Цифровой диктофон

Курсовая работа по предмету «Программирование»
Информация о работе
  • Тема: Цифровой диктофон
  • Количество скачиваний: 57
  • Тип: Курсовая работа
  • Предмет: Программирование
  • Количество страниц: 14
  • Язык работы: Русский язык
  • Дата загрузки: 2014-09-11 17:49:24
  • Размер файла: 27.41 кб
Помогла работа? Поделись ссылкой
Ссылка на страницу (выберите нужный вариант)
  • Цифровой диктофон [Электронный ресурс]. – URL: https://www.sesiya.ru/kursovaya-rabota/programmirovanie/786-cifrovoy-diktofon/ (дата обращения: 31.07.2021).
  • Цифровой диктофон // https://www.sesiya.ru/kursovaya-rabota/programmirovanie/786-cifrovoy-diktofon/.
Есть ненужная работа?

Добавь её на сайт, помоги студентам и школьникам выполнять работы самостоятельно

добавить работу
Обратиться за помощью в подготовке работы

Заполнение формы не обязывает Вас к заказу

Информация о документе

Документ предоставляется как есть, мы не несем ответственности, за правильность представленной в нём информации. Используя информацию для подготовки своей работы необходимо помнить, что текст работы может быть устаревшим, работа может не пройти проверку на заимствования.

Если Вы являетесь автором текста представленного на данной странице и не хотите чтобы он был размешён на нашем сайте напишите об этом перейдя по ссылке: «Правообладателям»

Можно ли скачать документ с работой

Да, скачать документ можно бесплатно, без регистрации перейдя по ссылке:

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики











Организация вычислительного процесса: модели и методы.
Отчёт
«Цифровой диктофон»









Выполнил: ., группа 5113







Санкт-Петербург
2014
Оглавление
Постановка задачи 3
Назначение 3
Предъявляемые требования 3
Выбор формата звуковых данных 4
Выбор микроконтроллера 5
Выбор памяти 7
Аналого-цифровое преобразование. 8
Выбор микрофона 9
Цифро-аналоговое преобразование 9
Энергопотребление и выбор элемента питания 10
Элементы управления и обратная связь с пользователем 10
Программное обеспечение 11
Оборудование разрабатываемой системы 11
Сравнение с существующим решением (Edic-mini Защита 14h) 12
Требования к документации 13
Технико-экономические показатели 13
Требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению 13
Стадии и этапы разработки 13
Порядок контроля и приёмки 14


















Постановка задачи
Необходимо разработать систему звукозаписи. Система предназначена для скрытой звукозаписи, а также для записи чрезвычайных событий и возможности использования сделанных записей в суде в качестве доказательства.

Назначение
• Полноценное информирование пользователя о текущем состоянии системы;
• Предоставление возможности настройки качества записываемых аудиоданных;
• Обеспечение высокого качества записываемых аудиоданных;
• Обеспечение длительной звукозаписи;
• Предоставление возможности вести скрытую запись.

Предъявляемые требования
• Основное питание — две батарейки или аккумуляторы типа AAA
• Температурный диапазон работы и хранения: -20 °С/ 50 °С
• Чувствительность встроенного микрофона — 12-15 метров
• Относительная влажность: 10-90%.
• Время работы от элемента питания 1000 мАч — не менее 40 часов
• Время записи во встроенную память — не менее 40 часов
• Срок хранения записей во встроенной памяти — до 10 лет
• Соотношение сигнал/шум не менее 70 Дб
• Спектр сигнала 20 Гц – 12 кГц
• Вес: до 100 г
• Размеры: не более 100 x 40 x 30 мм
• Возможность обмена данными с ПК
• Минимальная стоимость
Выбор формата звуковых данных
Необходим аудиоформат, обеспечивающий хорошее качество звука и достаточную степень сжатия. До недавнего времени в цифровых диктофонах в основном использовались форматы:
• ARM. Обеспечивает плохое качество записи, но высокую степень сжатия
• WAV PCM. Средняя степень сжатия, среднее и низкое качество записи
• WAV ADPCM. Модифицированный PCM. Дает выигрыш в объёме данных, но заметно ухудшает качество.

Поскольку качество этих форматов невысоко, нужно рассмотреть другие форматы, использующие сжатие с потерями, из них наиболее распространённые:

Название формата Квантование, бит Частота дискретизации, кГц Число каналов Величина потока данных с диска, кбит/с Степень сжатия
MP3
16-24 до 48 2 до 320 ~11:1 с потерями
AAC
16-24 до 96 до 48 до 512 с потерями
AAC+ (SBR)
16-24 до 48 2 до 320 с потерями
Ogg Vorbis
до 32 до 192 до 255 до 500 с потерями
WMA
до 24 до 96 до 8 до 768 2:1, есть версия без потерь

Поскольку объективно сравнить качество получаемых в результате такого сжатия аудиоданных довольно трудно, а их вычислительная сложность сравнима (в основе каждого из них лежит модифицированное дискретное косинус-преобразование), стоит выбрать наиболее распространённый формат из представленных — mp3.

Теперь необходимо выбрать битрейт для формата. Приемлемое качество аудио начинается в районе 192 кбит/сек. Отсюда секунда записи занимает в памяти 24 Кбайт. Целевая длительность записи — 40 часов или 144000 сек. Таким образом(144000 сек * 24 Кбайт/(1024*1024)), 40 часов звучания занимают примерно 3,3 Гб памяти. Можно заключить, что требуемая ёмкость памяти — 4 Гб, что обеспечивает длительность записи в районе 48 часов.

Выбор микроконтроллера
Микроконтроллер должен справляться с декодированием mp3, при этом должно оставаться время на работу с памятью, кнопками и светодиодами.

Минимальный размер буфера для работы с mp3 — 4,5 КБ (по размеру фрейма, описывающего очередной звуковой сигнал), памяти RAM – 24 КБ (для свободного кодера Helix, ввиду необходимости выполнения быстрого преобразований Фурье, и модифицированного дискретно-косинусного преобразования, сортировки фрагментов аудио и кодирования по Хаффману; для других кодеров предполагается сравнимая необходимая ёмкость памяти).

Одним из вариантов является микроконтроллер STM32F105. В него встроена поддержка интерфейсов I2C, SPI (для работы с памятью) и USB (для передачи файлов на ПК). Микроконтроллер имеет шестнадцатибитный АЦП. Размер памяти программ — 256KБ, размер памяти RAM – 64 КБ, размер встроенной флэш-памяти — 256 КБ. Тактовая частота — 72 МГц. Этих параметров должно хватать для кодирования mp3. Практически различными разработчиками была протестирована способность обрабатывать формат mp3 этим микроконтроллером. В зависимости от используемых кодеков, битрейта и способов оптимизации исполняемого кода загрузка контроллера составляет 30-60%.




Технические характеристики:
Flash память в Кб 256
SRAM в Кб 64
Ethernet Нет
Таймеры Общего назн-я 4
Основные 2
Интерфейсы SPI 3
I2C 2
USART 5
USB Да
CAN 2
GPIOs 51
12-битный АЦП
Число каналов 2
16
12-битный ЦАП
Число каналов 2
2
Такт частота ЦПУ 72 МГц
Рабочее напряжение 2 - 3.6 В
Рабочие температуры -40°C / 85°C

Дополнительным доводом в пользу этого контроллера служит идущий в комплекте Spirit Audio Engine – аудиодвижок, бесплатно предоставляемый для использования с STM32F, с документацией и примерами. Движок содержит встроенный mp3 кодер. Всё это значительно упрощает работу с программным обеспечением для диктофона.

Хотя mp3 является проприетарным форматом, кодеры можно найти в свободном доступе, чтобы ещё более удешевить разработку.





Выбор памяти
Исходя из требований компактности и требуемой ёмкости можно рассмотреть два варианта устройства памяти:
• SDHC flash
• Semiconductor flash
В первом случае отпадает необходимость в использовании и поддержке USB (большинство ПК имеют адаптеры для работы с картами памяти SDHC и microSDHC). В пользу этого варианта говорят низкая цена, приемлемая скорость работы, наличие в свободном доступе необходимых драйверов.
Альтернативой является использование flash-памяти. Этот вариант несколько дороже. За сумму в пределах 1000 руб можно приобрести SDHC-карту класса 7-11 со скоростью записи/чтения не менее 13/15 Мбит, объёмом в 16-32 Гб c поддержкой интерфейса SPI или NAND FLASH с поддержкой интерфейса I2C, объёмом 4-8 Гб.

В данном случае выбран вариант с памятью типа SDHC. В зависимости от модели карты памяти скорость записи микроконтроллером STM32F105 находится в диапазоне 150-300 кБ/сек, в то время как минимально необходимая составляет 40кБ/сек.

Возможных вариантов памяти огромное количество, исходя из требований минимальной цены был выбран самый дешёвый вариант: Transcend TS4GSDHC10
Технические характеристики:
Тип Secure Digital HC
Объем памяти 4 Гб
Класс скорости Class 10



Аналого-цифровое преобразование.
АЦП является одним из ключевых компонентов диктофона. Вариантов реализации этого преобразования два:
• АЦП как отдельный аппаратный блок.
Обеспечивает более высокое качество звука, но усложняет схему, и, соответственно, уменьшает её надёжность; увеличивается цена как непосредственно компонентов схемы так и стоимость отладки схемы.
• Использование встроенного в микроконтроллер АЦП.
В прошлом качество обеспечиваемого звука было не слишком высоким, однако
используемый микроконтроллер справляется с задачей преобразования на приемлемом уровне.
Ради обеспечения лучшего качества записи был выбран первый вариант.

Рассмотрим в качестве примера отдельного аппаратного АЦП AD7903 фирмы Analog Devices. Его разрешение составляет, 16 бит без пропуска кодов, малая рассеиваемая мощность (7-12 мВт), и что важно, благодаря использованию встроенных фильтров соотношение сигнал-шум составляет 93.5 дБ, что позволит обходится без программно реализованных фильтров.

Проведём расчёт, с целью выяснить, справится ли выбранный микроконтроллер с потоком данных от АЦП. Пусть частота дискретизации — 44100 Гц. Тогда объём поступающей в микроконтроллер информации — 44100 Гц * 16 бит/1024 = 689 кб. Микроконтроллер не справится с таким количеством данных. От использования отдельного АЦП приходится отказаться.

Т.к. будет использоваться встроенный АЦП, то скорее всего фильтрация окажется необходимой; возможно применение следующих фильтров:
• Рекурсивный фильтр первого порядка.
• Медианный фильтр.
Рекурсивный фильтр вычислительно довольно сложен, поэтому ресурсов для его реализации может не хватить; медианный фильтр проще, но наиболее приспособлен для подавления импульсных помех. Решение касательно используемого типа фильтрации должно приниматься на стадии отладки и тестирования системы.

Выбор микрофона
Исходя из обозначенных выше требований к качеству сигнала и компактности был выбран микрофон ESO Secure M-01

Технические характеристики:
Чувствительность 38дБ
Отношение сигнал / шум более 65 Дб
Рабочий диапазон частот 100 Гц ... 20 КГц
Выходное напряжение 1 В
Напряжение питания 4 ... 16В
Ток потребления 2 мА
Диапазон рабочих температур -40О С ... +50О С
Габаритные размеры Ø 3 мм

Цифро-аналоговое преобразование
Зачастую диктофоны имеют функцию проигрывания записанного через встроенный динамик. В разрабатываемой системе эта функция была намеренно удалена для исключения случайных нажатий или включения в результате сбоев, потенциально препятствующих ведению скрытой аудиозаписи.

Энергопотребление и выбор элемента питания
Токи потребления компонентов:
Микроконтроллер: 14,4 мА/ч (в активном режиме)
Микрофон: 2 мА/ч
Карта памяти: 18 мА/ч
Исходя из минимального времени записи в 40 часов, рассчитываем необходимую ёмкость элемента питания: 40 ч*(14,4+2+18)мА/ч = 1456 мА

Исходя из выбранных компонентов необходимо выбрать элемент питания с напряжением питания не ниже 4В, габариты не более 100x50x40 мм, вес меньше 50 г. , ёмкость не менее 1456 мА. Всем этим требованиям удовлетворяет элемент питания типа 2CR5.

Технические характеристики:
Напряжение 6 В
Размер 34x45x17 мм
Вес 42 г
Ёмкость 1500 мА

Элементы управления и обратная связь с пользователем
Пользователь управляет диктофоном через три кнопки:
• СТАРТ — начало записи
• СТОП — остановка записи
• ОЧИСТКА — очищение памяти при необходимости вести запись.

В качестве обратной связи для пользователя выступают три светодиода, отображающий состояние системы.

• ВКЛ — светодиод, сигнализирующий о том, что диктофон включен;
• ЗАПИСЬ — светодиод, сигнализирующий о том, что идёт запись;
• ПАМЯТЬ — светодиод, сигнализирующий о том, что внутренняя память диктофона заполнена;
• РАЗРЯДКА — светодиод, сигнализирующий о том, что заряд аккумуляторной батареи на исходе.


Программное обеспечение
Для упрощения и удешевления разработки предполагается использование операционной системы реального времени. Эта система должна быть бесплатной, иметь хорошую документацию и необходимый инструментарий для осуществления записи в выбранном режиме; желательна «ориентированность» на работу с контроллером ARM Cortex-M. Например:
Embcernel (лицензия GNU LGPL, открытый исходный код)
CoOS (лицензия BSD, открытый исходный код)
FreeRTOS(лицензия GNU GPL, открытый исходный код)

Программно должно осуществляться решение следующих задач:
• Обеспечение целостности данных (наличие меток начала и времени записи, добавление цифровой подписи, наличие пароля).
• Сжатие файлов с сохранением качества сигнала с использованием кодеков mp3.

Оборудование разрабатываемой системы

Тип Наименование Цена
Отладочная плата Olimex STM32-P103
1840 руб
Микроконтроллер STM32F105R8 300 руб
Память Hynix H27U4G8F2DTR-BC 530 руб
Микрофон ESO Secure M-01 780 руб
Итого: 3450 руб

Сравнение с существующим решением (Edic-mini Защита 14h)

Основные характеристики
Объем встроенной памяти 4 Гб 4 Гб
Звук моно моно
Запись
Диапазон частот записи 200 — 10000 Гц 100 - 10000 Гц
Режим закольцованной записи нет есть
Максимальное время записи 40 ч 14 ч
Подключение
Подключение к компьютеру нет есть
Интерфейсы USB 1.1
Вход микрофонный нет есть
Отображение информации
Индикатор заряда батареи есть есть
Индикатор оставшегося времени записи есть есть
Питание
Время работы 40 ч 40 ч / 360 д (в режиме ожидания)
Тип элементов питания AA ААА
Количество элементов питания 1 1
Особенности
Функции индексирование каждой записи, защита паролем часы, индексирование каждой записи, защита паролем
Комплектация SDHC-карта с адаптером кабель для подключения к компьютеру
Конструкция
Размеры (ШхВхТ) 50х70х40 мм 13х85х13 мм
Вес 50 г (с батареей) 14 г (без батареи)
Цена 4500 руб 6800 руб


Требования к документации
Необходимо разработать следующую документацию:
• Техническое задание
• Архитектура (текстовое и схемное описание устройства системы).
• Структура системы (Перечень узлов системы и принципы их взаимодействия).
• Руководство пользователя.
• Инструкция по установке.
• Рекламная брошюра.

Технико-экономические показатели
Ориентировочная экономическая эффективность – средняя, в связи с высокими затратами на разработку и использование системы.
Предполагаемая годовая потребность: не рассчитывается.
Экономические преимущества разработки – не рассчитывается.

Требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению
Изделие СЗ маркируется логотипом фирмы производителя. Упаковка изделия должна предотвращать ненамеренные повреждения и нести краткую информацию об изделию.
Транспортировка системы также как и хранение может производиться любыми средствами при условии наличия смягчающей упаковки.

Стадии и этапы разработки
1. Обоснование необходимости создания системы.
2. Написание технического задания.
3. Ознакомление и освоение языка программирования и среды разработки.
4. Выработка примерной архитектуры и структуры системы.
5. Разработка системы и её частей, а также программного обеспечения.
6. Тестирование системы. Проверка работоспособности.
7. Отладка системы.
8. Ввод системы в эксплуатацию
9. Составление отчетной документации, в т.ч. руководства пользователя.

Порядок контроля и приёмки
Тестирование системы будет проводиться на 5–7 этапах работ по созданию системы.