基于ISDl420的语音编辑器设计

0 引言
    在嵌入式系统飞速发展的今天，人们的身边无时无刻不存在着嵌入式的产品。利用单片机和ISD1420芯片设计的语音编辑器可以方便地对播放的语音文件进行分段播放、分段组合、以及分段录音等功能。该语音编辑器可以用在测试仪以及其他产品上，也可以单独用来控制语音播放设备。

1 系统构成
    语音编辑器要具有分段录音、分段播放、分段组合播放等基本的语音编辑功能及良好的用户操作界面。
    系统设计主要围绕用户操作界面展开。在单片机控制下，对ISD1420进行上述基本的语音编辑操作。其系统结构如图1所示。

    显示器显示用户在对系统进行操作时的相关信息。如，分段地址、录放音提示、分段组合操作提示等等，以直观地指示用户操作。
    键盘 围绕语音编辑功能，系统应为用户提供一个友好的操作界面，以使用户方便灵活地使用本系统。
    单片机 作为系统的控制核心，从键盘接受用户命令，以控制系统显示及语音电路工作。
    ISD1420是一种录音数据永久保存、高保真、低耗电、适用于同单片机接口的新一代语音器件，是系统功能实现的核心。在单片机控制下实现了题目要求的所有功能。

2 硬件方案
2．1 显示部分
    在分段录音和放音过程中，系统应该为用户提供段地址显示，以为其指示当前正在操作的那个段，段地址为两位。在这些操作中，系统还应该提供操作指示，如提示开始、进行中、结束等。系统设置一位数码管，以闪烁、字符等形式提示用户操作。系统选择3位LED七段数码管，已基本满足操作提示的需求，如图2所示。3位LED七段数码管采用静态显示方式，其显示稳定，程序简单，电路实现也不复杂。它的显示数据由8位D触发器74LS374锁存输出，驱动数码管显示。8位D触发器的输入采用总线连接。其锁存控制由单片机的写命令WR，加上地址信息进行；其地址分配为FE00H，FD00H，FB00H。

2．2 键盘
    键盘是人机的主要界面，所有用户命令都是由它向单片机发出的。首先进行交互设计，根据功能要求设置功能键，包括录音、放音、组合、分段等按键，其操作使用方法见用户使用手册。
    对段地址，系统需要O～9的按键，以保证用户能够寻址ISD1420的所有段。系统总共由14个键构成。
    为满足系统结构的简单起见，系统采用与键盘单独接口。系统利用P1口与键盘阵列连接。其中，低4位作为单片机的键盘列扫描输入；高4位作为单片机的键盘行扫描输出。
    系统采用中断方式管理键盘，使系统能够实时地响应用户操作。键盘阵列的4列线，连接到4与门的输入。4与门的输出连接单片机INTl，为低有效。平时没有按键按下时，4与门连接的上拉电阻使与门的输出为高电平，无中断产生。这时程序从列输入的是1111。
    在扫描键盘时，程序首先让行扫描输出0000，这样，在这4行中的14个键，只要有一个键按下，与门都能输出低电平而产生中断。程序可通过键盘中断服务程序具体确定是那一个键按下，如图3所示。它的具体方法是，依次向各行(P1．7～P0．0)输出0，程序就能从列端口读出对应按键所在位置的列编码(P1．3～P0．O)。如表1所示。这样程序就能得到低4位与高4位的扫描值，得到对应键盘的编码值。

2．3 ISDl420
    与显示器一起采用总线连接，段地址单片机通过74LS374锁存后，再输入到ISDl420，74LS374锁存控制信号构成同显示器，由单片机的WR加上地址信号组合构成。它的地址分配为7FOOH。单片机通过一条输出指令完成语音电路的段地址输出，以控制语音电路分段操作，如图4所示。

    系统控制芯片的PLAYE端口，平时为高电平，当出现下降沿时开始录音。
    信号EOM是语音段结束标志，当录音结束，若存储器没完，ISD1420会自动为其加上EOM标志符，表示该段录音结束。放音时，当遇到EOM标志符，EOM信号会由高电平输出一个低脉冲。该信号连至单片机的T1／P3．5引脚，使单片机能够及时知道该语音段结束，以便控制下一步操作。
2．4 单片机
    这里选择的89C51具有40个I／O口。系统不能采用简单的最小系统连接，由上述可知，它无法满足该系统的需求。该设计可利用它的开放总线连接更多的设备。
    该设计将3个数码管和语音芯片通过总线方式接入系统。低位地址不用，所以不用进行低8位的地址扩展。选择A8，A9，A10分别作为3个数码低电平的有效地址信号，再与单片机的WR信号组合。以构成带地址信息的写控制信号。这样，程序便可像访问存储器一样访问这些端口，其地址为：FE00H，FD00H，FB00H。
    语音芯片也是采用这种方式进入系统的，其地址是7F00H。这种方式既可使电路简单，也可使操作简单。P1口作为系统的键盘扫描接口，连接如前述，这里不再赘述。

3 用户界面
    用户界面如下：
    键盘：0～9、[录音]、[放音]、[组合]、[分段]。
    显示：3位7段数码管。段号2位，以确定录音、放音位置；计数器1位，9～O减l计数。
    指令格式：<参数表><命令>。
    四个主要功能为：
    (1)分段
    操作：分段数+[分段]
    (2)录音
    操作：欲录音段号+[录音]
    显示：当按下[录音]时，欲录音段号闪3下后，计数显示9；录音开始，计数器减l，直到O，录音结束。
    (3)回放
    操作：欲放音段号+[放音]4)、组合放音：功能用于检查组合放音效果。
    操作：段号i+[组合]+段号j+[组合]+…+段号n+[组合]+[放音]
    显示：在组合时，显示段号，闪烁，按下[组合]后显示消失，再重复；组合放音时，显示当前放音段号；计数器先显示组合段总数，每放完一段减1，直到O。

4 软件方案
    内存分配如下：显示缓冲为3个单元，第一、二单元用于存放段号，第三单元用于存放计数器值。组合段缓冲为一个单元，为一个放音段地址。考虑单片机的存储容量与系统成本。设计考虑10个单元，FF为组合结束标志。当第一单元等于FF时，为缓冲器空，ISD1420的段地址从该缓冲区取出。软件流程图如图5所示。

    为方便起见，系统采用平均分段管理方式。根据ISDl420语音芯片器件使用手册可知，最多可分为160个段。其中，O～159为分段使用的有效地址。系统按1 s四个字的语速算，对于20 s的存储空间来说，最多不能超过80个段，该时段空间最小为1个字。其分段范围为1<分段数<80，在这个前提下，用户可根据实际需求来分段，段号为O～79。在执行[分段]命令时，要将地址间隔计算出来，以便段号与语音芯片地址映射。地址间隔存于专用地址间隔单元spacing中。分段寄存器seg_num：存放执行[分段]命令后的分段数。用户进行录音、放音的段号，程序必须验证在此范围方可执行，否则提示错误信息“E”。系统默认分段数seg_num为40，spacing为4，分段确定后，段地址可以由下式计算：
    分段地址=seg_num×spacing
    地址间隔=160／seg_num
    暂存器temp：系统预留一个单元。用来以二进制数方式存放段号。以temp_sign为暂存器标志，用于指示按键输入，其等于0时，段号只有1位；等于1时，段号有2位。前次数字键是十位，当前数字键是个位。如果是两位数，程序要对这两位二一十进制数进行计算，转换成二进制数，即BCD十位×10+BCD个位。存入temp。当执行录音、放音、分段操作时，程序从temp取参数，计算段地址。用户在输入段号时，如果出现错误，可重新输入。第一次输入的段号，将被第二次输入的段号覆盖。
    组合段缓冲ally_buf：系统预留1O个单元，只有执行组合放音时才用。组合是所有段中任意选择10个段构成的队列。系统用ally_point-er作为入队地址指针，以ally_out作为出队地址指针。组合放音时，在该指针指示下，依次将录音段从缓冲区中取出播放，以构成短语，直到ally_out=ally_pointer。程序在没有执行[组合]功能时，保持ally_pointer=O；当用户按下[组合]键时，程序应将暂存器temp的内容传入ally_buf中，并修改ally_pointer。在执行[放音]时，程序首先检查ally_pointer是否等于0，是，执行temp的段放音；否则。执行ally_buf的段放音，直到FF标志。用户指令单元dictate；存放用户指令。主程序从这里识别用户命令，并执行命令。命令标志sign_dic：其等于O时，当前按键为数字键。等于1时，当前按键为命令键。命令与数字的识别：当键盘码大于7F时，为数字按键，否则为命令按键。七段显示：O～9，E为错误提示。这里采用共阴极7段数码管，如图6所示。

    出口如下：
    temp为对应段号的二进制数。可以直接计算段地址，最大范围，小于分段数seg_num。
    sign_dic等于1时，请求执行dictate中的命令。
    dictate为命令代码。

5 结语
    按照该方法设计的语音编辑器可行性强，操作简单，界面清晰，在实际的生活中，该语音编辑器经过改进后可以很方便地应用到MP3，DVD，录音笔等音频设备中，同时也可以用到远程语音控制中。与其他的相比，该语音编辑器具有价格更低廉，可单独作为器件来实现，因此具有一定的实用价值。