语音录放电路ISD系列芯片应用电路图

基本特点: 语言录放电路ISD2590系列按录放存储时间和采样速率的不同分为ISD2545(45s)、ISD2560(60s)、ISD2575(75s)、ISI2590(90s)共四种，这里以介绍ISD2590为例。 ISD2560实质是一个模拟数据采集系统，录放的信息可以直接记录在芯片内部的EEP ROM中，因而可以较好地保留语言模拟量中的有效成分，减少音质失真，提高录放质量，获得自然、逼真的音响还原效果。 因片内有电可改EEPROM，所以可以随录、随放，任意改写或删除，不需专用的语言固化开发系统进行编程和烧录。重复录音次数为1万次以上，录放的信息可以保存l0年以上，断电后信息不会丢失。 具有最多可存储600个信息段的能力。 可以多片级联以增加存储能力。被录制的信息跨过两个器件的地址边界，从一个器件级联到另一个器件时，输出间断小于2ms。 采用双列直插28脚封装，双+5V电源供电。 ISD2590引脚图如下图所示: ISD2590引脚图 ISD2590内部电路结构框图 ISD2590系列芯片的应用电路图图中开关S3为录音放音转换开关，接高电平为放音，低电平为录音。Sl为启动按钮，S2为停止按钮。 在实际的语音系统中双声道立体声是一项应用最为普遍的技术，他是利用人们的听觉错觉，通过改变两个扬声器的声级差，能使聆听者前方产生一定角度的声音方向信息，从而使人们在聆听时有“身临其境”的听觉感受。然而目前较为简单的语音录放系统多数采用单声道，当需要实现双声道语音系统时，往往采用复杂的硬件电路才能构成一个双声道语音系统，使得双声道语音系统的制作成本大大提高。因此用一个较为简单的电路来实现双声道语音系统就显得很有实用价值。本文正是基于这个思想，应用美国ISD公司制造的语音芯片ISD4004来实现简单的双声道立体声语音录放系统，并采用ATMEL公司的AVR系列单片机MEGA8L作为微控制器。该单片机的工作电压和ISD4004的工作电压相同，均为3 V供电，并且该单片机集成了系统所需要的大部分外围器件，包括8 kB系统内可编程FLASH程序存储器，1 kB SRAM，512 B E2PROM，WATCHDOG以及晶振等，从而大大简化了系统的构成。原文位置 1 ISD4004芯片简介 ISD4004芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动降噪及高密度多电平闪烁存贮阵列。引脚包括电源、时钟、语音信号模拟输入/输出端及MCU接口(SPI接口)几部分。芯片采用多级存储技术，即声音无须A/D转换和D/A转换，采用模拟量直接存储技术，因此能够真实、自然地再现声音。ISD4004系列单片录放时间根据不同的采样频率可有816 min不等，采样频率可为4.0 kHz，5.3 kHz，6.4 kHz，8.0 kHz，采样频率越低，录放时间越长，但音质有所下降。芯片的所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI)送入。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引脚的数据，在时钟下降沿将数据送至MISO引脚。ISD4004详细参数可参考文献3。 2 立体声录放原理 虽然ISD4004采用的是模拟量直接存储技术，能够真实、自然地再现声音，但是要想不失真地再现原始语音信号，其采样频率也必须满足采样定理：当采样频率Fs大于信号最高频率Fm的2倍时，在采样过程中就不会丢失信息，并且可以用采样后的信号重构原始信号。即：Fs2Fm(2Fm为最小采样频率，亦为“奈奎斯特频率”) 实际的语音信号常有一些低能量的频率分量超过采样频率的一半，如浊音的频谱超过4 kHz的分量比其峰值要低40 dB以上;而对于清音，即使超过8 kHz，频率分量也没有下降，因此语音信号所占的频率范围可以到达10 kHz以上。然而对语音清晰度有明显影响部分的最高频率为5.7 kHz左右。CCITT(国际电报电话咨询委员会)提出的G.711标准建议采用采样频率为8 kHz。 ISD4004-8M的采样率为8.0 kHz，满足采样定理的频率标准，虽然录放时间较短但是音质较好，甚至可满足播放简单背景音乐的需求。立体声录放的实现采用两片ISD4004-8M芯片构成，如图1所示。工作原理为：将输入的双声道语音信号分为左右声道分别接入两片ISD4004-8M芯片信号输入端，录音时由单片机发出让两片芯片同时录音的指令，进行同步录音，使得输入的信号在存储的时候就能保证其原有的声级差，从而达到了双声道录音的目的。放音时由单片机同时发出放音指令，两片芯片同时放音，因存储时信号原有声级差已经保存，所以放音时可再现原始的立体声，也可以在放音时对两个芯片发送放音指令的时间间隔进行操作，可达到调整立体声的效果。原文位置 3 具有接近功能的立体声系统的硬件原理 该系统的硬件原理如图2所示，本系统的硬件主要由单片机MEGA8L，语音芯片ISD4004-8M，被动式红外传感器等构成。图中PIR(SENSOR)为两元被动红外热释电传感器，其输出信号连接到CPU的中断1的输入端，当有人接近时该传感器输出一个高电平信号，使得CPU进入中断，然后CPU再对ISD4004进行放音操作，使ISD4004输出已录制好的音频信号，再经过功率放大器放大后送入扬声器。两个按键TAPE，PALY是进行录音和放音的人工操作按键，相应有两个指示灯进行状态指示。MEGA8L还通过控制继电器K1来控制音频信号功率放大器的供电，在长时间没有放音时将自动切断其供电，这样降低了系统的功耗，避免了功率放大器长时间通电。 由于该系统的硬件设计针对的是语音模拟信号，所以在设计的时候应该注意模拟地和数字地的隔离，特别是在ISD4004芯片的引脚上，须注意不同的接地引脚接相应的地。录音时的输入信号如果是单声道的信号，应在录音时使得左右声道的输入端均接入该信号，并在对两个语音芯片发送录音指令时中间应有短时的时间间隔，可使得单声道产生一定的声级差，从而达到非立体声转换为立体声的效果。 4 软件设计 系统上电后先进行初始化，软件实现的基本操作有： (1)TAPE为录音按键，PLAY为放音测试按键，当TAPE键按下后，CPU操作ISD4004进行录音，同时相应的LED灯亮表示正在录音，此时当TAPE键再次按下时，录音停止，相应的LED灯灭表示录音停止。PIAY键为录音后的放音测试按键，按键后相当于红外传感器信号有效，CPU操作ISD4004进行放音，相应的LED灯亮表示正在放音，从而实现了语音在线录放; (2)每次录音时CPU将录音时间的长度记录到其内部的E2PROM中，以便在放音的过程中适时对ISD4004进行相应的启停操作; (3)CPU通过控制继电器来控制功率放大器的供电，若5 min没有人接近红外传感器，CPU自动切断功率放大器供电，从而减少了功率放大器的通电时间，延长了其使用寿命，减小了整个系统的功耗。 该程序采用的编译环境为：晶士电子Atmanavr C IDEV4.4; 程序烧制软件为：双龙电子的SLISP V1.1; 编译语言：C语言; 对ISD4004操作的例程如下： 5 结 语 本文介绍了由两片ISD4004语音芯片构成的具有接近功能的立体声语音系统，该系统已经成功应用于一个医疗产品展览会，满足自动语音立体声讲解的需求，且可以播放较为简单的背景音乐，能够可靠稳定地工作。该系统亦可应用于多煤体语音教学，语音导向系统等，为立体声语音录放电路设计开辟了一个新的途径。高保真语音录放电路及其在仪器中的应用张守波1，郭松林2（1黑龙江省计量检定测试院，黑龙江 哈尔滨150036；2哈尔滨电工仪表研究所，黑龙江 哈尔滨150040） 摘要：介绍20秒高保真单片语音录放电路ISD1420的工作原理、应用范围和使用方法。该电路已用在煤气燃气报警测试设备中。关键词：语音电路；操作模式；煤气燃气报警器High Fidelity Sound Recording and Playing Circuitand Its Applicationin Instrument ZHANGShoubo1，GUOSonglin2 （1Heilongjiang Research Istitute of Measuring Science，Harbin 150036，China；2Harbin Research Institute Electrical Instrumentation，Harbin 150040，China） Abstract：This paperintroducesthe work principle，application range and method of20 seconds high fidelityspeechsound recording and playing circuitISD1420Ithas been used in the coal gas and fire gase alarmtesting setKeywords：speech sound circuit；controlling mode；coal and fire gases alarmISD1420语音录放芯片由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统可由一块ISD1420芯片及麦克风、喇叭、两个按钮、电源、少数电阻电容组成。录音内容利用直接模拟存储技术直接存储。1ISD1420语音录放芯片的电特性11固体录放电路的特点（1）单片录放系统，外部元件最少；（2）重现优质原声，没有常见的背景噪音；（3）放音可由边沿或电平触发；（4）无耗电信息存储，省掉备用电池；（5）信息可保存100年，可反复录放10万次；（6）无需专用编程或开发系 统；（7）较强的分段选址能力，可处理多达160段信息；（8）具有自动节电模式；（9）录或放后立即进入维持状态，仅需05A电流；（10）单一5伏电源供电。12ISD1420语音录放芯片的电特性及管脚功能（1）芯片的电特性芯片工作电压5V；静态电流的典型值05A，最大值2A；工作电流：典型值15mA，最大值30mA（16）。（2）芯片引出端功能说明芯片的管脚如图1所示，各管脚功能见表1。13ISD1420语音录放芯片的操作模式（1）地址输入输出A0A7有双重功能（根据A6、A7的电平状态决定）。如果A6、A7中有一个是低电平，A0A7输入全部作为起始地址用。作为地址位使用时，其操作过程中不能输出内部地址信息。在信号的下降沿，地址输入信号将被锁定；（2）如果A6、A7同为高电平，则A0A7为模式位。各位功能见表2。其中AO为信息检索（或，它可使操作者不必知道每个信息的实际地址而快速检索每条信息，A0每输入一个低脉冲，可使得内部地址计数器跳到下一个信息。这种模式仅用于放音，通常与A4操作同时应用；A1为删除标志（REConly），它可使录放的分段信息成为连续的信息。用A1可删除每段中间信息后的EOM标志，仅在所有信息后留一个标志。当这个操作模式完成时，录入的所有信息就作为一个连续的信息放出：A3为循环重放信息（或它使存于存储空间始端的信息自动地连续重放。一条信息可以完全占满存储空间，由始至终反复重放；到A4为连续寻址，在正常操作中，当一个信息放出，遇一个标志时，地址计数器会复位，A4可防止地址计数器复位，使得信息连续不断地放出；A2、A5未被使用。 （3）使用操作模式有两点要注意1所有初始操作从0地址开始，0地址是ISD1420存储空间的起始端，以后的操作可根据模式的不同，而从不同的地址开始工作。当电路中录放音转换或进入省电状态时，地址计数器复位为0。2当变为低电平，同时A6、A7为高电平时，执行对应操作模式。这种操作模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止，这一刻现行的地址模式信号被取样并执行。（4）操作模式既可以用单片机控制实现，也可用硬件连线得到所需系统操作。其控制开关状态如表3所示。220秒高保真放音录放的电路的实现图1为ISD1420典型应用原理图。其中，A0A7全部接“0”电平，因此工作于地址模式，即从首地址开始，一段式20s（最长）录放音方式。 工作时，先按入RECORD键即开始录音，最长20s，录音结束后，该段语音即存于芯片内部的EEPROM中，直到下次录音才能改变。放音时，只要按一下PE键，则从头开始循环放音，按PL键则停止放音。 3结束语该电路已在煤气燃气报警器的测试设备中得到了很好的应用。其中PE和PL由8031控制，在该测试设备的开机自检阶段播放使用说明及注意事项，其实用效果良好。由于该电路价格比较便宜，且应用电路比较简单，可以有效地提高产品的市场竞争力。在使用某军用仪器时，需要两人操作，其中一人按10s或20s的预备时间要求，参照秒表倒计时减数进行指挥，另一人根据指挥口令适时操纵仪器。在这种情况下，如果使用由定时准确、录放方便的APR9600语音电路制成的倒计时语音自动触发器，便由一人操作仪器，而且便于与其它人员协调，明显提高了效率。倒计时触发器电路如附图所示。整个电路主要由语音录放电路、音频放大电路和触发控制电路三部分组成。电路原理分别叙述如下。语音录放电路用于预先录制和重放倒计时语言，并输出工作状态信号。语音录放电路主要由单片60s模拟语音录放芯片APR9600等器件构成。将/MSEL1设为“0”，/MSEL2设置为“1”，使芯片分两段使用，并行控制，每段录放音时间最大30s。S11为录放开关，合为录音，开为放音。合上S11并按下M1，对照秒表用本机话筒录上20s“倒计时开始，20、19、3、2、1、放”的倒计时语言。按下M2用相同方法录上10s倒计时语言，然后打开S11，使芯片呈放音状态。音频放大电路由小功率音频放大集成电路LM386等组成，用于进一步放大IC1发出的语音信号，增大音量。放音时，语言信号从SP输出，经W1调整后加到IC2进行放大并输出。触发控制电路主要由V1V4等元件构成，用于每次在放音完毕时，输出控制信号，触发仪器。IC1的脚为忙信号指示输出端，放音时输出低电平，L1发光。静止时，输出高电平，L1熄灭。静止状态时，IC1脚高电平经R14使V2导通，同时V1因无偏流而截止，V3、V4也截止，继电器在J1不动作。放音状态时，IC1脚输出低电平，V2截止，V1因有偏流而导通并给C7充电，C7上的电压同时经R15、V3的e极、b极和R16完成回路，在R16上产生约2.5V的压降，由于此电压小于发光二极管D1和V4的导通电压，故V4仍截止。放音完毕后，IC1脚恢复高电平状态，V1截止，V2导通，C7放电电流仍维持V3导通几秒钟，电源经V2、V3、R16完成通路，此时R16两端电压达到约3.5V，D1导通，V4也导通，J1吸合，J11接点闭合完成触发动作。D2选用导通电压为2V的发光二极管，J1选用H25HGK型，工作电压为5V的继电器。其它元件无特殊要求。使用时，首先按前述方法预先录制好倒计时语音，将J11接点并接在仪器的原触发开关两端，根据需要按M1或M2即可完成自动触发动作。