ISD4004語音芯片的工作原理及智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 概述

ISD4004是美國ISD公司制造的一種新款語音芯片。與ISD其它系列語音產(chǎn)品不同的是，ISD4004是一種微控制器“從”設(shè)備，而“主”控制器可以是內(nèi)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(shí)間為8～16分鐘，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其它便攜式電子產(chǎn)品中。該芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)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(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音調(diào)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(shí)間越長，音質(zhì)則有所下降， 片內(nèi)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(fù)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(yīng)盡量靠近器件。

地線（VSSA，VSSD）：芯片內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路也使用不同的地線。

同相模擬輸入（ANA IN+）：錄音信號(hào) 的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動(dòng)。單端輸入時(shí)，信號(hào)由耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值32mV，耦合電容和本端的3kΩ電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。差分驅(qū)動(dòng)時(shí)，信號(hào)最大幅度為峰峰值16mV，與ISD33000系列相同。

反相模擬輸入（ANA IN-）：差分驅(qū)動(dòng)時(shí)，為錄音信號(hào)的反相輸入端。信號(hào)通過耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值16mV。

音頻輸出（AUD OUT）：提供音頻輸出，可驅(qū)動(dòng)5kΩ的負(fù)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(yīng)在串行時(shí)鐘上升沿之前半個(gè)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(shí)，本端呈高阻態(tài)。

串行時(shí)鐘（SCLK）：ISD的時(shí)鐘輸入端，由主控制器產(chǎn)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(jìn)）中檢測到EOM或IVF時(shí)，本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個(gè)SPI周期開始時(shí)清除。中斷狀態(tài)也可用RINT指令讀取。

OVF標(biāo)志用來指示ISD的錄、放操作已到達(dá)存儲(chǔ)器的末尾。只在放音中檢測到內(nèi)部的EOM標(biāo)志時(shí)，此狀態(tài)位才置1。

行地址時(shí)鐘（RAC）：漏極開路輸出。每個(gè)RAC周期表示ISD存儲(chǔ)器的操作進(jìn)行了一行（ISD4004系列中的存貯器共2400行）。該信號(hào)保持高電平的時(shí)間為175ms，低電平時(shí)間為25ms。在快進(jìn)模式，RAC可保持高電平218.75μs，低電平31. 25μs。該端可用于存儲(chǔ)管理技術(shù)。

3 工作原理與功能特性

ISD4004聲音錄放采用CchipCorder專利技術(shù)，即無須A/D轉(zhuǎn)換和壓縮就可以直接儲(chǔ)存，沒有A/D轉(zhuǎn)換誤差，在個(gè)記錄位（BIT）可存儲(chǔ)250級(jí)聲音信號(hào)，相當(dāng)于通常的A/D記錄的8倍。

3.1 SPI（串行外設(shè)接口）

ISD4004工作于SPI串行接口。SPI協(xié)議是一個(gè)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(shí)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。

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

3.3 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

SPI控制寄存器控制器件可以實(shí)現(xiàn)如錄放、錄音、信息檢索（快進(jìn)）、上電/掉電、開始和停止操作、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

當(dāng)IAB置0時(shí)，錄、放操作從A9～A0地址開始。為了能連貫地錄、放到后續(xù)的存儲(chǔ)空間，在操作到達(dá)該行末之前，應(yīng)發(fā)出第二個(gè)SPI指令將IAB置1，否則器件在同一個(gè)地址上將反復(fù)循環(huán)。這一點(diǎn)對語音提示功能很有用。RAC腳和IAB位可用于信息管理。

4 在智能控制中的典型應(yīng)用

本系統(tǒng)是以單片機(jī)，語音處理芯片及報(bào)警傳感器為基礎(chǔ)，利用公共電話網(wǎng)絡(luò)建立起來的智能家居服務(wù)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(yàn)后，在語音的提示下，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制家電、查詢其工作狀態(tài)及家電定時(shí)操作。

（2）電話錄音功能：可來電留主及用戶自己錄音。

（3）自動(dòng)語音報(bào)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(dòng)拔打報(bào)警電話。在叫通后，能接報(bào)警信息以語音的形式發(fā)送出去。

由上可以看到，在整個(gè)家居服務(wù)系統(tǒng)中，要多次實(shí)現(xiàn)語音提示，應(yīng)答，查詢等功能。這些功能的實(shí)現(xiàn)是靠單片機(jī)89C51與ISD4004之間的通訊來完成的。89C51與ISD4004的連接如圖3所示。

圖中，ISD4004的13管腳是模擬語音信號(hào)的輸出端，輸出的語音信號(hào)通過LM386功率放大器放大，然后經(jīng)過變壓器耦合到電話線上。

MIC是麥克風(fēng)，即語音信號(hào)的輸入端，輸出的模擬語音信號(hào)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： ；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 ISDX

SETB P1.0

ACALL YS50 ；上電延時(shí)

ACALL YS50

MOV A，# # # # #

；“# # # # # #”表示是錄音具體地址

ACALL ISDX ；置錄音地址

MOV A，#0A0H

ACALL ISDX

SETB P1.0

LUY1：MOV R1，#20H ；錄音開始

LUY2：ACALL YS50

DJNZ R1，LUY2

MOV A，#0B0H ；錄音

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 ；檢查錄音是否超時(shí)

JNB P3.5，LUY3

DJNZ R5，LUY5

MOV A，#30H ；錄音停止

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，# # # # # #；“錄音超過，請重錄制”

ACALL FSAT

SJMP LUYIN

放音子程序：

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

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 ；讀8880狀態(tài)寄存器

JB ACC.2，F(xiàn)ANGY6

FANGY6：DJNZ R2，F(xiàn)ANGY4

DJNZ R1，F(xiàn)ANGY3

SJMP GUANJI

CLR P0.4

MOV A，P0 ；讀8880接收數(shù)據(jù)寄存器

ANL A，#0FH ；屏蔽高四位

CJNE A，#02H，F(xiàn)ANGYI；查詢是否“2”鍵按下，是則放音

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，F(xiàn)ANGY5

MOV R0，# # # # #

ACALL FAST

INC R0

SJMP FANGY2