ISD4004-16M语音芯片的循环录放电路设计

    摘要：针对ISD语音芯片的特点，设计一种由单片机控制，能够循环录放的语音电路，可作为录音机，复读机、音频记录仪使用，既节省存储空间，又降低成本，具有较高的实用价值。

    关键词：ISD4004 语音 循环录放

目前，市场上的固体录音机及各种录音笔，大多采用的是顺序录音，不具备循环录音功能，一旦存储器录满，必须重新操作才行。本文设计一种能够循环录放的语音电路，即可解决上述问题。

1 器件功能介绍

ISD系列语音芯片是美国ISD公司推出的产品。该系列语音芯片采用多电平直接接模拟存储（Chip Corder）专利技术，声音不需要A/D转换和压缩，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，没有A/D转换误差，因此能够真实、自然地再现语音、音乐及效果声。避免了一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声。

图1

    ISD4004语音芯片采用CMOS技术，内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等（见图1），因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。芯片设计是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。采样频率可为4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0kHz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。片内信息存于内烁存储器中，可在断电情况下保存100年（典型值）反复录音10万次。器件工作电压3V，工作电流25～30mA，维持电流1μA?单片录放语音时间8～16min，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。

1.1 引脚描述

ISD4004系列芯片引脚图如图2所示。

图2

    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输入阻抗决定了芯片频率的低端截止频率。在差分驱动时，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，本端的标称输入阻抗为56kΩ,单端驱动时，本端通过电容接地。两种方式下，ANA IN+和ANA IN-端的耦合电容值应用相同。

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，即选中ISD4004系列。

串行输入（MOSI）-此为单行输入端，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。

图3

    串行输出（MISO）ISD-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，由于控制器产生，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周期开始清除，中断状态也可用RITN指令读取。

行地址时钟（RAC）-漏极开始输出。生个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行（ISD4004系列中的存储器有2400行）。8kHz采样频率的器件，RAC周期为200ms，其中175ms保持高电平，低电平为25ms。快进模式下，RAC为218.75μs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）-本端有内部下拉元件，芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+1%内，在不外接时钟时，此端必须接地。

自动静噪（AM CAP）-1μF电容构成内部峰值检测电路的一部分，检测出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪电路的工作与否。大信号时自动静噪电路不衰减，静音时衰减6dB。同时，1μF电容也影响自动静噪电路时信号幅度的响应速度，本端接VCCA则禁止自动静噪。

    1.2 串行外部接口（SPI）

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，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ISD4004而言，在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。协议具体内容如下。

①所有串行数据传输开始于SS下降沿。

②SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间保持为高电平。

③数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。

④SS变低，输入指令和地址后，ISD行才开始录放保持。

⑤指令格式是8位控制码加16位地址码。

图5

    ⑥ISD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”指令会使中断状态位移出ISD的MISO引脚时，控制及地址数据也同步从MOSI端移入。

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。

    OVF标志指示ISD录放操作已到达存储器的末尾。EOM标志只有放音过程中检测到内部的EOM标志时，此状态位置1，如图3所示。

以下列举了几种对ISD器件进行操作进的批令次序。

图6

    *信息快进。用户不必知道确切的地址，就能快地跳过一条信息。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，内部地址计数器加1，并接下条信息开始处。

*上电顺序。器件延时TPUD（8kHz）采样时，约25ms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处放音，应遵循如下时序：发power up命令；等待TPUD（上电延时）；发地址值为00的SETPLAY命令；发PLAY命令。器件会从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：发power up命令；等待TPUD（上电延时）；发power up命令；等待2倍TPUD；发地址值为00的SETREC命令；发REC命令。器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF（存储器末尾），录音停止。

1.3 时序

8位及24位命令格式如图4和图5所示。

录音、放音、停止时序如图6所示。

图7

2 循环录放电路的设计

该电路采用AT89C51单片机，通过操作5个微型按扭开关和一个微动开关实现功能转换，操作命令由串行通信接口（SPI）送入。电路即可工作在顺序模式，又可工作在循环模式。当工作在循环模式。当工作在循环模式的录音状态时，ISD芯片将始 终记录最后16min的语音信息，直至按下停止键。

2.1 硬件电路设计

电路原理图如图7所示，整个电路由单片机控制显示电路、ISD4004语音录放电路、话筒输入电路、音频功率放大电路几部分构成。ISD4004的片选信号SS由控制器P2.0提供。单片机AT89C51的串行口工作于同步移位寄存器方式，同步移位脉冲由TXD（P3.1）输出至ISD4004的串行时钟输入端SCLK，数据由RXD（P3.0）输入输出。因AT89C51单片机不具备（SPI）接口，故这里通过三态门将RXD（P3.0）数据线复用。对单片机而言，发射时作为输出，接至ISD4004的串行输入端（MOSI）；接收时作为输入，接至ISD4004的串行输出端（MISO）。电路中拔动开关Ks用于选择启用或取消循环录音功能。

2.2 软件设计

整个程序包括主程序和中断子程序两部分。AT89C51单片机提供了用户键盘、显示和ISD4004所需接口。它接收击键功作，并将相应指令传给ISD4004，同时监控ISD4004的中断输出。当开关KS闭合（KS=1）时，读取ISD4004的状态寄存器，从而根据OVF和EOM的状态进行相应的处理。当OVF=1，即存储器溢出时，则不管当前为何种状态均将ISD4004的地址置零，并继续运行原指令；当EOM=1时，当前状态只可能为放音或快进，若为快进则置为放音态，并继续运行。如此设计便实现了循环录放的功能，同时在快进时，自动停止在下一个语音段开始处，并继续放音。

中断程序流程图如图8所示。源程序清单见网站www.dpj.com.cn。

3 总体性能与功能扩展

该电路正常工作时功耗为200mW，音量增大时功耗有所增加。整个电路工作稳定、可靠，输出的声音清晰，音色优美，主观上听不到循环模式下将ISD地址置零所产生的间断音。系统最大录放时间为16min，如需增加录放时间，只需增加ISD4004芯片数量，通过片选即可实现。例如，采用4片ISD4004，就能达到近一个小时的录音长度。