ISD系列语音芯片电路介绍及其应用

语音芯片简介：<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

以前，数码语言的开发设计不但结构设计复杂、编程录制麻烦、开发生产成本高，而且音质欠佳，难以实用。现在，一切都发发生了彻底的改变，ISD数码语音电路给我们带来了变革。

ISD系列语音电路是美国ISD（Information Storage DevICe）公司的专利新产品，它打破了传统的先A/D在D/A的模式，而采用独特的直接存储模拟信号技术，从而大大提高存储密度，且使模拟信号得到永久保存。ISD系列电路以其音质自然、使用方便、单片存储、反复录放、低功耗、抗断电等众多优点立即在语音应用领域确立了其不可争辩的霸主地位，它在通讯设备、智能仪表、治安报警、语音报站、报数报价、语音讲解、语音记录、语音复读、教学仪器、智能玩具、电子礼品等场合获得了广泛的应用。

语音芯片具有可录放型：即可随录随放型，可以不断擦除的FLASH芯片。

ISD系列：从10s到16分钟的一系列芯片，以FLASHRAM闪烁存储器为IC为介质，断电后语音还能保存。特点：内部没有单片机，语音的音质是高保真的，不经过数据转换，控制有两种：并口和串口控制，控制简单，可以直接用按键控制录放音。语音可以划分256段语音。

APR系列：APR9301为单段30秒语音芯片，APR9600为40s到60s段语音长度可调录放芯片，可分段录放，断电后语音能保村。特点：控制不方便。ISD语音电路主要有1200、1400、2500、3300、4000五大系列产品，他们的主要贮存时间及性能如下表所示

器件型号	存储时间	采样频率	最大断数	控制方式	电压
ISD1210	10秒	6.4	80	地址并行	5V
ISD1420	20秒	6.4	160	地址并行	5V
ISD2560/90/120	60/90/120秒	8.0/5. 3/4.0	600/600/600	地址并行	5V
ISD33060/120/240	60/120/240秒	8.0/8.0/4.0	400/800/800	SPI串行	3
ISD4002-<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />2/3/4	2/3/4分钟	8.0/5.3/4.0	600	SPI串行	3V
ISD4003-4/6/8	4/6/8分钟	8.0/5.3/4.0	1200	SPI串行	3V
ISD-8/12/16	8/12/16分钟	8.0/5.3/4.0	2400	SPI串行	3V

以ISD4002为例介绍：

●内置微控制器串行通信接口

●3V单电源工作

●多段信息处理

●工作电流25-30mA,维持电流1μA

●不耗电信息保存100年(典型值)

●高质量、自然的语音还原技术

●10万次录音周期(典型值)

●自动静噪功能

●片内免调整时钟,可选用外部时钟

ISD4002系列工作电压3V,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、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阵列。芯片设计是基于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。芯片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,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、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"。可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。

引脚描述

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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上,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+) 这是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。

反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时,这是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ISD4003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OVF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----指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM标志----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(ISD4003系列中的存储器共产1200行，ISD4004系列中的存贮器共2400行)。该信号175ms保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC的218.75μs是高电平,31.25μs为低电平。该端可用于存储管理技术。

外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如附录所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。

自动静噪(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。

三、SPI(串行外设接口)

ISD4003工作于SPI串行接口。SPI协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作,因此对ISD4003而言,在时钟止升沿锁存MOSI引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO引脚。协议的具体内容为：

1、所有串行数据传输开始于SS下降沿。

2、SS在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间则保持为高电平。

3、数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。

4、SS变低,输入指令和地址后,ISD才能开始录放操作。

5、指令格式是(5位控制码)加(11位地址码)。

6、ISD的任何操作(含快进)如果遇到EOM或OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。

7、使用"读"指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时,控制及地址数据也应同步从MOSI端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然,也允许在一个SPI周期里,同时执行读状态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。

8、所有操作在运行位(RUN)置1时开始,置0时结束。

9、所有指令都在SS端上升沿开始执行。

(一)信息快进

用户不必知道信息的确切地址,就能快进跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍,遇到EOM后停止,然后内部地址计数器加1,指向下条信息的开始处。

(二)上电顺序

器件延时TPUD(8kHz采样时,约为25毫秒)后才能开始操作。因此,用户发完上电指令后,必须等待TPUD,才能发出一条操作指令。

例如,从00从处发音,应遵循如下时序:

1. 发POWERUP命令;

2. 等待TPUD(上电延时);

3. 发地址值为00的SETPLAY命令;

4. 发PLAY命令。

器件会从此00地址开始放音,当出现EOM时,立即中断,停止放音。

如果从00处录音,则按以下时序:

1. 发POWER UP命令;

2. 等待TPUD(上电延时);

3. 发POWER UP命令

4. 等待2倍TPUD;

5. 发地址值为00的SETREC命令;

6. 发REC命令。

器件便从00地址开始录音,一直到出现OVF(存贮器末尾)时,录音停止。

指令表

指令	5位控制码<11位地址>	操作摘要
POWERUP	00100<XXXXXXXXXXX>	上电:等待TPUD后器件可以工作
SET PLAY	11100< A10-A0>	从指定地址开始放音。必须后跟PLAY指令使放音继续
PLAY	11110<XXXXXXXXXXX >	从当前地址开始放音(直至EOM或OVF)
SET REC	10100<A10 -A0>	从指定地址开始录音。必须后跟REC指令录音继续
REC	10110< XXXXXXXXXXX >	从当前地址开始录音(直至OVF或停止)
SET MC	11101<A10 -A0>	从指定地址开始快进。必须后跟MC指令快进继续
MC	11111< XXXXXXXXXXX >	执行快进,直到EOM.若再无信息,则进入OVF状态
STOP	0X110< XXXXXXXXXXX >	停止当前操作
STOP WRDN	0X01X< XXXXXXXXXXX >	停止当前操作并掉电
RINT	0X110< XXXXXXXXXXX >	读状态:OVF和EOM

注：快进只能在放音操作开始时选择。

(三)SPI端口的控制位

(四)SPI 控制寄存器

SPI控制寄存器控制器件的每个功能,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。详见下表：

位	值	功能	位	值	功能
RUN = =	1 0	允许/禁止操作开始停止	PU = =	1 0	电源控制上电掉电
P/-R = = =	1 0	录/放模式放音录音	IAB = =	1 0	操作是否使用指令地址忽略输入地址寄存的内容使用输入地址寄存的内容
MC = =	1 0	快进模式允许快进禁止	P10-P0 A10-A0		行指针寄存器输出输入地址寄存器

注：IAB置0时,录、放操作从A10-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,否则器件在同一地址上反复循环。这个特点对语音提示功能很有用。RAC脚和IAB位可用于信息管理。SPI端口简单框图如下：

注意一：国内用户多习惯使用8031系列单片机做微控制器，与ISD33000、4000系列均可以方便地连接，ISD芯片需要3V稳压电源，信号线可直接使用3V或5V电平。

注意二：ISD4000系列芯片的控制方式与ISD33000系列完全相同，可相互参阅。

ISD4002/4003/4004芯片参数表

型号	存储时间（秒）	可分段数	信息分辩率（毫秒）	采样频率(HZ)	滤波器带宽(HZ)	控制码+地址位	控制指令字节数（8位）
ISD4002-120	120	600	200	8.0K	3.4K	5+11	2
ISD4002-180	180	600	300	5.3k	2.3k	5+11	2
ISD4002-240	240	600	400	4.0k	1.7k	5+11	2
ISD4003-04	240	1200	200	8.0K	3.4K	5+11	2
ISD4003-06	360	1200	300	5.3K	2.3K	5+11	2
ISD4003-08	480	1200	400	4.0K	1.7K	5+11	2
ISD4004-08	480	2400	200	8.0K	3.4K	8+16	3
ISD4004-16	960	2400	400	4.0K	1.7K	8+16	3

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