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摘要：本文主要介绍一种语音电路的设计优化与应用。主控芯片将语音数据从FLASH读出并缓存，再通过语音运放模块将语音进行播放出来。对语音输入和输出电路的优化，可大大增加数据传输的准确性，并保证语音能真实还原。
关键词：语音电路；FLASH；运放
Abstract：This paper mainly introduces the design optimization and application of a voice circuit. The main control chip reads out and caches the voice data from FLASH，and then plays the voice through the voice operational amplifier module. Optimizing the input and output circuits of voice can greatly increase the accuracy of data transmission and ensure the real restoration of voice.
Keywords：speech circuit；FLASH；operational amplifier
引言
随着各种电子产品、家电产品的发展，电子电路要实现的功能越来越多样化，越来越多产品都会加上语音功能来实现更加智能化的人机交互。目前很多成本低的语音电路由于设计的局限，在读取语音数据时可能会失真，在播放语音时可能会存在一些细微杂音，所以目前很多语音电路在实际应用中都还有很大的优化空间。
因此，为了让语音电路更准确、无失真的实现语音播放功能，需要结合电路原理对语音电路的数据传输经行分析，作进一步的电路优化。语音数据在传输的过程中无失真、抗干扰性强，将是语音电路设计与优化的关键。
1 语音电路方案设计
语音电路方案设计，大致可分为3个部分：存储FLASH电路、主控芯片电路和数据转换放大电路，如图1所示。将语音内容转化为二进制文件先存放在FLASH里面，播放语音时，主控芯片需要将FLASH中的数据读取出来，在主控芯片里作转换和缓存，然后通过语音运放模块将语音进行播放出来。
语音在FLASH中存储是以每一首语音的二进制文件首尾相邻放在一起。按顺序编号。第一首语音编号为0，第二首语音编号为1，按顺序累加，直至最后一首。把每一首语音在FLASH里面的结束地址记录下来，以表格方式存放在主控芯片的ROM中。当主控芯片需要播放某一语音时，按对应语音的序号，从存储FLASH里面读出相应地址段的数据，在主控芯片内作临时换成，然后转换成相应的PWM，通过语音放大电路把语音播放出来。
语音源文件的采样频率在10kHz-23kHz，都可以还原出一个较好的音质。不过采样频率高，存储FLASH的容量要求就大。推荐使用22kHz的语音采样频率。确定了语音的采样频率，就可以确定单片机的播放频率。
利用FLASH来存储语音数据最大的好处就是能够储存比较多的语音内容。利用上述的语音播放原理，软件上可以对语音内容的多少进行进一步的扩容。方法是所有语音不以整句话或者整段话来存放，而是以很多不同词组的形式来存放。主控芯片在读取数据时，根据想要播放的语句，按顺序提取FLASH里面的词组内容，按顺序组合成语音内容来播放。按这样的方式，用一定数量的词组，就能组合成很多条语句内容。
2 电路方案优化与应用
想要还原出的语音不失真、没有杂音，在实际的电路板调试中要通过多个维度去对方案进行优化。优化的语音FLASH电路和语音运放电路如图2和图3所示，使用的语音存储芯片：GD25Q64，运放芯片为：LM4871。
具体电路上的优化有以下几点：
1）主控芯片输出PWM时，因为关系到语音音质。要求高电平特别稳定。不能有波动。否则就会有吱吱的声音。因为+5V电压要做很多的工作，导致电压不是很稳定。因而将PWM输出高电压转换成3.3V，可以提升语音音质，消除语音抖动。
2）在干扰测试条件下，往往能发现从FLASH输入到主控芯片的数据会随机出错，容易造成语音失真或有杂音。按照大电容滤除高频中低频信号，小电容滤除低频中的高频信号的理论，可以在主控芯片和FLASH的几个数据IO口上添加小电容滤波。
在加入小电容后，在IO端口外形成了一個 RC 的充放电路，易造成信号的上升和下降的时间变长。并且上升沿和下降沿的斜率变小。所以在实际应用中，要测试端口的数据波形，看端口输出的高电平和低电平能否满足芯片规格书的要求，在不能满足时要适当再减少电阻或者电容的值，使RC的充放电时间变短。
3）主控芯片I/O为5V而Flash I/O为3.3V，在进一步优化时可考虑在主控芯片和FLASH之间连接的几个数据I/O上使用肖特基二极管来降压。
4）为增加电路的抗干扰能力，PCB布板上应遵循：运放PWM端口与主控芯片距离足够近，FLASH芯片走线靠近主控芯片，FLASH芯片与主控芯片的GND分开走线，GND线和电源线需经过电容滤波后才到达各芯片。
5）将电路分成3部分模块化后，移植和扩容非常方便。FLASH电路和语音运放电路可运用到各种不同的单片机芯片上。FLASH的大小选型可根据语音内容大小而定，主控芯片的软件和硬件接口都不需更改。
3 结论
本文给出了一种语音电路的方案设计并讲述了具体优化与应用，此方案可存储和播放的语音内容多，便于移植和扩容，抗干扰性强，能保证主控芯片在读取语音数据的准确性，能保证在播放语音时信号不受干扰、语音不失真。相比传统语音电路设计来说无疑是极具创新的，推广性强，非常适合中小型电子产品或小家电领域使用。
参考文献：
[1]李江全.单片机通信与控制应用编程实例[M].中国电力出版社，2012：126-192.
[2]蔡良伟.数字电路与逻辑设计（第三版）[M].西安电子科技大学出版社，2014：106-128.
[3]康华光.电子技术基础-模拟部分（第五版）[M].高等教育出版社，2006：326-337.
作者简介：
麦广添（1990-），男，电控工程师，主要从事小家电应用开发研究工作。
关键词：语音电路；FLASH；运放
Abstract：This paper mainly introduces the design optimization and application of a voice circuit. The main control chip reads out and caches the voice data from FLASH，and then plays the voice through the voice operational amplifier module. Optimizing the input and output circuits of voice can greatly increase the accuracy of data transmission and ensure the real restoration of voice.
Keywords：speech circuit；FLASH；operational amplifier
引言
随着各种电子产品、家电产品的发展，电子电路要实现的功能越来越多样化，越来越多产品都会加上语音功能来实现更加智能化的人机交互。目前很多成本低的语音电路由于设计的局限，在读取语音数据时可能会失真，在播放语音时可能会存在一些细微杂音，所以目前很多语音电路在实际应用中都还有很大的优化空间。
因此，为了让语音电路更准确、无失真的实现语音播放功能，需要结合电路原理对语音电路的数据传输经行分析，作进一步的电路优化。语音数据在传输的过程中无失真、抗干扰性强，将是语音电路设计与优化的关键。
1 语音电路方案设计
语音电路方案设计，大致可分为3个部分：存储FLASH电路、主控芯片电路和数据转换放大电路，如图1所示。将语音内容转化为二进制文件先存放在FLASH里面，播放语音时，主控芯片需要将FLASH中的数据读取出来，在主控芯片里作转换和缓存，然后通过语音运放模块将语音进行播放出来。
语音在FLASH中存储是以每一首语音的二进制文件首尾相邻放在一起。按顺序编号。第一首语音编号为0，第二首语音编号为1，按顺序累加，直至最后一首。把每一首语音在FLASH里面的结束地址记录下来，以表格方式存放在主控芯片的ROM中。当主控芯片需要播放某一语音时，按对应语音的序号，从存储FLASH里面读出相应地址段的数据，在主控芯片内作临时换成，然后转换成相应的PWM，通过语音放大电路把语音播放出来。
语音源文件的采样频率在10kHz-23kHz，都可以还原出一个较好的音质。不过采样频率高，存储FLASH的容量要求就大。推荐使用22kHz的语音采样频率。确定了语音的采样频率，就可以确定单片机的播放频率。
利用FLASH来存储语音数据最大的好处就是能够储存比较多的语音内容。利用上述的语音播放原理，软件上可以对语音内容的多少进行进一步的扩容。方法是所有语音不以整句话或者整段话来存放，而是以很多不同词组的形式来存放。主控芯片在读取数据时，根据想要播放的语句，按顺序提取FLASH里面的词组内容，按顺序组合成语音内容来播放。按这样的方式，用一定数量的词组，就能组合成很多条语句内容。
2 电路方案优化与应用
想要还原出的语音不失真、没有杂音，在实际的电路板调试中要通过多个维度去对方案进行优化。优化的语音FLASH电路和语音运放电路如图2和图3所示，使用的语音存储芯片：GD25Q64，运放芯片为：LM4871。
具体电路上的优化有以下几点：
1）主控芯片输出PWM时，因为关系到语音音质。要求高电平特别稳定。不能有波动。否则就会有吱吱的声音。因为+5V电压要做很多的工作，导致电压不是很稳定。因而将PWM输出高电压转换成3.3V，可以提升语音音质，消除语音抖动。
2）在干扰测试条件下，往往能发现从FLASH输入到主控芯片的数据会随机出错，容易造成语音失真或有杂音。按照大电容滤除高频中低频信号，小电容滤除低频中的高频信号的理论，可以在主控芯片和FLASH的几个数据IO口上添加小电容滤波。
在加入小电容后，在IO端口外形成了一個 RC 的充放电路，易造成信号的上升和下降的时间变长。并且上升沿和下降沿的斜率变小。所以在实际应用中，要测试端口的数据波形，看端口输出的高电平和低电平能否满足芯片规格书的要求，在不能满足时要适当再减少电阻或者电容的值，使RC的充放电时间变短。
3）主控芯片I/O为5V而Flash I/O为3.3V，在进一步优化时可考虑在主控芯片和FLASH之间连接的几个数据I/O上使用肖特基二极管来降压。
4）为增加电路的抗干扰能力，PCB布板上应遵循：运放PWM端口与主控芯片距离足够近，FLASH芯片走线靠近主控芯片，FLASH芯片与主控芯片的GND分开走线，GND线和电源线需经过电容滤波后才到达各芯片。
5）将电路分成3部分模块化后，移植和扩容非常方便。FLASH电路和语音运放电路可运用到各种不同的单片机芯片上。FLASH的大小选型可根据语音内容大小而定，主控芯片的软件和硬件接口都不需更改。
3 结论
本文给出了一种语音电路的方案设计并讲述了具体优化与应用，此方案可存储和播放的语音内容多，便于移植和扩容，抗干扰性强，能保证主控芯片在读取语音数据的准确性，能保证在播放语音时信号不受干扰、语音不失真。相比传统语音电路设计来说无疑是极具创新的，推广性强，非常适合中小型电子产品或小家电领域使用。
参考文献：
[1]李江全.单片机通信与控制应用编程实例[M].中国电力出版社，2012：126-192.
[2]蔡良伟.数字电路与逻辑设计（第三版）[M].西安电子科技大学出版社，2014：106-128.
[3]康华光.电子技术基础-模拟部分（第五版）[M].高等教育出版社，2006：326-337.
作者简介：
麦广添（1990-），男，电控工程师，主要从事小家电应用开发研究工作。