ISD4004語音芯片的工作原理及智能控制

1、ISD4004語音芯片的工作原理及智能控制系統(tǒng)中的應用作者：北方工業(yè)大學工學院張常年王振紅李洋來源：國外電子元器件摘要：ISD4044是一種采用ChipCorder專利技術的語音芯片。此芯片無須A/D轉換和壓縮就可以直接儲存，沒有A/D轉換誤差，在一個記錄位（BIT ）可存儲250級聲音信號，相當于通常的A/D記錄的8倍。片內集成了晶體振蕩器、麥克前置放大器、自動增益控制等，只要很少的外圍器件，就可以構成個完整聲音錄放系 統(tǒng)。本文介紹了 ISD4004的原理、特點、功能及其在智能控制系統(tǒng)中的應用。關鍵詞：ISD4004單片機89C511概述ISD4004是美國ISD公司制造的一種新款語音芯片。

2、與ISD其它系列語音產品不同的是，ISD4004是一種微控制器 從”設備，而主”控制器可以是內置有SPI兼容接口的微控制器，也可以用I/O仿真SPI通信協(xié)議。ISD4004系列工作電壓為 3V，單片錄放時間為 816分鐘，音質好，適用于移動電話及其它 便攜式電子產品中。該芯片采用CMOS技術，內含振蕩器、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片的所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通 信接口（ SPI或Microwire ）送入。ISD4004采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存貯在片 內閃爍存貯器中，因此能非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音

3、調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化 和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲”采樣頻率可為4.0，5.3，6.4，8.0kHz，頻率越低，錄放時間越長，音質則有所下降，片內信息存于閃爍存貯器中，可在斷電情況下保存100年（典型值），反復錄音10萬次。2引腳功能描述ISD4004的引腳排列如圖1所示，各引腳功能如下：電源（VCCA，VCCD ）:為使噪聲最小，芯片的模 擬和數(shù)字電路使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝 的不同管腳小，模擬和數(shù)字電源端最好分別走線。盡可能 在靠近供電端處相連，而去耦電容應盡量靠近器件。地線（VSSA，VSSD ）:芯片內部的模擬和數(shù)字電路 也使用不同的地線。I o o

4、c c C -s s s N N- N o I SM M V同相模擬輸入（ANA IN+ ）:錄音信號 的同相輸入 端。輸入放大器可用單端或差分驅動。單端輸入時，信號 由耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值32mV，耦合電容和本端的3k?電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻 率。差分驅動時，信號最大幅度為峰峰值16m V,與ISD33000系列相同。NC»SD4004國囲!回反相模擬輸入（ANA IN-）:差分驅動時，為錄音信 號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入，最大幅度為峰 峰值16mV。VSSAdAUMUTlnamcapEISCLVCC燦耐RACVSSXCNCNCMVCCZIN-N

5、C圖1 ISD4OO4的引腳排列圖音頻輸出（AUD OUT ）:提供音頻輸出，可驅動5k?的負載。片選（SS）:此端為低，即向該ISD4004芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。串行輸入（MOSI ）:此端為串行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到 本端，供ISD輸入。串行輸出（MISO）： ISD的串行輸出端。ISD未選中時，本端呈高阻態(tài)。串行時鐘（SCLK）： ISD的時鐘輸入端，由主控制器產生，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在SCLK上升沿鎖存到ISD，在下降沿移出ISD。中斷（INT ）:本端為漏極開路輸出。ISD在任何操作（包括快進）中檢測到 EOM或

6、IVF時，本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時清除。中斷狀態(tài)也可用RINT指令讀取。OVF標志用來指示ISD的錄、放操作已到達存儲器的末尾。只在放音中檢測到內部的EOM標志時，此狀態(tài)位才置 1。行地址時鐘（RAC）:漏極開路輸出。每個RAC周期表示ISD存儲器的操作進行了一行（ISD4004系列中的存貯器共 2400行）。該信號保持高電平的時間為175ms，低電平時間為 25ms。在快進模式，RAC可保持高電平 218.75場s低電平31.25卩該端可用于存儲管理技術。XISOOVFE0姑P0P1P2P3P4P5P6PlP8P9 iPIO'o J0MOSI-C4(3C201

7、COA10A9ABA7A6A?A4l.43A2Al40I-念略地址位上電 錄/敖 運行圖2 SP1端口控制位圖3工作原理與功能特性ISD4004聲音錄放采用 CchipCorder專利技術，即無須 A/D轉換和壓縮就可以直接儲存，沒有A/D轉換誤差，在個記錄位（BIT ）可存儲250級聲音信號，相當于通常的A/D記錄的8倍。3.1 SPI （串行外設接口）ISD4004工作于SPI串行接口。 SPI協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，該協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在 SCLK的下降沿工作，因此對于 ISD4004而言，在時鐘上升沿將鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，而在下降沿則將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。

8、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位控制碼<16位地址 >操作摘要POWERUP 00100XCXX<XXXXXXXXXXXXXXXX>上電：等待TPUD后操作可以工作SET PLAY11100XXX<A15 A0>從指定地址開始放音。必須后跟PLAY指令使放音繼續(xù)PLAY 11110XXX<XCXXXXXXXXXXXXXX>從當前地址開始錄音（直至EOM或OVF ）SET REC10100XXX<A15 A0>從指定地址開始錄音。必須后跟REC指令錄音繼續(xù)REC 10110XXX<X

9、XXXXXXXXXXXXXXX>從當前址開始錄音（直至 OVF或停止）SET MC11101XXX<A15 A0>從指定地址開始快，必須后跟 MC指令快進繼續(xù)MC 11111XXX<XXXXXXXXXXXXXXXX>停止當前操作STOPWRDN0X01XXXX<XXXXXXXXXXXXXXXX>停止當前操作并掉電RINT 0X110XXX<X；XXXXXXXXXXXXXXXX>讀狀態(tài)：OVF和EOM3.3 SPI端口的控制位SPI端口控制位如圖 2所示3.4 SPI控制寄存器/掉電、開始和停止操SPI控制寄存器控制器件可以實現(xiàn)如錄放、錄音、

10、信息檢索（快進）、上電 作、忽略地址指針等功能。具體控制位如表2所列。表2控制寄存器功能表位值功能位值功能允許/禁止操作電源控制RUNPU1開始1上電0停止0停電P/R錄/放模式IAB操作是否使用指令地址1放音1忽略輸入地址寄存內容0錄音0使用輸入地址寄存的內容快進模式P15P0行指針寄存器輸出1允許快進A15A0輸入地址寄存器0禁止當IAB置0時，錄、放操作從 A9A0地址開始。為了能連貫地錄、放到后續(xù)的存儲空間，在操作 到達該行末之前，應發(fā)岀第二個 SPI指令將IAB置1,否則器件在同一個地址上將反復循環(huán)。這一點對 語音提示功能很有用。 RAC腳和IAB位可用于信息管理。4在智能控制中的典

11、型應用本系統(tǒng)是以單片機，語音處理芯片及報警傳感器為基礎，利用公共電話網絡建立起來的智能家居服 務系統(tǒng)。它具有以下主要功能：（1）家電控制功能：打電話在通過密碼校驗后，在語音的提示下，進行遠程控制家電、查詢其工 作狀態(tài)及家電定時操作。（2 ）電話錄音功能：可來電留主及用戶自己錄音(3)自動語音報警功能：在無的情況下，監(jiān)控系統(tǒng)檢測到非法闖入，能自動拔打報警電話。在叫 通后，能接報警信息以語音的形式發(fā)送岀去。由上可以看到，在整個家居服務系統(tǒng)中，要多次實現(xiàn)語音提示，應答，查詢等功能。這些功能的實 現(xiàn)是靠單片機 89C51與ISD4004之間的通訊來完成的。89C51與ISD4004的連接如圖 3所示0

12、00033 p p p p p ?Pl. 0PL 1Fl. 2PL 3PL1 INTI n. ?ALE/PPSENPO, 3 X2 憶6 noRXDXIF2紅外IN-VCCD VCCASCLKK0S1H0S2 I NTREC ABOUT TN+VSSDVSSAV5SAVS5AXCLK圖3 ISD4OO4在智能控制中的典型應用圖中，ISD4004的13管腳是模擬語音信號的輸出端，輸出的語音信號通過LM386功率放大器放大,然后經過變壓器耦合到電話線上。MIC是麥克風，即語音信號的輸入端，輸出的模擬語音信號通過三極管組成放大器加到ISD4004語音芯片的輸入端。該系統(tǒng)的錄音子程序如下:LUYIN

13、:;用戶錄音子程序MOV R0，# # # # # # # # # #ACALL FAST ;語音提示如何修改JB P3.5，$MOV A，#20H ;語音芯片上電ACALL ISDXACALL YS50 ；上電延時ACALL YS50MOV A ，# # # # #；“# # # # # # 表”示是錄音具體地址ACALL ISDX ；置錄音地址MOV A ， #0A0HACALL ISDXSETB P1.0LUY1 ：MOV R1 ，#20H ；錄音開始LUY2 ： ACALL YS50DJNZ R1 ， LUY2MOV A ， #0B0H ；錄音ACALL ISDXSETB 1.0JNB

14、 P3.3 ， $LUY9 ：MOV A ，#30HACALL ISDXSETB P1.0LUY3 ：MOV R5 ，#10HLUY5 ：JNB P1.4 ， LUY4 ；檢查錄音是否超時JNB P3.5 ， LUY3DJNZ R5 ， LUY5MOV A ，#30H ；錄音停止ACALL ISDXSETB P1.0LUY6 ：MOV R4 ， #0FFHLUY7 ：MOV R5 ， #0FFHLUY8 ：MOV R6 ， #0FFHLUYA ：JNB P3.5 ， LUY9DJNZ R6 ，LUYADJNZ R5 ，LUY8DJNZ E4 ， LUY7SJMP GUANJILUY4 ：MOV R0 ，# # # # # #；“錄音超過，請重錄制 ”ACALL FSATSJMP LUYIN放音子程序：FANGYI ：MOV R0 ，# # # # # #；“提示放音程序開始工作ACALL FASTFANGY2 ：MOV R1 ， #0FFHFANGY3 ：MOV R2 ， #0FFHFANGY4 ：MOV A ， #0FFHMOV P0 ，ASETB P0.7SETB P0.4CLR P0.5SETB P0.6MOV A ，P0 ；讀 8880狀態(tài)寄存器JB ACC.2 ，F(xiàn)ANGY6FANGY6 ：DJNZ R2 ， FANGY4DJNZ R1 ， FANGY3SJMP GU