ISD系列語音芯片的開發(fā)與應(yīng)用

摘要：介紹了ISD公司單片語音芯片的開發(fā)與應(yīng)用，提出了非定長分段語音錄制和播放控制技術(shù)，實現(xiàn)組合評的無停頓式播放，并將其應(yīng)用于機車隨車質(zhì)量狀態(tài)診斷警裝置中，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：語音 直接模擬存儲技術(shù)

概述

隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，語音處理器已層出不窮，并且性能越來越高，應(yīng)用范圍也越來越廣，可用于微型錄音機、通訊、電話、車船、飛機黑匣子、有聲電子信函、語音信箱、高級玩具等，應(yīng)用前景十分廣泛。美國ISD公司利用本公司的專利“直接模擬存儲技術(shù)”（DAST），把模擬數(shù)據(jù)成功的存入半導(dǎo)體存儲器中。這種突破性的EEPROM存儲方法可以在每次取樣后，將數(shù)據(jù)暫存在取樣保持電路中，并最終將數(shù)據(jù)寫入EEPROM存儲單元，而不需要A/D或D/A的轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)產(chǎn)生的效果：①比同等的數(shù)字存儲方式增加了集成度。②模擬數(shù)據(jù)的存儲是不揮發(fā)的，因此可多次進行錄放。在機車隨車質(zhì)量狀態(tài)診斷報警裝置中，采用了ISD公司的ISD4003系列語音芯片，用于對司機進行隨車故障定點定性報警和應(yīng)急故障處理提示。

ISD語音芯片

圖1為ISD系列產(chǎn)品的基本框圖。在一塊芯片上集成有麥克風(fēng)前置放大器、自動增益控制電路、抗混淆和平滑濾波器、模擬存儲陣列、揚聲器驅(qū)動器、控制接口和內(nèi)部精確的參考時鐘。其外部元件包括：麥克風(fēng)、揚聲器、開關(guān)和少數(shù)幾個電阻、電容，再加上電源或電池，就可構(gòu)成一個完整的語音錄放系統(tǒng)。在只需要播放語音信息的應(yīng)用系統(tǒng)中，可直接外接揚聲器，而無需外接其它器件。

錄音過程中，ISD系列器件在進行存儲操作之前，要分幾個階段對信號進行調(diào)整。首先要輸入信號放大到存儲電路動態(tài)范圍的最佳電平，這個階段由前置放大器、放大器和自動增益控制部分來完成。

前置放大器通過隔直流電容與麥克風(fēng)連接，隔直流電容用來去掉交流小信號中的直流成份(大約2～20mv）。信號的放大分兩步完成：先經(jīng)過輸入前置放大器，然后經(jīng)過固定增益放大器。完成信號的通路要在模擬輸出端(ANA OUT)和模擬輸入端(ANA IN)兩個引腳之間連接一個電容器。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)設(shè)計更加靈活，尤其對于非語音信號的應(yīng)用。同時提供一個用于截止低頻的端口。自動增益控制電路動態(tài)地監(jiān)控放大器輸出的信號電平并發(fā)送增益控制電壓到前置放大器。前置放大器增益自動調(diào)節(jié)以便維持進入濾波器的信號為最佳電平。這樣錄音的信號能得到最高電平又使削波減至最小。我們可以通過選擇連接到AGC引腳的電阻和電容值來調(diào)節(jié)描述自動增益電路特性的兩個時間常量：即響應(yīng)時間和釋放時間。

下一個階段的信號調(diào)整是由輸入濾波器完成的。由于模擬信號的存儲仍然是采用取樣技術(shù)，因此還需要一個抗混淆濾波器以去掉（或至少減到可忽略不計的程度）取樣頻率1/2以上的輸入頻率分量。這樣就滿足了所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都遵循的奈奎斯特取樣定律。語音的質(zhì)量要想優(yōu)于電話的音質(zhì)，取樣頻率要用8KHz。低通濾波器的高頻頻限選在3.4KHz，可滿足奈奎斯特取樣定律，而且仍有足夠?qū)挼念l帶以得到高音質(zhì)的語音。濾波器是一個連續(xù)時間五極點低通濾波器，在3.4KHz每個倍頻程衰減40dB。

信號的調(diào)整至此已告完成。然后將輸入波形通過模擬收發(fā)器寫入模擬存儲陣列中。由8KHz取樣時鐘取樣，并且經(jīng)過電平移位而產(chǎn)生不揮發(fā)寫入過程所需要的高電壓，同時補償與Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)相關(guān)的一些實際因素。取樣時鐘也用于存儲陣列的地址譯碼，以便輸入信號順序的寫入存儲陣列。

放音時，錄入的模擬電壓在取樣時鐘的控制下順序地從存儲陣列中讀出，恢復(fù)成原來的取樣波形。輸出通道上的平滑濾波器去掉取樣頻率分量并恢復(fù)原始波形。平滑濾波器的輸出通過一個模擬多路開關(guān)連接到輸出功率放大器。兩個輸出管腳直接驅(qū)動揚聲器。

ISD系列器件的線路設(shè)計基于每個EEPROM存儲單元等效于8位存儲器。信息寫入存儲單元采用閉環(huán)方式。取樣保持電路在編程周期內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)并將存儲的模擬電壓提供給比較器的一個輸入端。比較器的另一個輸入是存儲單元本身的輸出。在多次寫入中，電子被“泵入”存儲單元，并使存儲電平反饋到比較器，當(dāng)比較器的信號(也就是存儲單元的輸出電壓)等于取樣保持電平時，該存儲單元的編程停止。

開發(fā)裝置

為了便于實現(xiàn)多片語音芯片的非定長分段錄入，以及語音的編輯處理，我們開發(fā)了基于PC機的ISD語音開發(fā)裝置。原理如圖2所示。

首先，將語音錄入PC，通過CREATIVE的WAVESTUDIO進行語音的編輯和處理，對語音進行分段處理，并存成單個獨立的文件。接著，通過自行開發(fā)的語音錄入系統(tǒng)，對分段的語音長度進行計算，計算精度為100ms，根據(jù)所選器件的語音容量和最大可分段數(shù)以及各段語音的長度計算出各段錄制語音的起始地址和錄制時間，控制聲卡語音輸出并控制ISD語音芯片的指定地址的語音錄入，同時將各段語音時間長度和起始地址生成數(shù)據(jù)庫表，寫入到應(yīng)用系統(tǒng)的ROM中，便于應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要進行非定長語音組合，防止語音組合播放時的停頓。

ISD語音芯片應(yīng)用

在“機車隨車質(zhì)量狀態(tài)診斷報警裝置”中，我們應(yīng)用了ISD公司的ISD4003-8M(8分鐘)的語音芯片，用于車載定點定性的語音報警和故障應(yīng)急處理提示。

硬件接口示于圖3。

ISD串行語音芯片的錄放過程示于圖4和圖5。

結(jié)語

通過以上的介紹，我們可以看到： 1、ISD語音芯片精度高、集成度高，使微機的語音輸出結(jié)構(gòu)大大簡化，造價大大降低。2、由于ISD語音器件抗干擾性強，所以在環(huán)境惡劣的系統(tǒng)中，如機車車輛，也能進行正常的語音輸出，信息保存時間長，工作可靠。3、由于ISD芯片的輸出可以高保真的再現(xiàn)原聲，可將ISD語音芯片用于語音及聲音信號的檢測或模擬系統(tǒng)。4、系統(tǒng)中研制的基于PC機和聲卡的開發(fā)工具，實現(xiàn)了語音的非定長錄制和無間斷停頓式組合播放。5、應(yīng)用在機車隨車質(zhì)量狀態(tài)診斷報警裝置中，實現(xiàn)了車載大量語音報警信息和故障應(yīng)急處理提示的功能，取得了良好的效果，現(xiàn)已通過鐵道部鄭州局鑒定，批量裝車。