醫(yī)用電子電路設(shè)計及應(yīng)用

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醫(yī)用電子電路設(shè)計及應(yīng)用范文第1篇

【關(guān)鍵詞】單片機；信號發(fā)生器；語音信息；語音信號

引言

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

一、信號發(fā)生器概述

1.1　信號發(fā)生器的發(fā)展

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

1.2單片機原理

單片機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　隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O　口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、實現(xiàn)模塊化等特點，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)計與分析

2.1　工作原理

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

2.2　實現(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，顯示輸出信號的類型和頻率。

（2）通過P1.0和P1.1口控制信號的輸入類型。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）輸出信號幅度：0～5V。

（4）信號頻率范圍要求：1—1KHZ。

2.3.硬件電路設(shè)計與分析

好的硬件電路既能簡化繁瑣的程序，又能提高實驗的成功率，是設(shè)計實驗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，它具有如下特點：（1）有可供用戶使用的大量I/O口線。（2）內(nèi)部存儲器容量有限。（3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。用89C52單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可。其中，在設(shè)計時鐘電路時，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，三角波、正弦波、方波等波中每一點延時時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間即可得到指定頻率的波形。在設(shè)計復(fù)位電路時，復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，作用是用來抑制噪聲。在每個機器周期的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。

2.3.2鍵盤接口電路

本設(shè)計采用一般的鍵盤接口，鍵盤輸出信號。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芯片與單片機硬件接口設(shè)計

由于用示波器顯示波形，所以需要一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，將單片機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。此設(shè)計采用DAC0832轉(zhuǎn)換器。由于此芯片是電流輸出，為了變成電壓輸出，我們在其后加上一個運算放大器OP07。

2.3.4　LED顯示電路

設(shè)計采用LED共陰極數(shù)碼管顯示電路。當(dāng)某個驅(qū)動電路輸出端為低電平時，相應(yīng)的那位點亮，從而顯示出波形的種類和信號的頻率，在按鍵時顯示出相關(guān)信息。添加74LHC573鎖存器是為了增加顯示的準(zhǔn)確性。

三、語音信息系統(tǒng)主要芯片介紹

單片機作為一種集成電路芯片，是通過采用各種超大規(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)計算能力的中央處理器、隨機處理器以及定時器等終端系統(tǒng)和功能集成到一個完整的硅片之中形成一個完善而又系統(tǒng)化的微型計算機系統(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。伴隨著社會的進(jìn)步，單片機呈現(xiàn)出其頑強的生命力，以高速發(fā)展的優(yōu)勢迅速的應(yīng)用在各個信息處理之中。

3.1　ISD4OO4芯片介紹

ISD4OO4語音芯片采用C14OS技術(shù)，通過在內(nèi)部裝置韓警惕的振蕩器和防混疊過濾器等方式來擴大存儲器容量，增加計算效率和準(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)計中不但能夠節(jié)約設(shè)計消耗時間，同時能夠避免設(shè)計中其他元件的增多。

在目前ISD公司的單片機構(gòu)成中主要是通過信號輸入系統(tǒng)、信號輸出部分、存儲系統(tǒng)、采樣時鐘部分和SPI部分六部分構(gòu)成。其在構(gòu)成中信號輸入部分—音頻信號放大器和五極點抗混疊濾波器：而信號輸出部分在控制的過程中是通過平滑過濾器和自動靜噪處理器來實現(xiàn)的。存儲部—非易失性多電平模擬存儲陣列；采樣時鐘部分一內(nèi)部時鐘振蕩器和調(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是一個低電壓，高性能CMOS　8位單片機，片內(nèi)含8k　bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256　bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。芯片內(nèi)含有8KB快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術(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編程器對程序存儲器重復(fù)編程。

四、語音信息系統(tǒng)設(shè)計方案

ISD器件在錄音存儲操作之前，要對信號作調(diào)整。首先將輸入信號放大到存儲電路動態(tài)范圍要求的最佳電平，這主要由內(nèi)部放大器來完成。放大后的信號進(jìn)入五級抗混疊濾波器進(jìn)行調(diào)整。模擬信號的存儲采用采樣技術(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，濾波器是一個連接時間五極點的低通濾波器。錄音時，輸入信號通過模擬收發(fā)器寫入模擬多電平存儲陣列中。將采樣信號經(jīng)過電平移位生成非易失性寫入過程所需要的電壓。采樣時鐘同時用于存儲陣列的地址譯碼，以便將采樣信號順序地寫入存儲陣列中。放音時，錄入的模擬電壓在同一采樣時鐘的控制下順序地從存儲陣列中讀出，重構(gòu)原來的采樣波形，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內(nèi)部溫度補償?shù)幕鶞?zhǔn)振蕩器來控制，這個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。平滑濾波后的信號經(jīng)過自動靜噪處理傳送入放大器作為輸出音頻功放的輸入信號，推動揚聲器。

4.1語音輸出電路

LW386是一種集成音頻功放，同時其中具有著自身功能消耗低，電壓的增長穩(wěn)定，對電源電壓的控制范圍較為合理，單片機在應(yīng)用的時候失真效率和要求較低。盡管LM386的應(yīng)用非常簡單，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）都會帶來的瞬態(tài)沖擊，在輸出喇叭上會產(chǎn)生噪聲。

4.2錄音電路

ISD器件采用錄音時間為8分鐘的ISD4OO4-8器件，以單片機AT89C52為微控制器，外接語音段錄放控制鍵盤和LED顯示器，外部存儲器24CO2用于保存各語音段首地址及總語音段數(shù)，為了改善語音量，要提高輸入端信噪比，因此在ISD語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：單片機的控制部分、放音部分和顯示部分。本文的控制部分主要由單片機89C52構(gòu)成，包含必要的按鍵電路、復(fù)位電路和看門狗電路等電路，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，并點亮相應(yīng)的指示燈。自動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，開始放音。

五、結(jié)束語

本文信號發(fā)生器只是一種可能實現(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，整機自動化程度高，性能優(yōu)良，具有很高的實用價值。

在傳統(tǒng)的語音錄放過程中，語音信號要經(jīng)過設(shè)備豹接受后再轉(zhuǎn)化為模擬電信號，遙過前置放大器把語音信號放大，通過帶通濾波之后。去掉多余的干擾，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，控制器對其進(jìn)行處理和存儲。之后再由D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，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音處理芯片ISD4OO4。通過對ISD4OO4語音芯片的簡單介紹，熟悉了ISD4OO4的基本應(yīng)用。通過對基于單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了語音的錄入和播放。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)計實現(xiàn)了錄音和放音。此系統(tǒng)設(shè)計靈活，成本低，語音器件抗干擾性強，應(yīng)用效果良好。

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