ISD4004语音芯片的工作原理及智能控制系统中的应用

2006-05-07 15:49:40来源: 国外电子元器件

晶体振荡器、麦克前置放大器、自动增益控制等,只要很少的外围器件,就可以构成个完整声音录放系统。本文介绍了ISD4004的原理、特点、功能及其在智能控制系统中的应用

单片机 89C51

1 概述

ISD4004是美国ISD公司制造的一种新款语音芯片。与ISD其它系列语音产品不同的是,ISD4004是一种微控制器“从”设备,而“主”控制器可以是内置有SPI兼容接口的微控制器,也可以用I/O仿真SPI通信协议。ISD4004系列工作电压为3V,单片录放时间为8~16分钟,音质好,适用于移动电话及其它便携式电子产品中。该芯片采用CMOS技术,内含振荡器、抗混叠滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片的所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。ISD4004采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能非常真实、自然地再现语音、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,音质则有所下降, 片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。

2 引脚功能描述

ISD4004的引脚排列如图1所示,各引脚功能如下:

电源(VCCA,VCCD):为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚小,模拟和数字电源端最好分别走线。尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。

地线(VSSA,VSSD):芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。

同相模拟输入(ANA IN+):录音信号 的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3kΩ电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV,与ISD33000系列相同。

反相模拟输入(ANA IN-):差分驱动时,为录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV。

音频输出(AUD OUT):提供音频输出,可驱动5kΩ的负载。

片选(SS):此端为低,即向该ISD4004芯片发送指令,两条指令之间为高电平。

串行输入(MOSI):此端为串行输入端,主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD输入。

串行输出(MISO):ISD的串行输出端。ISD未选中时,本端呈高阻态。

串行时钟(SCLK):ISD的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。

中断(INT):本端为漏极开路输出。ISD在任何操作(包括快进)中检测到EOM或IVF时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取。

OVF标志用来指示ISD的录、放操作已到达存储器的末尾。只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1。

行地址时钟(RAC):漏极开路输出。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的存贮器共2400行)。该信号保持高电平的时间为175ms,低电平时间为25ms。在快进模式,RAC可保持高电平218.75μs,低电平31. 25μs。该端可用于存储管理技术。

3 工作原理与功能特性

ISD4004声音录放采用CchipCorder专利技术,即无须A/D转换和压缩就可以直接储存,没有A/D转换误差,在个记录位(BIT)可存储250级声音信号,相当于通常的A/D记录的8倍。

3.1 SPI(串行外设接口)

ISD4004工作于SPI串行接口。SPI协议是一个同步串行数据传输协议,该协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿工作,因此对于ISD4004而言,在时钟上升沿将锁存MOSI引脚的数据,而在下降沿则将数据送至MISO引脚。

3.2 SPI接口指令

SPI的接口指令如表1所列。

表1 SPI的接口指令

指  令 8位控制码<16位地址> 操  作  摘  要
POWERUP 00100XXX 上电:等待TPUD后操作可以工作
SET PLAY 11100XXX 从指定地址开始放音。必须后跟PLAY指令使放音继续
PLAY 11110XXX 从当前地址开始录音(直至EOM或OVF)
SET REC 10100XXX 从指定地址开始录音。必须后跟REC指令录音继续
REC 10110XXX 从当前址开始录音(直至OVF或停止)
SET MC 11101XXX 从指定地址开始快,必须后跟MC指令快进继续
MC 11111XXX 停止当前操作
STOP WRDN 0X01XXXX 停止当前操作并掉电
RINT 0X110XXX 读状态:OVF和EOM

3.3 SPI端口的控制位

SPI端口控制位如图2所示。

3.4 SPI控制寄存器

SPI控制寄存器控制器件可以实现如录放、录音、信息检索(快进)、上电/掉电、开始和停止操作、忽略地址指针等功能。具体控制位如表2所列。

表2 控制寄存器功能表

功  能 功  能
RUN   允许/禁止操作 PU   电源控制
1 开始 1 上电
0 停止 0 停电
P/R   录/放模式 IAB   操作是否使用指令地址
1 放音 1 忽略输入地址寄存内容
0 录音 0 使用输入地址寄存的内容
    快进模式 P15P0   行指针寄存器输出
1 允许快进 A15A0   输入地址寄存器
0 禁止      

当IAB置0时,录、放操作从A9~A0地址开始。为了能连贯地录、放到后续的存储空间,在操作到达该行末之前,应发出第二个SPI指令将IAB置1,否则器件在同一个地址上将反复循环。这一点对语音提示功能很有用。RAC脚和IAB位可用于信息管理。

4 在智能控制中的典型应用

本系统是以单片机,语音处理芯片及报警传感器为基础,利用公共电话网络建立起来的智能家居服务系统。它具有以下主要功能:

(1)家电控制功能:打电话在通过密码校验后,在语音的提示下,进行远程控制家电、查询其工作状态及家电定时操作。

(2)电话录音功能:可来电留主及用户自己录音。

(3)自动语音报警功能:在无的情况下,监控系统检测到非法闯入,能自动拔打报警电话。在叫通后,能接报警信息以语音的形式发送出去。

由上可以看到,在整个家居服务系统中,要多次实现语音提示,应答,查询等功能。这些功能的实现是靠单片机89C51与ISD4004之间的通讯来完成的。89C51与ISD4004的连接如图3所示。

    图中,ISD4004的13管脚是模拟语音信号的输出端,输出的语音信号通过LM386功率放大器放大,然后经过变压器耦合到电话线上。

MIC是麦克风,即语音信号的输入端,输出的模拟语音信号通过三极管组成放大器加到ISD4004语音芯片的输入端。

该系统的录音子程序如下:

LUYIN: ;用户录音子程序

MOV R0,# # # # # # # # # #

ACALL FAST ;语音提示如何修改

JB P3.5,$

MOV A,#20H ;语音芯片上电

ACALL ISDX

SETB P1.0

ACALL YS50 ;上电延时

ACALL YS50

MOV A,# # # # #

;“# # # # # #”表示是录音具体地址

ACALL ISDX ;置录音地址

MOV A,#0A0H

ACALL ISDX

SETB P1.0

LUY1:MOV R1,#20H ;录音开始

LUY2:ACALL YS50

DJNZ R1,LUY2

MOV A,#0B0H ;录音

ACALL ISDX

SETB 1.0

JNB P3.3,$

LUY9:MOV A,#30H

ACALL ISDX

SETB P1.0

LUY3:MOV R5,#10H

LUY5:JNB P1.4,LUY4 ;检查录音是否超时

JNB P3.5,LUY3

DJNZ R5,LUY5

MOV A,#30H ;录音停止

ACALL ISDX

SETB P1.0

LUY6:MOV R4,#0FFH

LUY7:MOV R5,#0FFH

LUY8:MOV R6,#0FFH

LUYA:JNB P3.5,LUY9

DJNZ R6,LUYA

DJNZ R5,LUY8

DJNZ E4,LUY7

SJMP GUANJI

LUY4:MOV R0,# # # # # #;“录音超过,请重录制”

ACALL FSAT

SJMP LUYIN

放音子程序:

FANGYI:MOV R0,# # # # # #;“提示放音程序开始工作”

ACALL FAST

FANGY2:MOV R1,#0FFH

FANGY3:MOV R2,#0FFH

FANGY4:MOV A,#0FFH

MOV P0,A

SETB P0.7

SETB P0.4

CLR P0.5

SETB P0.6

MOV A,P0 ;读8880状态寄存器

JB ACC.2,FANGY6

FANGY6:DJNZ R2,FANGY4

DJNZ R1,FANGY3

SJMP GUANJI

CLR P0.4

MOV A,P0 ;读8880接收数据寄存器

ANL A,#0FH ;屏蔽高四位

CJNE A,#02H,FANGYI;查询是否“2”键按下,是则放音

FANGY5:MOV A,#0FFH

MOV P0,A

SETB P0.7

SETB P0.4

CLR P0.5

SETB P0.6

MOV A,P0

JNB ACC.2,FANGY5

MOV R0,# # # # #

ACALL FAST

INC R0

SJMP FANGY2

关键字:控制系统  应用

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/qrsxt/200605/4211.html
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