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(shí)給出了一個單片機(jī)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(dú)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(jìn)而更能達(dá)到原音重現(xiàn)的效果。同時(shí)，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(dú)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(bào)、信息提示、語音留言等消費(fèi)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(jìn)行批量復(fù)制較為困難。同時(shí)，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(xì)敘述了ISD2532語音芯片內(nèi)容復(fù)制的實(shí)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(shí)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(shí)，麥克風(fēng)采集到的小信號從MIC進(jìn)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(jì)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(jìn)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(shí)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(jìn)而可直接驅(qū)動揚(yáng)聲器。
ISD2532的典型錄放電路見圖2，外圍電路包括：麥克風(fēng)、揚(yáng)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(zhǔn)備工作，同時(shí)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(shí)，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(shí)，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(jìn)行錄放，以便用最少的外圍器件實(shí)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(jìn)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(shí)間是32s，因此它的地址分辨率為100ms。
ISD器件可以進(jìn)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(biāo)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(shí)芯片內(nèi)部自動在該段的結(jié)束位置插入一個EOM標(biāo)志；而放音時(shí)遇到EOM標(biāo)志即自動停止本段放音。
3 ISD2532芯片內(nèi)容復(fù)制的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，讓目的芯片錄音可達(dá)到內(nèi)容復(fù)制的目的，參見圖3，在單片機(jī)控制下，向源芯片和目的芯片發(fā)出相同的起始地址，同時(shí)控制兩個芯片的錄放操作即可實(shí)現(xiàn)復(fù)制目標(biāo)。
由于ISD芯片可以指定起始地址進(jìn)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(shí)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(shí)間長度應(yīng)介于（Len[i]-1）x 100ms和Len[i] x 100ms。在源芯片播放時(shí)，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(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)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(jì)要點(diǎn)
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(jī)（如MSC51系列）I/O端口，但考慮到有些單片機(jī)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(shí)，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(jī)程序設(shè)計(jì)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(jìn)行放音錄音操作。同時(shí)，應(yīng)該注意程序中的延時(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)；最后，在進(jìn)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(shí)，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(shí)給出了一個簡單單片機(jī)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(shí)，在允許用戶自定義錄音時(shí)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(shí)際系統(tǒng)中，作為恢復(fù)原始錄音的一種解決方案。