ISD4004語音芯片的工作原理及智能控制系統中的應用

智能控制系統中的應用。

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通信協議。ISD4004系列工作電壓為3V，單片錄放時間為8～16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、自然地再現語音、音調和效果聲，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字電路也使用不同的地線。

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3kΩ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16mV，與ISD33000系列相同。

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。

音頻輸出（AUD OUT）：提供音頻輸出，可驅動5kΩ的負載。

片選（SS）：此端為低，即向該ISD4004芯片發送指令，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據放到本端，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。

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的數據傳輸。數據在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IVF時，本端變低并保持。中斷狀態在下一個SPI周期開始時清除。中斷狀態也可用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218.75μs，低電平31. 25μs。該端可用于存儲管理技術。

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協議是一個同步串行數據傳輸協議，該協議假定微控制器的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引腳的數據，而在下降沿則將數據送至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現如錄放、錄音、信息檢索（快進）、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IAB置0時，錄、放操作從A9～A0地址開始。為了能連貫地錄、放到后續的存儲空間，在操作到達該行末之前，應發出第二個SPI指令將IAB置1，否則器件在同一個地址上將反復循環。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 在智能控制中的典型應用

本系統是以單片機，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。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，監控系統檢測到非法闖入，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送出去。

由上可以看到，在整個家居服務系統中，要多次實現語音提示，應答，查詢等功能。這些功能的實現是靠單片機89C51與ISD4004之間的通訊來完成的。89C51與ISD4004的連接如圖3所示。

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

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

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狀態寄存器

JB ACC.2，FANGY6

FANGY6：DJNZ R2，FANGY4

DJNZ R1，FANGY3

SJMP GUANJI

CLR P0.4

MOV A，P0 ；讀8880接收數據寄存器

ANL A，#0FH ；屏蔽高四位

CJNE A，#02H，FANGYI；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，FANGY5

MOV R0，# # # # #

ACALL FAST

INC R0

SJMP FANGY2