ISD4004语音芯片的工作原理及智能控制系统中的应用

    摘要：ISD4044是一种采用ChipCorder专利技术的语音芯片。此芯片无须A/D转换和压缩就可以直接储存，没有A/D转换误差，在一个记录位（BIT）可存储250级声音信号，相当于通常的A/D记录的8倍。片内集成了晶体振荡器、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。

    关键词：ISD4004 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

位	值	功  能	位	值	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