單聲道/立體聲錄放芯片MSM9841及其在數字語(yǔ)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(yǔ)音控制處理大規模集成芯片。文中介紹了該芯片的結構、特點(diǎn)、工作原理及其在數字語(yǔ)音錄放機中的應用。

關(guān)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(jìn)先出）存儲器的單聲道/立體聲語(yǔ)音控制處理大規模集成芯片。它可以很方便的同外部系統或非半導體存儲器進(jìn)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(yǔ)音回放質(zhì)量。MSM9841的錄音和回放功能可以由微處理器通過(guò)8/16bit的總線(xiàn)接口來(lái)進(jìn)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(shí)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(shí)，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(xiàn)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(hù)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(shí)，其緩沖時(shí)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(xiàn)性PCM算法；通過(guò)控制命令可實(shí)現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(xiàn)接口，這些管腳可以通過(guò)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(xiàn)接口，這些管腳可用作外部存儲器或微處理器的雙向數據總線(xiàn)。

D7～D0：到外部存儲器或微處理器的雙向數據總線(xiàn)。

WR：寫(xiě)允許，低有效。

RD：讀允許，低有效。

CS：讀寫(xiě)功能允許，低有效（低電平時(shí)，允許讀寫(xiě)功能操作）。

D/C：當該管腳為高電平時(shí)，語(yǔ)音數據可以從D0～D15引腳輸入或輸出。當該管腳為低電平時(shí)，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(shí)，該管腳輸出低電平。

圖2

EMP：當FIFO存儲器中無(wú)數據時(shí)該管腳輸出高電平，通過(guò)命令可使該管腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?/P>

MID：當FIFO中的數據超過(guò)FIFO存儲空間的一半時(shí)，該管腳輸出高電平。在回放期間，MID為高電平時(shí)開(kāi)始語(yǔ)音合成。通過(guò)命令可使MID由高電平變成低電平。當不使用FIFO時(shí)，該管腳可為語(yǔ)音的輸入/輸出提供一個(gè)同步信號。

FUL/DREQR：當FIFO存儲空間已滿(mǎn)時(shí)，該管腳輸出高電平。在回放期間，該管腳為高電平，FIFO中不能寫(xiě)入數據。FUL/DREQR輸出的高電平可由命令輸入來(lái)將其改變成低電平。當選擇DMA轉換和立體聲回放時(shí)，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(shí)，EMP、MID或FUL管腳輸出右移FIFO的狀態(tài)。當CH為低電平時(shí)，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(shí)需將該管腳設置為低電平。當選擇DMA轉換和立體聲回放時(shí)，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(shí)，IOW信號被接受。DACKR輸出的低電平可由命令輸入來(lái)將其改變成高電平。

DREQL：當選擇DMA轉換和立體聲回放時(shí)，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(lái)將其改變成低電平。

DACKL：當DMA控制器允許DMA轉換時(shí)，可輸入一個(gè)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(shí)，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(shí)，該管腳為將外部數據寫(xiě)入MSM9841的寫(xiě)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(shí)，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(shí)，該管腳為16bit串行數據輸入管腳，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(shí)，該管腳為16 bit串行數據輸出管腳。

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

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

VCK：錄音和回放時(shí)的輸出采樣頻率。當用外部ADC或DAC時(shí)，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(dòng)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(dòng)揚聲器。

DVDD：數字電源。在該管腳和數字地之間應接一個(gè)0.1μF電容。

DGND,AGND：數字地和模擬地。

AVDD：模擬電源。在該管腳和模擬地之間應接一個(gè)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(shí)控制器、音量控制器、ADPCM2/ADPCM/PCM分析器、ADPCM2/ADPCM/PCM/非線(xiàn)性PCM合成器、直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)接口、FIFO、ADC、DAC、LPF等部件構成。

對MSM9841可采用二進(jìn)制編碼命令進(jìn)行控制，從而完成錄音、回放、停止、暫停、音量調節、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(cháng)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(pán)和液晶顯示模塊以AT89C2051作為主控單元，通過(guò)串口與錄放音模塊變換指令與數據。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據總線(xiàn)上的數據類(lèi)型。當D/C為低電平時(shí)，數據總線(xiàn)上的信號為系統控制命令；當D/C為高電平時(shí)，總線(xiàn)上的信號為語(yǔ)音數據。由于A(yíng)T89C52是8位單片機，而MSM9841支持16位或8位數據總線(xiàn)，所以，在系統工作時(shí)，首先要利用MSM9841的控制命令將其設置為8位數據總線(xiàn)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(shí)，LM386輸出功率為300mW左右。MSM9841內部有2個(gè)運算放大器，可用于放大麥克風(fēng)的語(yǔ)音信號，每個(gè)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(gè)運算放大器可以級連，通過(guò)調節外部電阻阻值即可獲得所需的放大倍數。通過(guò)下式可調節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(shí)，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(guò)1/2采樣頻率的輸入頻率分量。這樣，就可滿(mǎn)足數據采樣系統所適用的奈奎斯特定理，然后送ADC進(jìn)行數據采樣。放大電路通過(guò)隔直電容與麥克風(fēng)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(gè)音頻輸入電路如圖5所示。

整個(gè)刻錄機系統采用4片2M8 bit的DRAM MSM5116800作為語(yǔ)音存儲介質(zhì)，在較高質(zhì)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(yǔ)音長(cháng)度大約是41.02420008/（84）=2048s。2M8 bit的DRAM的地址總線(xiàn)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(guò)分時(shí)復用共用9根地址線(xiàn)A0～A8，每片DRAM的尋址范圍為000000H～7FFFFFH，各片DRAM通過(guò)不同的CAS信號線(xiàn)來(lái)區別。DRAM有多種不同的讀寫(xiě)模式和存儲單元數據刷新模式，在本系統中，由于所需要的數據率非常低，所以可采用最基本的讀寫(xiě)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(xiě)；而刷新模式則采用cas-before-ras方式，并將刷新脈沖穿插到讀寫(xiě)時(shí)序中間。

該系統通過(guò)接收鍵盤(pán)指令來(lái)完成錄放音的操作。錄音時(shí)，首先利用二進(jìn)制命令對MSM9841進(jìn)行初始化，具體內容包括：設置語(yǔ)音合成方式為4 bit的ADPCM2算法；選擇采用內部ADC；設置總線(xiàn)寬度為8位；不采用DMA方式；配置FIFO的大小，FIFO最大可配置為1024 bit；設置輸出數據的模式；設定采樣頻率為8.0 kHz。此采樣頻率可使語(yǔ)音音質(zhì)大大優(yōu)于電話(huà)的音質(zhì)。提高采樣頻率還可使音質(zhì)進(jìn)一步得到改善，但錄音時(shí)間也就相應縮短；反之，較低的采樣頻率會(huì )增加錄音時(shí)間，但會(huì )降低音質(zhì)。

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(lái)啟動(dòng)錄音操作。在錄音的過(guò)程中當FIFO中的語(yǔ)音數據超過(guò)FIFO存儲空間一半時(shí)，MID引腳將變?yōu)楦唠娖?，并產(chǎn)生外部中斷信號送至MCU（微處理器）的INT1端以使MCU產(chǎn)生中斷響應，此時(shí)，MCU開(kāi)始讀取FIFO中的語(yǔ)音數據，然后轉存到DRAM之中，讀取過(guò)程中還要查詢(xún)EMP端的狀態(tài)，以免FIFO讀空。

與錄音相同，放音時(shí)首先進(jìn)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(dòng)放音操作。MCU開(kāi)始從DRAM中讀取要播放的語(yǔ)音數據并寫(xiě)入FIFO中，當FIFO中的語(yǔ)音數據裝滿(mǎn)時(shí)，FUL引腳將變?yōu)楦唠娖?，并產(chǎn)生外部中斷信號送至MCU的INTO端以使MCU產(chǎn)生中斷響應，此時(shí)應停止向FIFO寫(xiě)入數據。

在MCU錄、放音的過(guò)程中，可根據鍵盤(pán)指令向MSM9841發(fā)出暫?；蛲Ｖ姑?，以暫?；蚪Y束錄、放音操作。同時(shí)利用液晶顯示器來(lái)顯示當前正在執行的操作及操作結果。通過(guò)鍵盤(pán)和液晶進(jìn)行人機交流可方便的實(shí)現多段語(yǔ)音的錄放操作以及音量調節等功能。

5 結束語(yǔ)

基于MSM9841的錄放機在使用較為滿(mǎn)意8kbps的比特率時(shí)，其錄放音時(shí)間大約為34分鐘。若需延長(cháng)錄放音時(shí)間，可對存儲部分進(jìn)行擴展。系統使用廉價(jià)的DRAM作為語(yǔ)音存儲介質(zhì)，因此成本較低。整機具有結構簡(jiǎn)單、性能可靠、人機交互界面友好、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(chē)報站系統、錄音電話(huà)、自動(dòng)語(yǔ)音服務(wù)臺等領(lǐng)域。