《数字无线话筒》

项 目 研 究 报 告

高可攀 程自亮 张彦超 陈雪 于海艳

2014年 03月16日

摘 要

目前市场上的无线话筒大多是模拟的，在实际应用中，很容易收到外界环境的干扰，就是平时我们常说的飘频现象以及串音现象。在教学中，由于各个教室相隔很近，会出现串音现象，影响正常教学。市场尚没有无线数字通信模式且能够适用于教师在阶梯教室教学专用的话筒。本设计利用单片机技术、音频编码解码技术、无线数字通信技术，制作了一套适用于大型阶梯教室使用的数字无线话筒，能够很好的避免模拟话筒的弊端，而且成本相对低廉能很好的填补市场空白。本设计可实现固件升级，方便在不同环境下话筒配对使用。

关键词：语音，编解码，数字通信，无线

目 录

1 绪 论 1

1.1 课题背景以及现有技术现状 1

2 系统总体设计方案 2

2.1 系统方案框架图 2

2.2 方案论证 3

2.2.1 语音采集传感器 3

2.2.2 音频编解码芯片选择 3

2.2.3 无线传送部分 3

2.2.4 主控芯片选择 4

3、电路的设计与实现 4

3.1 主控芯片的外围电路 4

3.2 语音编解码外围电路设计 6

3.3 无线模块接口电路 6

4 系统的软件程序设计 6

4.1 软件部分 6

4.2系统程序流程图 8

致 谢 9

参考文献 10

1 绪 论

1.1 课题背景以及现有技术现状

多媒体阶梯教室以其方便、灵活、信息容量大、现代化等优点，在越来越多的学校得到推广，但是随之也带来了一系列问题，老师授课时的需要有肢体语言的表达，不能使用有线话筒把老师局限于讲台周围，因此需要让老师使用无线话筒到学生当中去与学生交流，让师生互动不受影响。

目前市场上的无线话筒大多是模拟通信的，在实际应用中，受到外界环境的干扰以及设备老化，很容易平时我们常说的飘频现象以及串音现象。在实际的教学环境中，由于各个教室相隔很近，经常会出现串音现象，影响正常教学。那么有没有更加好的设备来改善整个教学环境呢？我们项目组以此为切入点，本着解决实际问题的态度，开展对数字无线话筒的研究制作。我们的设计思路是利用单片机技术、音频编码解码技术、无线数字通信技术，制作了一套适用于多媒体阶梯教室使用的数字无线话筒，能够很好的避免模拟话筒的弊端，而且成本相对低廉能很好的填补市场空白。

现行的多媒体教室教学扩音环境的分析：现行的学校多媒体教室扩声设备采用“有线话筒+功放+音响” 这样的扩声方式，是必然导致老师仅仅局限于讲台上授课的原因之一。也有很多采用“模拟无线话筒+功放+音响”的方式，模拟无线话筒频点所限，装备多后会出现“串频”，无法大规模装备多媒体教室；在很多场合使用受限。

现行市场主流无线话筒的分析：主流无线话筒是：VHF FM模拟无线话筒，UHF PLL模拟无线话筒，以及新近出现的红外无线话筒，以解决扩声效果和教师移动教学的问题。VHF FM模拟无线话筒只有10多个频点，UHF PLL模拟无线话筒，也是只有几十个频点，一旦超过设备设置频点数量或是设备老化就会发生“漂频”，就会出现无线话筒使用中经常出现的的“串音”问题和“同频干扰”问题。红外无线话筒：红外技术的先天性不足决定了红外波段的穿透性很糟糕，形象一点说，红外设备中间放一张纸就可以全部隔断红外的传输。红外无线话筒产品采用所有的发射端和接收端都是通用的，解决了“通用性”的问题，红外话筒实现的防“串音”主要是靠教室墙壁和窗帘等外物体的然隔断，从技术角度客观的说“串音”问题没有解决，如果外物体隔断不好就会发生“串音”，红外无线的穿透性很差也会导致老师由于使用当中的不小心阻隔会导致声音隔断。另外，红外无线话筒安装麻烦，要在教室合适位置安装多个红外接收头，还不能保证传输不留死角和接收声音效果很好。

正是上述的客观环境和技术难点，使无线话筒这个生活当中广泛使用的产品没有办法大量装备教室。但教学效果的客观要求。要求老师要到学生中间去互动交流教学，老师要充分利用自己的肢体语言来和学生交流。这个矛盾怎么解决？教学装备的技术客观要求几十间教室的同时使用无线话筒而不产“串音”，不会“同频干扰”，这个技术问题如何解决？

新技术的出现让上述的问题出现了解决的办法：数字无线话筒的使用，不仅解决了老师离开讲台后的拾音扩声的问题，而且数字无线话筒是采用全数字采样和数字ID地址识别方式来彻底解决了“串音”和“同频干扰”问题，为教学区大量、同时、集中使用无线话筒授课解决了技术难题，使无线话筒大量装备教学一线成为可能。

2 系统总体设计方案

2.1 系统方案框架图

整个系统有语音采集、语音信号转化为数字信号、数字信号编码、无线发送、数字信号解码、数字信号转化为模拟信号、模拟信号进行功率放大、音响设备等部分成，图1是系统的框架图：

图1 系统框架图

2.2 方案论证

2.2.1 语音采集传感器

方案一、采用市面上普通的咪头，体积小，价格便宜、电路设计相对简单、并且容易购买，但是语音采集效果一般。

方案二、采用话筒专用的那种语音信号传感器，采集的语音信号效果更好，不过价格高一点。

因为本系统是做一个无线话筒的模拟设备，所以对这个传感器的要求的那么严格，采用一般的咪头语音传感器就行了，如果这里用专用的语音采集传感器，无疑是有点浪费资源。

2.2.2 音频编解码芯片选择

方案一、采用高速AD芯片，将模拟信号转化为数字信号，然后通过MCU将数字信号进行编码，再有无线模块将压缩后的编码发送出去，另一端的无线模块接收到编码数据之后，用MCU在进行解码，并通过高速DA芯片，讲数字量转化为模拟量。首先高速AD、DA芯片价格是很昂贵的；其次，进行数模转化的时候，即声音还原过程中，对数字信号的输出有一定码率要求，否则语音信号就会失真。

方案二、采用集成的音频编解码VS1003 或 VS1053芯片，这个芯片可以将采集到的语音信号进行编码和解码，因为他的内部集成了一个DSP数字信号处理芯片，所以处理数据的速度很快，从而保证无线话筒语音的实时性。然后对于这个芯片的应用，资料也相对比较多，开发起来无疑相对容易一些。

综上所述，我们采用了方案二。

2.2.3 无线传送部分

方案一、蓝牙传输：利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙需要配对，过程缓慢，操作繁琐。

方案二Wifi：通信速率很高，但是协议复杂化。设备间通信连接配对更是复杂。

方案三、NRF24L01：nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。通信速率中等，通信协议可以自己定义，使用简单灵活。

2.2.4 主控芯片选择

方案一、采用51系列的STC89C52单片机或STC12C5A60S2单片机，这两款单片机外设电路相对比较简单，应用在要求不高的电路场合，性价比是很高的。

方案二、采用现在工业应用中现在比较流行的STM32芯片，这些系列的功能都是很强大，一般用在一些中端的项目开发中，适合跑一些小型的系统，做个界面是非常合适的。然而这些芯片都是贴片的，最少的引脚也都是64个，并且外围电路比较繁杂，所以制作电路板是比较麻烦的。

综上所述，采用方案一。

3、电路的设计与实现

3.1 主控芯片的外围电路

图3为单片机复位电路，R2位10K电阻，C3为10Uf电容。

图4 单片机震荡电路，C1 、C2为22pf ，晶振位1.0592MHz

图2 单片机IO扩展电路

图3 单片机复位电路 图4 单片机晶振电路

电源引脚：

Vcc（40脚）：典型值＋5V， Vss（20脚）：接低电平。

外部晶振：

X1、X2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。

控制引脚：

RST/Vpd、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。

RST/Vpd（9脚）：复位信号输入端（高电平有效）。

第二功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。

ALE/PROG(30脚）：地址锁存信号输出端。第二功能：编程脉冲输入。

PSEN（29脚）：外部程序存储器读选通信号。

EA/Vpp(31脚）：外部程序存储器使能端。第二功能：编程电压输入端（+21V）。

输入输出口引脚：

P0口：是一个8位漏极开路输出型双向I/O端口。作为输出端口时，每位能以吸收电流的方式驱动8 个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序或数据存储器时，它是时分多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间将激活内部的上拉电阻[4]。

P1口：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

3.2 语音编解码外围电路设计

图5 VS1053编解码电路

3.3 无线模块接口电路

图6 RF2401接口电路

4 系统的软件程序设计

软件设计是一件细致而复杂的工作，应按照合理的顺序有条不絮的进行。本次毕业设计中我们在软件设计部分依然采用模块化的设计思想，将整个系统划分为若干个模块，设计时将各个模块非开来设计，最后将整个模块连接起来，这样易于调试，有助于发现问题并及时改正。

4.1 软件部分

在编写各部分的程序之前，还需做两件事：分配系统资源和设计流程图。提高软件设计总体效率的有效方法是先设计流程图，再开始编程。程序流程图的设计过程就是程序逻辑设计的过程。流程图直观明了，有利于查错和修改。

图7 软件设计流程图

4.2系统程序流程图

图8 系统程序流程图

致 谢

感谢我学校能给我们这次动手实践的机会，使得我们的理论和实践得到了结合，使我们能真正学以致用。

感谢我们的指导老师在本次设计和论文方面的悉心指导、关心和支持，正是由于这些细微的关怀，一直激励着我们去努力做好本次设计，所以在此真挚的向我们的指导师说声谢谢。

感谢我们的团队的每个成员，正是由于我们团队的每个成员不懈的努力、团结和合作，我们才能使这个项目顺利的完成。

参考文献

[1]元增民.单片机原理与应用[M].长沙：国防科学大学出版社，2006：15-18,30.

[2]马忠梅.单片机外围电路设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005：42-46.

[3]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：23-30.

[4] AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999：12-19.

[5]周雪主.电子技术基础[M].北京：电子工业出版社，2003：104-107.

[6]黄继昌.电子元器件应用[M].北京：人民邮电出版社，2004：65-70.

[7]杨颂华，冯毛官，孙万蓉，胡力山．数字电子技术基础．西安：西安电子科技大学出版社，2000：178-186．

[8]侯玉宝. 基于Proteus的51系列单片机设计与仿真.北京：电子工业出版社,2008：112-118.

[9]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，王志奎.Proteus教程—电子线路设计、制版与仿真.北京：清华大学出版社，2008：224-228，235-240.

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/17d9026ea4e9856a561252d380eb6294dc88227e.html