單片機控制下的ISD芯片內(nèi)容復(fù)制電路的解決方案

摘  要：針對ISD系列語音錄放芯片內(nèi)容復(fù)制難的問題，較為全面地給出了源芯片多信息段起始地址的獲取方法，同時給出了一個單片機控制下的ISD芯片內(nèi)容復(fù)制電路的解決方案。

　　1  引言

　　ISD系列語音芯片是美國ISD公司（于1998年底被臺灣華邦兼并）推出的高品質(zhì)隨錄隨放型語音芯片。憑借該公司獨有的模擬語音及多層式儲存技術(shù)(analog speech & multilevel storage technology)，ISD芯片將語音信號以模擬信號形態(tài)直接存儲于非易失性多級存儲陣列（一種E2PROM）里，使聲音的存儲與播放有別于一般電子合成語音，從而在錄放過程中無需經(jīng)過傳統(tǒng)形式的A/D、D/A轉(zhuǎn)換，進而更能達到原音重現(xiàn)的效果。同時，ISD芯片外圍控制電路簡單，控制信號與TTL電平兼容，易于與微處理器配合使用，具有抗斷電功能，信息存放不易揮發(fā)，支持多次錄放操作，可單獨應(yīng)用、多片級聯(lián)，具有很好的使用靈活性。因此，ISD芯片可廣泛應(yīng)用于語音警報、信息提示、語音留言等消費性、通信及工業(yè)控制、智能儀表等產(chǎn)品中。

　　然而，由于ISD芯片是模擬與數(shù)字電路的結(jié)合,對其內(nèi)部E2PROM中存放的電平信息不能像傳統(tǒng)數(shù)字量存儲器那樣通過編程器讀取，因此進行批量復(fù)制較為困難。同時，ISD芯片提供地址輸入線，支持直接地址操作，可分段存儲語音信息并精確控制語音的錄放，這就使得批量復(fù)制的一致性問題也很突出。雖然通過專用ISD器件開發(fā)設(shè)備可以解決這些問題，但對于少量應(yīng)用者，其成本偏高。因此，本文以ISD2532系列為例，給出了一種關(guān)于ISD系列語音芯片內(nèi)容復(fù)制的簡單解決方案。

　　本文第2部分簡單分析了ISD2532語音芯片原理，第3部分詳細敘述了ISD2532語音芯片內(nèi)容復(fù)制的實現(xiàn)。

　　2  ISD2532語音芯片原理[1]

　　ISD2532是ISD系列單片語音錄放集成電路的一種，錄音時間為32s，采樣頻率為8KHz，可提供優(yōu)于電話的音質(zhì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　ISD2532工作在錄音狀態(tài)時，麥克風(fēng)采集到的小信號從MIC進入，經(jīng)前置放大后從ANA OUT（模擬量輸出）輸出，經(jīng)過隔直電容后送入ANA IN（模擬量輸入）。這種輸入配置方式可以方便用戶自行設(shè)計性能更加優(yōu)良的前置放大器代替芯片內(nèi)部已有的功能部件，另外ANA IN可作為線輸入口（Line In），直接輸入電聲信號。進入ANA IN的信號經(jīng)過放大器、自動增益控制（AGC）以及低通濾波器，將被調(diào)整到存儲電路動態(tài)范圍的最佳電平，最終將通過模擬收發(fā)器寫入E2PROM中。在ISD2532的放音模式下，錄入的模擬電壓在采樣時鐘的控制下，順序的從模擬存儲陣列讀出，并經(jīng)輸出通道上的平滑濾波器去掉采樣頻率分量后恢復(fù)出原始波形，送入多路器，以便與外界其他信號混合，而后送入功率放大器，并由SP+、SP-端輸出，進而可直接驅(qū)動揚聲器。

　　ISD2532的典型錄放電路見圖2，外圍電路包括：麥克風(fēng)、揚聲器、開關(guān)和少數(shù)電阻、電容，以及常用5V電源。其基本控制過程極為簡單。首先將PD調(diào)為低電平，使芯片上電準備工作，同時設(shè)置P/R電平（高電平為放音，低電平為錄音）；然后輸入地址，制定錄放操作的起始地址；最后使CE為低電平，即在其下降沿啟動放音操作，在低電平狀態(tài)啟動錄音操作。一般情況下，放音操作自動結(jié)束；當(dāng)PD或CE變?yōu)楦唠娖綍r，即刻停止錄音操作。

　　ISD2532芯片可互斥工作于地址和模式兩種方式，這取決于地址引腳最高兩位的輸入狀態(tài)。當(dāng)最高兩位都為高電平時，其余地址引腳就作為操作模式選擇端，芯片可按預(yù)設(shè)的多種模式進行錄放，以便用最少的外圍器件實現(xiàn)最多的功能。否則，所有地址引腳的輸入均被解釋為地址位，用作當(dāng)前錄放操作的起始地址。由此可見，ISD2532芯片中的9位地址最多只能提供384個地址。好在ISD器件中的E2PROM存儲空間不是按字節(jié)編址的，而是以行為基本單位進行編址。ISD2532內(nèi)部的256K E2PROM存儲器被均勻地規(guī)劃為320行，從0開始的每個地址指向其中的一行。ISD2532的錄放時間是32s，因此它的地址分辨率為100ms。

　　ISD器件可以進行多段錄放操作，每段稱為一個信息段，占用一行或多行存儲空間，其中存放音頻數(shù)據(jù)和一個結(jié)束標志(EOM)。錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始，錄音結(jié)束時芯片內(nèi)部自動在該段的結(jié)束位置插入一個EOM標志；而放音時遇到EOM標志即自動停止本段放音。

　　3  ISD2532芯片內(nèi)容復(fù)制的實現(xiàn)

　　和數(shù)字存儲器復(fù)制不同的是，ISD芯片中存儲的是連續(xù)變化的聲音模擬量，因而對于ISD芯片的內(nèi)容復(fù)制標準可放寬到只要求根據(jù)存儲信息回放的聲音信息聽起來相同即可。鑒于此，在控制源芯片放音的同時，讓目的芯片錄音可達到內(nèi)容復(fù)制的目的，參見圖3，在單片機控制下，向源芯片和目的芯片發(fā)出相同的起始地址，同時控制兩個芯片的錄放操作即可實現(xiàn)復(fù)制目標。

　　由于ISD芯片可以指定起始地址進行錄放，所以，內(nèi)容復(fù)制必須保證在相同的起始地址處，源芯片和新復(fù)制的芯片存儲有聽起來相同的聲音信息。換句話說，復(fù)制過程必須保證兩芯片中存儲的信息段要實現(xiàn)地址對齊。因此，獲取源芯片中所有信息段的起始地址對于完成內(nèi)容復(fù)制任務(wù)是至關(guān)重要的。

　　3.1 源芯片地址信息獲取

　　ISD芯片的地址引腳只能作為輸入使用，因而在沒有專業(yè)開發(fā)設(shè)備的情況下，其內(nèi)部信息段的起始地址無法直接讀出[2]。然而在一般情況下，為充分利用存儲空間，芯片中第一個信息段的起始地址為0，并且上一段信息結(jié)束后的下一個地址就是當(dāng)前段的起始地址。所以，對于ISD2532芯片，設(shè)第i信息段的起始地址為Add[i]，并占Len[i]行存儲空間，則有：

　　這樣，要獲得Add[i]就必須知道Len[i]。由于已知ISD2532的地址分辨率是100ms，所以第i信息段的時間長度應(yīng)介于（Len[i]-1）x 100ms和Len[i] x 100ms。在源芯片播放時，通過捕捉其輸出的EOM信號可以獲知某個信息段的結(jié)束[2]。因此，通過對每個信息段的播放時間進行計時可確定該信息段占用的存儲空間大小，從而可得每個信息段的起始地址。

　　在芯片中信息段不連續(xù)存儲的情況下，我們不妨將第i信息段和第i+1信息段之間的空白行看為第i+1信息段的組成部分，這相當(dāng)于第i+1段的前面部分記錄了聽不到聲音的信息，并不影響聽覺。另外，由于ISD芯片在播放過程中，輸入地址保持不變，因此，如果源芯片所在系統(tǒng)電路便于測試，可直接通過測量的方法獲得所有信息段的起始地址。

　　3.2 內(nèi)容復(fù)制電路設(shè)計要點

　　ISD芯片內(nèi)容復(fù)制電路如圖4所示。圖中略去電源、自動增益控制、XCLK等相關(guān)外圍電路，這部分可參考圖2。地址信號、控制信號和狀態(tài)信號均為數(shù)字信號，可直接接至單片機（如MSC51系列）I/O端口，但考慮到有些單片機引腳的驅(qū)動能力有限，一般應(yīng)加上拉電阻。例如，89C2051的P1口中的P1.0和P1.1是比較器端，沒有內(nèi)部上拉電阻，而P1口的其它端均有內(nèi)部上拉，因此用P1口控制ISD芯片的地址線時，P1.0和P1.1兩端應(yīng)外接上拉電阻，否則地址控制會出錯。

　　在圖4的復(fù)制電路中，源芯片工作在放音狀態(tài)，從SP+輸出的聲音波形經(jīng)過分壓電阻R和隔直電容C的簡單調(diào)整，即可被送入目的芯片的ANA IN輸入端，在錄音過程中被存儲在目的芯片的E2PROM中。

　　在單片機程序設(shè)計中，通常把源芯片中所有信息段的起始地址放在一張表中，這樣可以通過查表指令獲取起始地址，便于對每個信息段進行放音錄音操作。同時，應(yīng)該注意程序中的延時處理，通常在給出啟動錄放操作的CE低電平之前，應(yīng)插入1~10ms的延時，以確保PD、P/R和地址信號穩(wěn)定；在查詢到源芯片有效的EOM輸出狀態(tài)時，考慮到ISD2532芯片的EOM低電平寬度為12.5ms，這里也應(yīng)加入12ms左右的延時；最后，在進入另一次循環(huán)處理下一信息段的復(fù)制之前，應(yīng)相應(yīng)地加入一些延時，以確保芯片能穩(wěn)定工作。

　　4  結(jié)束語

　　本文在介紹ISD2532語音芯片原理的基礎(chǔ)上，針對ISD2532芯片內(nèi)容復(fù)制的問題，較為全面地給出了源芯片多信息段起始地址的獲取方法，同時給出了一個簡單單片機控制下的ISD芯片內(nèi)容復(fù)制電路的解決方案。在調(diào)整相關(guān)參數(shù)情況下，該方案可適用于處理原理相近的ISD系列芯片的復(fù)制拷貝問題。

　　由于 ISD芯片具有現(xiàn)場錄音功能，ISD芯片在供電電源不穩(wěn)定，特別是上、下電期間可能會出現(xiàn)誤錄音問題；同時，在允許用戶自定義錄音時可能存在錄錯音問題。針對以上問題，本文提出的內(nèi)容復(fù)制電路也可作為一個模塊嵌入到實際系統(tǒng)中，作為恢復(fù)原始錄音的一種解決方案。