單聲道/立體聲錄放芯片MSM9841及其在數(shù)字語音錄放機中的應用

摘要：MSM9841是日本OKI（沖）電氣半導體公司研制的單聲道/立體聲語音控制處理大規(guī)模集成芯片。文中介紹了該芯片的結構、特點、工作原理及其在數(shù)字語音錄放機中的應用。

關鍵詞：錄放機 MSM9841 FIFO

1 引言

MSM9841是日本OKI（沖）電氣半導體公司研制的帶有1kbitFIFO（先進先出）存儲器的單聲道/立體聲語音控制處理大規(guī)模集成芯片。它可以很方便的同外部系統(tǒng)或非半導體存儲器進行接口，且具有多種錄放模式。由于該芯片采用了較新的ADPCM2算法，因而可以保證非常高的語音回放質量。MSM9841的錄音和回放功能可以由微處理器通過8/16bit的總線接口來進行控制。MSM9841采用56腳QFP封裝，電源電壓為2.7V～5.5V，振蕩頻率為4.096MHz時的代樣頻率有以下值可供選擇：4.0 kHz、6.4 kHz、8.0 kHz、12.8 kHz、16.0 kHz、32.0 kHz（僅用于回放）；振蕩頻率為5.6448 MHz時，采樣頻率可以選擇22.05 kHz或44.1 kHz（僅用于回放）。MSM9841具有8/16bit總線接口和DMA接口且內含低通濾波器、14bitA/D和D/A轉換器，采樣頻率為16 kHz或更低；具有由用戶定義（256/512/1024bit）的FIFO存儲功能（當使用8 kHz采樣頻率，4bitADPCM2/ADPCM算法，非立體聲模式時，其緩沖時間為32ms）；支持4種錄放壓縮算法，即4/5/6/7/8bit ADPCM2算法、4bit ADPCM算法、16 bit PCM算法和8bit非線性PCM算法；通過控制命令可實現(xiàn)8級音量控制（0dB～21dB）。

2 引腳排列及功能

MSM9841的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能如下：

D15～D8：對于8 bit總線接口，這些管腳可以通過命令被定義到外部存儲器的輸入輸出接口。否則，這些管腳只能定義為輸入管腳。對于16 bit總線接口，這些管腳可用作外部存儲器或微處理器的雙向數(shù)據(jù)總線。

D7～D0：到外部存儲器或微處理器的雙向數(shù)據(jù)總線。

WR：寫允許，低有效。

RD：讀允許，低有效。

CS：讀寫功能允許，低有效（低電平時，允許讀寫功能操作）。

D/C：當該管腳為高電平時，語音數(shù)據(jù)可以從D0～D15引腳輸入或輸出。當該管腳為低電平時，D0～D7引腳用于輸入控制命令或輸出狀態(tài)。

BUSY：當處于錄音、回放、暫停狀態(tài)時，該管腳輸出低電平。

圖2

EMP：當FIFO存儲器中無數(shù)據(jù)時該管腳輸出高電平，通過命令可使該管腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?/P>

MID：當FIFO中的數(shù)據(jù)超過FIFO存儲空間的一半時，該管腳輸出高電平。在回放期間，MID為高電平時開始語音合成。通過命令可使MID由高電平變成低電平。當不使用FIFO時，該管腳可為語音的輸入/輸出提供一個同步信號。

FUL/DREQR：當FIFO存儲空間已滿時，該管腳輸出高電平。在回放期間，該管腳為高電平，F(xiàn)IFO中不能寫入數(shù)據(jù)。FUL/DREQR輸出的高電平可由命令輸入來將其改變成低電平。當選擇DMA轉換和立體聲回放時，DREQR輸出高電平信號表示需要DMA轉換。DREQR輸出的高電平亦可由命令輸入平將其改變成低電平。

CH/DACKR：當選擇立體聲回放且CH為高電平時，EMP、MID或FUL管腳輸出右移FIFO的狀態(tài)。當CH為低電平時，EMP、MID或FUL管腳輸出左移FIFO的狀態(tài)。在錄音和單聲道回放時需將該管腳設置為低電平。當選擇DMA轉換和立體聲回放時，該管腳為DACKR功能。在這種情況下，輸入DMA轉換應答信號到DACKR。當DACKR為低電平時，IOW信號被接受。DACKR輸出的低電平可由命令輸入來將其改變成高電平。

DREQL：當選擇DMA轉換和立體聲回放時，DREQL輸出高電平表示需要DMA轉換。DREQL輸出的高電平可由命令輸入來將其改變成低電平。

DACKL：當DMA控制器允許DMA轉換時，可輸入一個信號到DACKL端。如果DACKL為低電平，IOW和IOR信號將被接受。當選擇立體聲回放時，可給DACKL端輸入左移FIFO的DMA轉換應答信號。DACKL端的低電平可由命令輸入將其改變成高電平。如果不使用DMA轉換，應將該腳置為高電平。

IOW：在DMA轉換時，該管腳為將外部數(shù)據(jù)寫入MSM9841的寫脈沖輸入管腳。如果不使用DMA轉換，將該引腳置為高電平。

IOR：在DMA轉換時，該管腳可作為MSM9841的讀脈沖輸入管腳。如果不使用DMA轉換，應將該引腳置為高電平。

圖3

ADSD：當使用外部ADC時，該管腳為16bit串行數(shù)據(jù)輸入管腳，如果不使用外部ADC，則應將該引腳置為低電平。

DASD：當使用外部DAC時，該管腳為16 bit串行數(shù)據(jù)輸出管腳。

SIOCK：當使用外部ADC或DAC時，該管腳為16 bit串行數(shù)據(jù)輸入/輸出的同步時鐘管腳。

XT，XT：外部振蕩器連接管腳，當使用外部時鐘時，可將外部時鐘輸入到該管腳。

VCK：錄音和回放時的輸出采樣頻率。當用外部ADC或DAC時，VCK管腳的信號被用作同步信號。

RESET：復位管腳，低有效。

TESTO、TESTI：測試管腳，將該引腳置為低電平。

SG：模擬地輸出管腳。

MIN,LIN：內部OP放大器的反相輸入端，同相輸入端內部已連到信號地。

MOUT,LOUT：MOUT為內部放大器到MIN的輸出端，LOUT為內部放大器到LIN的輸出端。

AOUTL：內部LPF（低通濾波器）左路模擬信號輸出端。它是回放信號波形輸出端，將該管腳連到放大器后可驅動揚聲器。

AOUTR：內部LPF（低通濾波器）右路模擬信號輸出端。它是回放信號波形輸出端，將該管腳連到放大器后可驅動揚聲器。

DVDD：數(shù)字電源。在該管腳和數(shù)字地之間應接一個0.1μF電容。

DGND,AGND：數(shù)字地和模擬地。

AVDD：模擬電源。在該管腳和模擬地之間應接一個0.1μF電容。

3 內部結構及工作原理

MSM9841的內部結構如圖2所示，它主要由微處理器、定時控制器、音量控制器、ADPCM2/ADPCM/PCM分析器、ADPCM2/ADPCM/PCM/非線性PCM合成器、直接存儲器訪問接口、FIFO、ADC、DAC、LPF等部件構成。

對MSM9841可采用二進制編碼命令進行控制，從而完成錄音、回放、停止、暫停、音量調節(jié)、DMA轉換、設置使用內部或外部D/A、A/D、信號輸出模式選擇等功能。該控制命令的長度為8bit。

4 以MSM9841為核心的錄放機

基于MSM9841的錄放機電路如圖3所示，該錄放機采用雙CPU模式，以單片機AT89C52作為錄放音模塊的主控單元。鍵盤和液晶顯示模塊以AT89C2051作為主控單元，通過串口與錄放音模塊變換指令與數(shù)據(jù)。由于本錄放機未采用DMA方式，故MSM9841的DMA控制管腳均接高電平。MSM9841中D/C管腳的電平高低可決定數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)類型。當D/C為低電平時，數(shù)據(jù)總線上的信號為系統(tǒng)控制命令；當D/C為高電平時，總線上的信號為語音數(shù)據(jù)。由于AT89C52是8位單片機，而MSM9841支持16位或8位數(shù)據(jù)總線，所以，在系統(tǒng)工作時，首先要利用MSM9841的控制命令將其設置為8位數(shù)據(jù)總線模式。

錄放機音頻輸出端采用音頻功率放大器LM386，其電路連接如圖4所示。當電源電壓為+5V時，LM386輸出功率為300mW左右。MSM9841內部有2個運算放大器，可用于放大麥克風的語音信號，每個運算放大器對外提供反向輸入端和輸出端，而同向輸入端則在芯片內部與模擬地相連。兩個運算放大器可以級連，通過調節(jié)外部電阻阻值即可獲得所需的放大倍數(shù)。通過下式可調節(jié)VLO，以使其處于LOUT管腳所允許的電壓范圍內：

VLO=(R4/R3)VMO=(R2R4/R1R3)VIN(V)

當供電電壓為5V時，LOUT引腳所允許的電壓范圍為1～4V.LOUT管腳在芯片內部與輸入低通濾波器相連，可用于去掉超過1/2采樣頻率的輸入頻率分量。這樣，就可滿足數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)所適用的奈奎斯特定理，然后送ADC進行數(shù)據(jù)采樣。放大電路通過隔直電容與麥克風相連，隔直電容主要用于去掉低電平交流信號（約2～20mV）中的直流信號。整個音頻輸入電路如圖5所示。

整個刻錄機系統(tǒng)采用4片2M8 bit的DRAM MSM5116800作為語音存儲介質，在較高質量的8kbps的采樣速率下，若采用4 bit的ADPCM2算法，4片MSM5116800能夠記錄的語音長度大約是41.02420008/（84）=2048s。2M8 bit的DRAM的地址總線共20位，分為高位地址（即A0～A8和A9R～A11R共12位構成行地址Row address）和低位地址（即A0～A8共9位構成的列地址Column address）,兩者通過分時復用共用9根地址線A0～A8，每片DRAM的尋址范圍為000000H～7FFFFFH，各片DRAM通過不同的CAS信號線來區(qū)別。DRAM有多種不同的讀寫模式和存儲單元數(shù)據(jù)刷新模式，在本系統(tǒng)中，由于所需要的數(shù)據(jù)率非常低，所以可采用最基本的讀寫模式，即先發(fā)送完整的地址信號（包括行地址和列地址），然后讀寫；而刷新模式則采用cas-before-ras方式，并將刷新脈沖穿插到讀寫時序中間。

該系統(tǒng)通過接收鍵盤指令來完成錄放音的操作。錄音時，首先利用二進制命令對MSM9841進行初始化，具體內容包括：設置語音合成方式為4 bit的ADPCM2算法；選擇采用內部ADC；設置總線寬度為8位；不采用DMA方式；配置FIFO的大小，F(xiàn)IFO最大可配置為1024 bit；設置輸出數(shù)據(jù)的模式；設定采樣頻率為8.0 kHz。此采樣頻率可使語音音質大大優(yōu)于電話的音質。提高采樣頻率還可使音質進一步得到改善，但錄音時間也就相應縮短；反之，較低的采樣頻率會增加錄音時間，但會降低音質。

初始化完成之后即可發(fā)出控制命令10H（采樣頻率為8.0 kHz）來啟動錄音操作。在錄音的過程中當FIFO中的語音數(shù)據(jù)超過FIFO存儲空間一半時，MID引腳將變?yōu)楦唠娖?，并產生外部中斷信號送至MCU（微處理器）的INT1端以使MCU產生中斷響應，此時，MCU開始讀取FIFO中的語音數(shù)據(jù)，然后轉存到DRAM之中，讀取過程中還要查詢EMP端的狀態(tài)，以免FIFO讀空。

與錄音相同，放音時首先進行同樣的初始化，然后發(fā)控制命令20H（采樣頻率為8.0 kHz）啟動放音操作。MCU開始從DRAM中讀取要播放的語音數(shù)據(jù)并寫入FIFO中，當FIFO中的語音數(shù)據(jù)裝滿時，F(xiàn)UL引腳將變?yōu)楦唠娖?，并產生外部中斷信號送至MCU的INTO端以使MCU產生中斷響應，此時應停止向FIFO寫入數(shù)據(jù)。

在MCU錄、放音的過程中，可根據(jù)鍵盤指令向MSM9841發(fā)出暫停或停止命令，以暫停或結束錄、放音操作。同時利用液晶顯示器來顯示當前正在執(zhí)行的操作及操作結果。通過鍵盤和液晶進行人機交流可方便的實現(xiàn)多段語音的錄放操作以及音量調節(jié)等功能。

5 結束語

基于MSM9841的錄放機在使用較為滿意8kbps的比特率時，其錄放音時間大約為34分鐘。若需延長錄放音時間，可對存儲部分進行擴展。系統(tǒng)使用廉價的DRAM作為語音存儲介質，因此成本較低。整機具有結構簡單、性能可靠、人機交互界面友好、使用方便等一系列優(yōu)點，因而具有較好的應用前景。如果將存儲部分的DRAM換成FLASH或鐵電存儲器，該機還可被廣泛地應用于公交車報站系統(tǒng)、錄音電話、自動語音服務臺等領域。