ISD系列語(yǔ)音芯片的開(kāi)發(fā)與應用

摘要：介紹了ISD公司單片語(yǔ)音芯片的開(kāi)發(fā)與應用，提出了非定長(cháng)分段語(yǔ)音錄制和播放控制技術(shù)，實(shí)現組合評的無(wú)停頓式播放，并將其應用于機車(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 直接模擬存儲技術(shù)

概述

隨著(zhù)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，應用范圍也越來(lái)越廣，可用于微型錄音機、通訊、電話(huà)、車(chē)船、飛機黑匣子、有聲電子信函、語(yǔ)音信箱、高級玩具等，應用前景十分廣泛。美國ISD公司利用本公司的專(zhuān)利“直接模擬存儲技術(shù)”（DAST），把模擬數據成功的存入半導體存儲器中。這種突破性的EEPROM存儲方法可以在每次取樣后，將數據暫存在取樣保持電路中，并最終將數據寫(xiě)入EEPROM存儲單元，而不需要A/D或D/A的轉換。這種技術(shù)產(chǎn)生的效果：①比同等的數字存儲方式增加了集成度。②模擬數據的存儲是不揮發(fā)的，因此可多次進(jìn)行錄放。在機車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷報警裝置中，采用了ISD公司的ISD4003系列語(yǔ)音芯片，用于對司機進(jìn)行隨車(chē)故障定點(diǎn)定性報警和應急故障處理提示。

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、模擬存儲陣列、揚聲器驅動(dòng)器、控制接口和內部精確的參考時(shí)鐘。其外部元件包括：麥克風(fēng)、揚聲器、開(kāi)關(guān)和少數幾個(gè)電阻、電容，再加上電源或電池，就可構成一個(gè)完整的語(yǔ)音錄放系統。在只需要播放語(yǔ)音信息的應用系統中，可直接外接揚聲器，而無(wú)需外接其它器件。

錄音過(guò)程中，ISD系列器件在進(jìn)行存儲操作之前，要分幾個(gè)階段對信號進(jìn)行調整。首先要輸入信號放大到存儲電路動(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)去掉交流小信號中的直流成份(大約2～20mv）。信號的放大分兩步完成：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。這種結構使得系統設計更加靈活，尤其對于非語(yǔ)音信號的應用。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)地監控放大器輸出的信號電平并發(fā)送增益控制電壓到前置放大器。前置放大器增益自動(dòng)調節以便維持進(jìn)入濾波器的信號為最佳電平。這樣錄音的信號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)調節描述自動(dòng)增益電路特性的兩個(gè)時(shí)間常量：即響應時(shí)間和釋放時(shí)間。

下一個(gè)階段的信號調整是由輸入濾波器完成的。由于模擬信號的存儲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的程度）取樣頻率1/2以上的輸入頻率分量。這樣就滿(mǎn)足了所有數據采集系統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(huà)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(mǎn)足奈奎斯特取樣定律，而且仍有足夠寬的頻帶以得到高音質(zhì)的語(yǔ)音。濾波器是一個(gè)連續時(shí)間五極點(diǎn)低通濾波器，在3.4KHz每個(gè)倍頻程衰減40dB。

信號的調整至此已告完成。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)補償與Fowler-Nordheim隧道效應相關(guān)的一些實(shí)際因素。取樣時(shí)鐘也用于存儲陣列的地址譯碼，以便輸入信號順序的寫(xiě)入存儲陣列。

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陣列中讀出，恢復成原來(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)輸出管腳直接驅動(dòng)揚聲器。

ISD系列器件的線(xiàn)路設計基于每個(gè)EEPROM存儲單元等效于8位存儲器。信息寫(xiě)入存儲單元采用閉環(huán)方式。取樣保持電路在編程周期內保持數據并將存儲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)輸入是存儲單元本身的輸出。在多次寫(xiě)入中，電子被“泵入”存儲單元，并使存儲電平反饋到比較器，當比較器的信號(也就是存儲單元的輸出電壓)等于取樣保持電平時(shí)，該存儲單元的編程停止。

開(kāi)發(fā)裝置

為了便于實(shí)現多片語(yǔ)音芯片的非定長(cháng)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，對語(yǔ)音進(jìn)行分段處理，并存成單個(gè)獨立的文件。接著(zhù)，通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的語(yǔ)音錄入系統，對分段的語(yǔ)音長(cháng)度進(jìn)行計算，計算精度為100ms，根據所選器件的語(yǔ)音容量和最大可分段數以及各段語(yǔ)音的長(cháng)度計算出各段錄制語(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(cháng)度和起始地址生成數據庫表，寫(xiě)入到應用系統的ROM中，便于應用系統根據需要進(jìn)行非定長(cháng)語(yǔ)音組合，防止語(yǔ)音組合播放時(shí)的停頓。

ISD語(yǔ)音芯片應用

在“機車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷報警裝置”中，我們應用了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)音報警和故障應急處理提示。

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，使微機的語(yǔ)音輸出結構大大簡(jiǎn)化，造價(jià)大大降低。2、由于ISD語(yǔ)音器件抗干擾性強，所以在環(huán)境惡劣的系統中，如機車(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(cháng)，工作可靠。3、由于ISD芯片的輸出可以高保真的再現原聲，可將ISD語(yǔ)音芯片用于語(yǔ)音及聲音信號的檢測或模擬系統。4、系統中研制的基于PC機和聲卡的開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現了語(yǔ)音的非定長(cháng)錄制和無(wú)間斷停頓式組合播放。5、應用在機車(chē)隨車(chē)質(zhì)量狀態(tài)診斷報警裝置中，實(shí)現了車(chē)載大量語(yǔ)音報警信息和故障應急處理提示的功能，取得了良好的效果，現已通過(guò)鐵道部鄭州局鑒定，批量裝車(chē)。