个字节，采样频率为8K，即每个字节就是125mS，125mS*2048=256S，但实际的录音时长为60S，所以这是错误的。

算法二：最大地址为0X1EF，录音实际地址为0X10-0X1EF，则最大地址为：0X1EF-0X10=0X1DF=479。479+1=480个字节，480*125mS=60S，即采样率为8K时，每1个地址的最小语音长度为125mS。故此知道单个语音的长度，可自行推断出每个语音所占的地址长度，此为正确算法。

（2）硬件电路部分

首先Arduino Mega2560电路板丝印层上并没有注明SPI接口，其引脚接口对应关系为：50引脚-MISO，51引脚-MOSI，52引脚-SCK，53引脚-SS。其次板载ICSP接口也是串行通信接口，它是兼容SPI的，也可用此接口，但要注意线序。再次，Arduino Mega2560提供了自动复位设计，可以通过主机复位，不需要复位按钮的话，可在Altium Designer设计PCB图时，将印制板上丝印“RESET EN”处可使能或禁止该功能。此外，ISD1760的参考资料手册中，设计上复位脚直接了个0.1uF到地，没有上拉电阻构成阻容复位，同时容易受到干扰意外复位。为了防止单片机IO口状态不稳定，可在主控单元与ISD芯片间加一个反向器74HC04，这样可起到隔离作用。

（3）音源输入方式

语音音源可以通过麦克录入，也可以是事先录制好的一段语音或者歌曲等数字信号。ISD1760芯片录入的是模拟信号时，用按键方式或SPI指令启动录音后，通过MIC管脚和LIN管脚输入语音。如果不用麦录，而是MP3等格式数字信号文件做音源，通过电脑或其他方式播放出来，输出端不要接喇叭，而是要通过一个104电容，再连接到第9脚-LIN管脚上。

（4）SPI模式下播放问题

如果语音电路在独立模式下可以播放，但在SPI模式下不能正常播放，一般来说芯片应该没什么问题，此时检查下扬声器连接的是SP+/-还是AUD/AUX+功放输出。ISD1760芯片内部的APC寄存器的默认值是0X0440，即表示PWM和AUD输出是使能的。如果功放电路只有在AUX输出时才是正常的，则必须把APC的设置为0X04C0以打开AUX输出，避免主控单元的单片机正常，而ISD1760的复位键关闭了AUX。

[1]谷树忠,耿晓中,王秀艳编著.Altium Designer实用教程—原理图、PCB设计与信号完整性分析[M].电子工业出版社,2015,10.

[2]林海波,王秀艳主编.电子工艺实训基础[M].中国电力出版社,2009,7.

[3]艾学忠主编.单片机原理及接口技术[M].机械工业出版社,2012,8.

[4]陈吕洲编著.Arduino程序设计基础[M].北京航空航天大学出版社,2015.

The design process of a wireless Audio record-pay system is introduced in this paper. This system includes hardware circuit and software compiling. Arduino is its techniqneplatform,Mega2560 is its CPU.ISD1760 is its record-pay unit. It can implement sound’s wireless record-play function with SPI proscal through NRF240L01.IT is detected that this system have such advatages an much information storage, multi-interface, fexibility, effciency and good quality.

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目，项目编号：吉教科合字（2014）第539号国家级“大学生创新创业训练计划”项目，项目编号：201611437040。

王秀艳（1972—），女，硕士，实验师，出版教材3部。