1.简介

  随着电子技术高速发展，各类电子设备层出不穷，录音机设备也已是我们日常生活中普遍存在的一款电子设备。录音机的应用，既可以是日常的生活的娱乐类设备，也可以在工作过程中，在我们无法通过记忆来记住重要谈话时，或者在一些重要的会议中，很便捷的帮我们记录这些重要事件。录音机的存在，既可以在我们闲暇生活中记录一些美妙的声音，也可以是我们工作中的得力干将，可以清晰完整的记录工作会议中的完整谈话内容。这样可以在后续的时间中再去整理这些音频信息。
  录音机设备选择以STM32F103C8T6作为整个系统主控MCU,带有3个独立按键，可以用于选择音频录制、录制暂停，音频播放等功能，支持一键启动音频录制。音频采集设备选择VS1053B音频编解码模块，该模块支持音频编码和音频解码功能，可实现音频录制、播放、变声处理等功能。选择0.96寸OLED屏幕用于显示当前工作模式和音频录制与播放时长。录制的音频文件保证到SD卡中，便于文件查看与导出。

2.研究背景及意义

  随着科技的进步，录音系统已经由传统的模拟信号形式转变为数字信号形式，这使得录音设备在音质、存储、传输等方面都得到了显著的提升。现如今市面上的录音系统虽然具备录音、监听、查询、回放和管理等基本功能，但在某些特殊应用场景下，其功能和性能仍显不足。例如，在野生动物保护、环境监测等野外工作中，需要录音设备具备远程可控性，以便随时记录关键声音信息；而在新闻采访、执法取证等场合，录音设备则需要具备加密保护功能，以确保录音内容的安全性和隐私性。
  随着物联网、智能家居等技术的快速发展，对录音设备的需求也日益增长。这些应用需要录音设备能够与其他智能设备无缝连接，实现音频信息的实时传输和处理。基于单片机的录音机设计成为了一个重要的研究方向。通过单片机控制音频采集、处理、存储和播放等过程，可以实现录音设备的数字化、智能化和网络化，满足各种复杂场景下的应用需求。同时，随着单片机技术的不断发展和成本的降低，基于单片机的录音机设计也具备了更高的性价比和更广阔的市场前景。
  目前，基于单片机的录音机设计的研究现状呈现出积极发展的趋势。随着科技的不断进步，录音系统已经从传统的模拟信号形式转变为数字信号形式，使得录音设备在音质、存储、传输等方面都得到了显著的提升。然而，尽管基于单片机的录音机设计已经取得了一定的进展，但仍然存在一些挑战和问题。例如，如何在保证音质的前提下进一步降低功耗和成本，如何提高录音设备的抗干扰能力和稳定性等。这些问题需要研究者们继续深入探索和研究。因此，录音机设计呈现出积极发展的趋势，但仍需解决一些技术难题和挑战。随着科技的不断进步和应用需求的不断增加，相信未来会有更多创新和突破性的成果涌现。
  总体而言，收音、录音机市场具有良好的前景和潜力。消费者对录音机音质和录音效果、便携性和多功能性、价格和品牌等方面有着不同的需求。随着科技的发展，市场正向数字化和智能化方向发展，并且线上销售和增值服务成为趋势。同时，环保意识也在市场中起到越来越重要的作用。因此，厂商应该不断创新和改进产品，以满足消费者的需求，并关注市场趋势以抓住机遇。
  本录音机设计主要实现以下功能：
  (1)需要掌握单片机编程技术，编写VS1053模块驱动，实现音频录制与音频播放功能；
  (2)编写SD卡驱动，移植FATFS文件系统，将录制的音频文件保存到SD卡中；
  (3)编写按键和OLED屏幕驱动，设计音频录制界面、音频播放界面，通过按键可以实现各个界面切换，实现一键录制功能；

3.系统设计方案

  录音机设计具备以下功能：
  1.采用意法半导体公司STM32F103C8T6为主控MCU，工作频率为72MHZ,存储空间FLASH大小为64KB,运行空间SRAM大小为20KB。支持硬件串口、硬件SPI、硬件I2C协议，有4个定时器，模数转换器等外设。可以很好的满足录音机设计需求。
  2.音频编解码设备选择VS1053B模块，采用SPI通讯接口，模块内部拥有DSP处理器，开发者无需关心音频格式即可实现音频的播放与录制。
  3.驱动OLED屏幕，设计录音机界面，可通过按键切换录音和播放界面。
  4.驱动SD卡，移植FATFS文件系统，将录制的音频文件保存到SD卡中。
  系统总体框图如下所示：

4.系统硬件设计

  根据方案选型，录音机设计采用意法半导体公司STM32F103C8T6为主控MCU，外围接口设备有音频编解码器VS1053B，存储设备SD卡、显示设备0.96寸OLED屏幕以及3个控制按键和一个LED状态指示灯。整体硬件原理图设计如下：

  设计的核心主要是音频编解码设备VS1053B和存储设备SD卡。通过驱动VS1053B实现音频录制，移植FATFS文件系统用于管理SD卡存储空间，将录制的文件保存到SD中。

4.1 VS1053B音频编解码

  VS1053B模块，集音频编码和音频解码为一体，内部集成有DSP数字信号处理的VS_DSP4处理器内核，且内部拥有IMA ADPCM编码器和用户加载的Ogg Vorbis编码器，用户仅需按照通讯接口时序即可实现音频的录制和音频的播放功能，无需用户了解各种音频的编解码格式，极大的减轻了开发者工作难度。该模块驱动接口简单，仅通过少量的I/O口即可完成音频录制和音频播放。
  在音频处理方面，VS1053B支持IIS和SPI协议，可以实现对音频信号的高效处理。此外，它还具备一个优质的可变采样率立体声ADC和DAC，以及一个耳机功放和公共电压缓冲器，能够提供出色的音质表现。

  该模块采用SPI方式通讯，工作电压为5V。硬件接口电路如图所示：

4.2 SD卡模块

  SD存储卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由松下电器、东芝和SanDisk联合推出。其体积小、重量轻。标准SD卡尺寸为24mm x 32mm x 2.1mm，而micro SD卡更是只有指甲盖大小，多用于便携式数码产品上。还具备容量大特性，目前市面上的SD卡容量从几GB到1TB不等，能够满足大多数用户存储照片、视频、音乐等文件的需求。同时读写速度快：高速SD卡能够提供高达100MB/s以上的传输速度。
  SD卡驱动支持SDIO和SPI通讯协议，SDIO协议一般采用6线制，有时钟线SCK、命令选择CMD,四条数据线DAT0~DAT3；SPI通讯一般采用四线制，片选CS、时钟SCK、主机输入MISO以及主机输出MOSI。为节省IO资源，选择SD卡驱动方式为SPI,硬件实物如图所示：

  该模块采用SPI方式通讯，工作电压为5V。硬件接口电路如图2-12所示：

5.系统软件设计

  录音机整体功能运行流程如下：首先系统上电，完成各个模块(VS1053B、SD卡、OLED屏幕、按键、发光二级管)初始化，移植FATFS文件系统，挂载外置SD卡存储设备，至此，系统整体初始化完成，进入系统主循环。接着通过按键选择音频录制，屏幕实时显示当前工作模式，并显示的当前录制时长或者音频播放时长。当按按下停止按键后即将音频文件保存到SD卡中，可通过按键选择当前要播放的音频文件。当超过30s时间未进行任何操作时，则屏幕自动息屏，进入待机模式。系统运行流程图所示：

6.硬件调试与分析

  在整个系统设计过程中，为了编译程序调试和BUG解决，程序设计采用模块化编程。其中硬件配置代码采用标准库进行程序设计，实现各个硬件功能初始化。接着再逐个完成各个子功能模块的开发与测试，待每个独立功能均可以稳定运行后，再进行工程整体调试，优化处理，UI界面设计。采用此方法可以提升效率并减小误差，达到一个最优的方案。在整个软件程序设计过程中，流程实现如下：
  (1)配置基本硬件设备，如LED状态指示灯、按键、串口等功能，确定基本硬件的正常性和稳定性。
  (2)完成OLED屏幕驱动，设置机系统启动界面。
  (3)编写SPI驱动，实现SD卡读写操作,为移植FATFS文件系统提供底层读写扇区接口函数。
  (4)移植FATFS文件系统，便于管理SD卡磁盘空间。
  (5)编写VS1053驱动，实现音频编码和音频解码功能。
  (6)整体功能完成，设计音频录制和音频播放界面，通过按键选择对应功能。扫描SD卡中所有的MP3和WAV格式音频文件，并在OLED屏幕显示，并支持上下翻页查询和选择要播放的文件。
  本录音机系统硬件设备有系统主板STM32F103C8T6、SD卡设备、VS1053B音频编解码设备、OLED显示设备以及功能按钮和LED程序状态指示灯。通过设计原理图和PCB布局，元器件焊接，整体实物如图所示：

  系统启动成功后，可通过右边三个按键选择相应功能，按下中间按钮可一键进入录音模式。录音界面图所示：

  若想要结束录制，这按下任意按键即可。结束录制界面如图所示：

  本录音机设计支持直接播放录制的音频文件。按下最上面按钮查看当前SD卡中录制的音频文件如图所示：

  在音频文件查看界面下，可通过第二和第三个按钮进行上下选择，通过第一个按键选定播放。音频播放效果如下：