ISD系列語(yǔ)音芯片的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

摘要：介紹了ISD公司單片語(yǔ)音芯片的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，提出了非定長(zhǎng)分段語(yǔ)音錄制和播放控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)組合評(píng)的無(wú)停頓式播放，并將其應(yīng)用于機(jī)車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷警裝置中，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音 直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)

概述

隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，語(yǔ)音處理器已層出不窮，并且性能越來(lái)越高，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，可用于微型錄音機(jī)、通訊、電話、車(chē)船、飛機(jī)黑匣子、有聲電子信函、語(yǔ)音信箱、高級(jí)玩具等，應(yīng)用前景十分廣泛。美國(guó)ISD公司利用本公司的專利“直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)”（DAST），把模擬數(shù)據(jù)成功的存入半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中。這種突破性的EEPROM存儲(chǔ)方法可以在每次取樣后，將數(shù)據(jù)暫存在取樣保持電路中，并最終將數(shù)據(jù)寫(xiě)入EEPROM存儲(chǔ)單元，而不需要A/D或D/A的轉(zhuǎn)換。這種技術(shù)產(chǎn)生的效果：①比同等的數(shù)字存儲(chǔ)方式增加了集成度。②模擬數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是不揮發(fā)的，因此可多次進(jìn)行錄放。在機(jī)車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷報(bào)警裝置中，采用了ISD公司的ISD4003系列語(yǔ)音芯片，用于對(duì)司機(jī)進(jìn)行隨車(chē)故障定點(diǎn)定性報(bào)警和應(yīng)急故障處理提示。

ISD語(yǔ)音芯片

圖1為ISD系列產(chǎn)品的基本框圖。在一塊芯片上集成有麥克風(fēng)前置放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗混淆和平滑濾波器、模擬存儲(chǔ)陣列、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器、控制接口和內(nèi)部精確的參考時(shí)鐘。其外部元件包括：麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、開(kāi)關(guān)和少數(shù)幾個(gè)電阻、電容，再加上電源或電池，就可構(gòu)成一個(gè)完整的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)。在只需要播放語(yǔ)音信息的應(yīng)用系統(tǒng)中，可直接外接揚(yáng)聲器，而無(wú)需外接其它器件。

錄音過(guò)程中，ISD系列器件在進(jìn)行存儲(chǔ)操作之前，要分幾個(gè)階段對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。首先要輸入信號(hào)放大到存儲(chǔ)電路動(dòng)態(tài)范圍的最佳電平，這個(gè)階段由前置放大器、放大器和自動(dòng)增益控制部分來(lái)完成。

前置放大器通過(guò)隔直流電容與麥克風(fēng)連接，隔直流電容用來(lái)去掉交流小信號(hào)中的直流成份(大約2～20mv）。信號(hào)的放大分兩步完成：先經(jīng)過(guò)輸入前置放大器，然后經(jīng)過(guò)固定增益放大器。完成信號(hào)的通路要在模擬輸出端(ANA OUT)和模擬輸入端(ANA IN)兩個(gè)引腳之間連接一個(gè)電容器。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，尤其對(duì)于非語(yǔ)音信號(hào)的應(yīng)用。同時(shí)提供一個(gè)用于截止低頻的端口。自動(dòng)增益控制電路動(dòng)態(tài)地監(jiān)控放大器輸出的信號(hào)電平并發(fā)送增益控制電壓到前置放大器。前置放大器增益自動(dòng)調(diào)節(jié)以便維持進(jìn)入濾波器的信號(hào)為最佳電平。這樣錄音的信號(hào)能得到最高電平又使削波減至最小。我們可以通過(guò)選擇連接到AGC引腳的電阻和電容值來(lái)調(diào)節(jié)描述自動(dòng)增益電路特性的兩個(gè)時(shí)間常量：即響應(yīng)時(shí)間和釋放時(shí)間。

下一個(gè)階段的信號(hào)調(diào)整是由輸入濾波器完成的。由于模擬信號(hào)的存儲(chǔ)仍然是采用取樣技術(shù)，因此還需要一個(gè)抗混淆濾波器以去掉（或至少減到可忽略不計(jì)的程度）取樣頻率1/2以上的輸入頻率分量。這樣就滿足了所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都遵循的奈奎斯特取樣定律。語(yǔ)音的質(zhì)量要想優(yōu)于電話的音質(zhì)，取樣頻率要用8KHz。低通濾波器的高頻頻限選在3.4KHz，可滿足奈奎斯特取樣定律，而且仍有足夠?qū)挼念l帶以得到高音質(zhì)的語(yǔ)音。濾波器是一個(gè)連續(xù)時(shí)間五極點(diǎn)低通濾波器，在3.4KHz每個(gè)倍頻程衰減40dB。

信號(hào)的調(diào)整至此已告完成。然后將輸入波形通過(guò)模擬收發(fā)器寫(xiě)入模擬存儲(chǔ)陣列中。由8KHz取樣時(shí)鐘取樣，并且經(jīng)過(guò)電平移位而產(chǎn)生不揮發(fā)寫(xiě)入過(guò)程所需要的高電壓，同時(shí)補(bǔ)償與Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)相關(guān)的一些實(shí)際因素。取樣時(shí)鐘也用于存儲(chǔ)陣列的地址譯碼，以便輸入信號(hào)順序的寫(xiě)入存儲(chǔ)陣列。

放音時(shí)，錄入的模擬電壓在取樣時(shí)鐘的控制下順序地從存儲(chǔ)陣列中讀出，恢復(fù)成原來(lái)的取樣波形。輸出通道上的平滑濾波器去掉取樣頻率分量并恢復(fù)原始波形。平滑濾波器的輸出通過(guò)一個(gè)模擬多路開(kāi)關(guān)連接到輸出功率放大器。兩個(gè)輸出管腳直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

ISD系列器件的線路設(shè)計(jì)基于每個(gè)EEPROM存儲(chǔ)單元等效于8位存儲(chǔ)器。信息寫(xiě)入存儲(chǔ)單元采用閉環(huán)方式。取樣保持電路在編程周期內(nèi)保持?jǐn)?shù)據(jù)并將存儲(chǔ)的模擬電壓提供給比較器的一個(gè)輸入端。比較器的另一個(gè)輸入是存儲(chǔ)單元本身的輸出。在多次寫(xiě)入中，電子被“泵入”存儲(chǔ)單元，并使存儲(chǔ)電平反饋到比較器，當(dāng)比較器的信號(hào)(也就是存儲(chǔ)單元的輸出電壓)等于取樣保持電平時(shí)，該存儲(chǔ)單元的編程停止。

開(kāi)發(fā)裝置

為了便于實(shí)現(xiàn)多片語(yǔ)音芯片的非定長(zhǎng)分段錄入，以及語(yǔ)音的編輯處理，我們開(kāi)發(fā)了基于PC機(jī)的ISD語(yǔ)音開(kāi)發(fā)裝置。原理如圖2所示。

首先，將語(yǔ)音錄入PC，通過(guò)CREATIVE的WAVESTUDIO進(jìn)行語(yǔ)音的編輯和處理，對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行分段處理，并存成單個(gè)獨(dú)立的文件。接著，通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的語(yǔ)音錄入系統(tǒng)，對(duì)分段的語(yǔ)音長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算精度為100ms，根據(jù)所選器件的語(yǔ)音容量和最大可分段數(shù)以及各段語(yǔ)音的長(zhǎng)度計(jì)算出各段錄制語(yǔ)音的起始地址和錄制時(shí)間，控制聲卡語(yǔ)音輸出并控制ISD語(yǔ)音芯片的指定地址的語(yǔ)音錄入，同時(shí)將各段語(yǔ)音時(shí)間長(zhǎng)度和起始地址生成數(shù)據(jù)庫(kù)表，寫(xiě)入到應(yīng)用系統(tǒng)的ROM中，便于應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要進(jìn)行非定長(zhǎng)語(yǔ)音組合，防止語(yǔ)音組合播放時(shí)的停頓。

ISD語(yǔ)音芯片應(yīng)用

在“機(jī)車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷報(bào)警裝置”中，我們應(yīng)用了ISD公司的ISD4003-8M(8分鐘)的語(yǔ)音芯片，用于車(chē)載定點(diǎn)定性的語(yǔ)音報(bào)警和故障應(yīng)急處理提示。

硬件接口示于圖3。

ISD串行語(yǔ)音芯片的錄放過(guò)程示于圖4和圖5。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上的介紹，我們可以看到： 1、ISD語(yǔ)音芯片精度高、集成度高，使微機(jī)的語(yǔ)音輸出結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，造價(jià)大大降低。2、由于ISD語(yǔ)音器件抗干擾性強(qiáng)，所以在環(huán)境惡劣的系統(tǒng)中，如機(jī)車(chē)車(chē)輛，也能進(jìn)行正常的語(yǔ)音輸出，信息保存時(shí)間長(zhǎng)，工作可靠。3、由于ISD芯片的輸出可以高保真的再現(xiàn)原聲，可將ISD語(yǔ)音芯片用于語(yǔ)音及聲音信號(hào)的檢測(cè)或模擬系統(tǒng)。4、系統(tǒng)中研制的基于PC機(jī)和聲卡的開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的非定長(zhǎng)錄制和無(wú)間斷停頓式組合播放。5、應(yīng)用在機(jī)車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷報(bào)警裝置中，實(shí)現(xiàn)了車(chē)載大量語(yǔ)音報(bào)警信息和故障應(yīng)急處理提示的功能，取得了良好的效果，現(xiàn)已通過(guò)鐵道部鄭州局鑒定，批量裝車(chē)。