摘 要： 介紹了ISD4004系列語音芯片" title="語音芯片">語音芯片,，分析了芯片語音信息分段的內部形成機制及特征，提出了獲取內部地址的方法;在此基礎上采用地址拷貝法,，開發(fā)設計出了語音拷貝系統(tǒng),，并給出了軟件設計,、硬件設計和部分應用程序;最后通過測試驗證了系統(tǒng)的可行性,。
關鍵詞： ISD4004 語音拷貝 語音信息段 地址拷貝
1 ISD4004語音芯片介紹
ISD系列語音芯片是Winbond公司推出的產品。該芯片采用多電平直接模擬存儲專利技術,，聲音不需要A/D轉換和壓縮,，模擬信號直接存儲在片內的閃爍存儲器中，沒有A/D 轉換誤差,， 因此能夠真實,、自然地再現(xiàn)語音、音樂及效果聲,。避免了傳統(tǒng)錄音電路量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲,。
ISD4004系列語音芯片的所有操作由微控制器控制，操作命令通過串行通信接口(SPI或Microwire)送入,。錄音采樣頻率可為4.0Hz,、5.3Hz、6.4Hz,、8.0Hz,，錄放時間可為8min、10min,、12min,、16min。采樣頻率越低,，錄放時間越長,，但音質則有所下降。片內信息存于閃爍存儲器中,，可在斷電情況下保存100年,，反復錄音10萬次(典型值)。器件工作電壓為3V,，工作電流為15～25mA,，維持電流為1μA。適用于移動電話機及其它便攜式電子產品中,。
本文以ISD4004-8MP(錄放時間為8min,，PDIP封裝)語音芯片為例，介紹了語音拷貝系統(tǒng)的設計,。
(聲明：本系統(tǒng)僅供測試使用，未經許可復制他人音頻內容,，造成的侵權行為,，由使用者自己承擔；在使用本系統(tǒng)過程中造成的語音信息的失真,、缺損及其它內容變更等責任,，由使用者自己承擔,。)
2 ISD4004語音拷貝系統(tǒng)的設計
系統(tǒng)設計的整體思路是用錄制好語音的器件(母片)放音，待拷貝的器件(子片)錄音,。其關鍵在于確?？截惓龅淖悠Z音信息和母片完全一致，為此采用地址拷貝法,。首先母片放音一遍,，確認母片的語音信息地址，建立地址索引表,；在母片放音的同時,，子片同步進行錄制拷貝，即在子片相同的地址處進行相應語音信息的錄制,。地址拷貝法確保了母片和子片的語音信息地址完全一致,。下面分軟件和硬件電路兩部分進行介紹。
2.1 軟件的設計
2.1.1 母片語音地址的確定
母片語音地址的確定是整個設計的重點,。ISD器件的地址不是通常意義上的字節(jié)地址單元,，而是內部存儲器的行地址。行是語音信息段的基本組成單位,。以ISD4004-8MP為例,，它內部的3840K閃爍存儲器單元共分為1600行，每個地址單元指向其中的一行,，即有1600個行地址單元,。ISD4004-8MP的錄放時間為八分鐘，采樣頻率為8kHz,，因此它的每行語音長度為200ms,，即地址分辨率為200ms。
ISD器件可以進行多段錄放操作,，每一段稱為一個語音信息段,。一個語音信息段由其起始地址、記錄的數(shù)據和信息結束標志EOM(表示一個語音信息段的結束)三部分組成,。ISD器件出廠時,，其內部存儲器的一行已經設計有多個可能的EOM標志位置。ISD4004系列一行有八個,，第一個位于行起始后的25ms處,，第八個位于行結束處，剩下EOM標志間隔25ms均勻分布,。錄音停止后,，向器件發(fā)送STOP命令，錄音的進程不會馬上停止,，到了下一個最近的可能EOM標志位置時,，用一個EOM標志寫入器件來記錄語音結束的位置,。這樣做可以使錄音的進程在盡可能短的時間內停止。在實際應用中,，一行最多只能有一個EOM標志說明語音信息段的結束,，無論這個標志在哪里，下一條語音信息將從新的一行開始,。所以一個語音信息段可以占用一行或多行存儲空間,，可以包括多個地址單元；一個地址單元最多只能作為一個獨立的段,。ISD4004最多可以分為1600個語音信息段,。
ISD器件存儲陣列中的每一行都可以獨立尋址。錄放操作都是從一行的行首開始,，可以一直持續(xù)到行尾,，自動無縫跳轉到下一行開始，繼續(xù)錄放,。不同之處在于放音時,，遇到EOM標志時，放音自動停止,，產生中斷,；錄音時，需要向器件發(fā)送STOP命令,，寫入一個EOM標志,，結束錄音。
放音時,，每播放一行語音,，產生一個RAC周期信號。每個RAC周期表示ISD存儲器操作進行了一行,。該信號保持175ms的高電平,，低電平為25ms。該端可以用于存儲器管理,。ISD在播放和快進操作中檢測到EOM或者OVF標志(表明ISD錄放操作已經達到存儲器的末尾)時,，都會產生中斷，
變低并保持,。中斷狀態(tài)在下一個SPI周期時清除,，也就是說每播放完一個語音信息段，便會產生中斷,。因此,，RAC和配合，可以確定每個語音段的起始和結束地址。在硬件設計中,，母片ISD4004的引腳接單片機的外部中斷" title="外部中斷">外部中斷INT0引腳，母片ISD404的RAC引腳接單片機的外部中斷INT1引腳,，通過外部中斷INT0的中斷程序,，判斷語音信息段的結束，通過外部中斷INT1的中斷程序,，記錄播放的行數(shù)目(即行地址),，那么下一個地址就是新的語音信息段的開始地址。這樣可通過中斷服務程序,，獲取每個語音信息段的地址,，然后建立地址索引表，記錄其起始地址,。
2.1.2 各種子程序" title="子程序">子程序的設計
為了便于編程,，對ISD器件的操作都需要設計相應的子程序。其中有：POWERUP(上電" title="上電">上電),、SETPLAY(從指定地址開始放音),、PLAY(從當前地址開始放音)、SETREC(從指定地址開始錄音),、REC(從當前地址開始錄音),、SETRMC(從指定地址開始快進)、MC(從當前地址開始快進),、STOP(停止當前操作),、STOPWRDN(停止當前操作并掉電)、RINT(讀狀態(tài)OVF和EOM),。在實際應用中,，針對母片和子片都有相應的子程序。根據器件的手冊,，某些操作必需進行適當?shù)难訒r,。播放和錄音時，還應遵守適當?shù)牟僮鞔涡颉?BR> (1) POWERUP
上電操作時,，要等待Tpud(上電延遲)后器件才能工作,。因此，單片機發(fā)送完上電指令后,，必須等待Tpud,，才能發(fā)送其它的指令。對于ISD4004-8MP,，Tpud＝25ms,。
(2) STOP
在放音或者錄音過程中停止當前操作時，單片機發(fā)送完停止指令后，要等待Tstop后器件才能停止工作,。對于ISD4004-8MP,，Tstop＝50ms。
(3) 為了達到較好的放音和錄音質量,，錄音和放音時,，建議采用下面的操作順序：
放音時：①發(fā)送POWERUP命令；②等待Tpud,；③從指定地址播放時發(fā)送SETPLAY命令,，從當前地址播放時發(fā)送PLAY命令；④結束放音時發(fā)送STOP命令或者等待播放操作檢測到EOM或者OVF時自動停止,。⑤等待Tstop,。
錄音時：①發(fā)送POWERUP命令；②等待Tpud,；③再次發(fā)送POWERUP命令,；④等待2倍Tpud；⑤從指定地址錄音時發(fā)送SETREC命令,；從當前地址錄音時發(fā)送REC命令,；⑥發(fā)送STOP命令，結束錄音,；⑦等待Tstop,。
2.1.3 拷貝程序的設計
拷貝前，先把母片語音完全播放一遍,，建立地址索引表,。母片語音地址確定后，可以開始語音拷貝,。通過相關子程序,，從母片地址索引表中調入不同語音段的地址，開始播放,，子片在相同的地址開始錄音,。播放到一個語音段結束時，母片檢測到EOM標志,，放音結束,，并產生中斷，單片機調用中斷程序,，向子片發(fā)送STOP命令,，寫入EOM標志，表示語音結束,。延時Tstop,，跳出中斷后,，記錄已經錄制的語音數(shù)目，并調入下一條語音的地址,，重復進行操作,，直到地址表查詢完畢或者母片檢測到OVF標志，表示全片放音結束,，錄音結束,。
2.2 硬件電路的設計
系統(tǒng)硬件電路圖如圖1所示。主要由單片機AT89C51,、電源轉換芯片MAX603、有關按鍵和跳線,、兩片同型號ISD4004-8MP(一片為母片,，一片為子片)和運放μA741等組成。硬件設計時,，要注意以下幾個方面：
(1)單片機引腳模擬SPI接口,，編程時應注意其時序。
(2)母片INT和RAC引腳分別接單片機外部中斷INT0和INT1,，應有上拉電阻,。
(3)芯片采用+3V電源供電，放音時最大消耗電流為30mA,，錄音時最大消耗電流為40mA,，因此ISD芯片要有獨立的電源提供穩(wěn)定的供電。設計中采用MAX603電壓轉換芯片,。
(4)錄音時輸入信號既可采用單端輸入(信號接在同相模擬輸入端ANA IN+),，也可采用差分輸入(信號同時接在同相模擬輸入端ANA IN+和反相模擬輸入端ANA IN-)。采用單端輸入時,，輸入信號的峰峰值最大為32mV,，此時器件輸出AUD OUT的峰峰值大約為450mV。為了擁有較好的音質,，需要對母片的聲音輸出進行衰減,，再通過去耦電容" title="去耦電容">去耦電容，接到子片的同相模擬輸入端ANAIN+,。而反相模擬輸入端ANAIN-則通過去耦電容接地,。兩個去耦電容大小值應相同。
(5)同型號芯片互相拷貝,，應使用ISD器件的內部時鐘,，即XCLK接地；采用音質優(yōu)先模式,，保障拷貝出的器件不會出現(xiàn)語速失真的情況,。
(6)為了使噪聲最小，器件的模擬電路和數(shù)字電路應使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝的不同引腳上,，模擬電源和數(shù)字電源最好分別走線,，盡可能在靠近電源處相連，去耦電容應盡量靠近器件,。器件內部的模擬電路和數(shù)字電路也應使用不同的地線,。幾個Vssa盡量在引腳焊盤上相連，并且用低阻通路連到地線上,，Vssd也用低阻通路連接到地線上,。
3 系統(tǒng)測試
拷貝完畢后，對錄制的子片進行測試,。系統(tǒng)采用夾具設計,，把母片和子片取出，把子片放在母片的位置,，通過更改相應的跳線,，使系統(tǒng)工作在放音模式下。采用順序播放(即語音按照順序連續(xù)播放)方法,，確認錄入子片的全部語音信息,。按地址播放(按照母片的地址索引表從子片的相應地址逐條播放)方式，確認子片語音信息地址和母片完全一致,。通過測試,，子片語音信息地址與母片完全一致，語音質量接近于母片質量,，達到了較好的效果,。
經測試，本系統(tǒng)適用于ISD4004系列的全部型號,，只需要在程序中更改為各自型號的Tpud和Tstop即可,。原則上，同型號和時間長度的ISD語音芯片都可以用本系統(tǒng)拷貝,，但由于不同型號器件每行語音長度(即地址分辨率)不同,，它們之間的拷貝可能會出現(xiàn)未知的問題。
4 部分程序
下面是語音拷貝和播放的部分程序,。
…………
;偽定義
SPI_SS1 EQU P1.0
SPI_MOSI1 EQU P1.1
SPI_MISO1 EQU P1.2
SPI_SCLK1 EQU P1.3
SPI_SS2 EQU P1.4
SPI_MOSI2 EQU P1.5
SPI_MISO2 EQU P1.6
SPI_SCLK2 EQU P1.7
ISD_STOP_KEY EQU P0.0
ISD_EN_KEY EQU P0.1
ISD_PR_KEY EQU P0.2
…………
;初始化單片機
LCALL INIT_MCU
;初始化母片ISD4004,，延時Tpud
;ISD1_×× 為母片子程序
LCALL ISD1_POWERUP
LCALL DELAY_25MS
;初始化子片ISD4004，兩次上電
;ISD2_×× 為子片子程序
LCALL ISD2_POWERUP
LCALL DELAY_25MS
LCALL ISD2_POWERUP
LCALL DELAY_25MS
LCALL DELAY_25MS
;主程序,，判斷是否開始操作
MAINLOOP:
JB ISD_EN_KEY, MAINLOOP
;判斷播放還是拷貝
JB ISD_PR_KEY, ISD_PLAY1
JNB ISD_PR_KEY, ISD_COPY1
;置中斷標志
SETB FLG_ISD_INT
;拷貝程序
;從語音信息地址調用子程序ISD_ADDRESS_COPY,，
;從索引表中調入地址
ISD_COPY1:
LCALL ISD_ADDRESS_COPY
; 從指定地址開始播放和錄音
LCALL ISD1_SETPLAY
LCALL ISD2_SETREC
;從當前地址開始播放和錄音
LCALL ISD1_PLAY
LCALL ISD2_REC
;判斷是否手動結束拷貝操作
ISD_COPY2:
JNB ISD_STOP_KEY, ISD_COPY3
;判斷一段語音是否播放完畢，是否中斷處理完畢
;播放完畢重置中斷標志
JB FLG_ISD_INT, ISD_COPY2
SETB FLG_ISD_INT
;延遲Tstop
LCALL DELAY_25MS
LCALL DELAY_25MS
;記錄拷貝個數(shù),，×× 為需要拷貝的語音數(shù)目
;判斷是否拷貝完畢,，未完則繼續(xù)拷貝
INC COPY_CNTR
MOV A, COPY_CNTR
CJNE A, ××, ISD_COPY1
;拷貝結束,，返回主程序
ISD_COPY3:
LCALL ISD1_STOP
LCALL ISD2_STOP
LJMP MAINLOOP
;播放程序，順序播放方式
;設置從地址00開始進行播放
ISD_PLAY1:
MOV ISD_ADRESS_H, #00H
MOV ISD_ADRESS_L, #00H
LCALL ISD1_SETPLAY
;開始播放
ISD_PLAY2:
LCALL ISD1_PLAY
;判斷是否手動結束播放
ISD_PLAY3:
JNB ISD_STOP_KEY, ISD_PLAY4
;判斷一段語音是否播放完畢,，是否中斷處理完畢
;播放完畢重置中斷標志
JB FLG_ISD_INT, ISD_PLAY3
SETB FLG_ISD_INT
;繼續(xù)播放
JMP ISD_PLAY2
;播放結束
ISD_PLAY4:
LCALL ISD1_STOP
LJMP MAINLOOP
…………
拷貝出的子片已經應用在排隊管理系統(tǒng)的語音部分,。在實際使用中，子片完全可以替代母片,，效果良好,。本系統(tǒng)不但解決了ISD4004系列器件的語音錄制問題，而且復制出的器件地址完全一致,，與傳統(tǒng)的錄制方法相比,，有很大的優(yōu)勢。
參考文獻
1 ISD4004 Series Single-Chip Multiple-Messages Voice Record/Playback Devices 8-, 10-, 12-, and 16-Minute Duration. Winbond Electronics Corp., 2004
2 The ISD Chipcorder Product Line: Sizes, Row Lengths and Other Useful Drtails for Address Able ISD Products.Winbond Electronics Corp., 2000
3 劉 欣,，安欣賞,，劉大生，許鳴宇.ISD語音器件分段地址的獲取.電子技術應用,，1999；25(10)：64～65