1、基于SPI總線的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 黃崇摘 要ISD4004語(yǔ)音系列芯片是SPI接口，具有多次重復(fù)錄放，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)，使用時(shí)不需擴(kuò)充存儲(chǔ)器，所需外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本文使用ISD4004芯片在錄音放音系統(tǒng)中的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用。筆者通過這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，掌握了SPI總線的協(xié)議規(guī)范和編程方法。關(guān)鍵字：SPI總線ISD4004 單片機(jī)目錄1 前言32 SPI總線簡(jiǎn)介32.1 SPI總線簡(jiǎn)介32.2 接口信號(hào)32.3 SPI接口硬件結(jié)構(gòu)33 硬件電路設(shè)計(jì)43.1 ISD4004簡(jiǎn)介43.2 ISD4004與單片機(jī)接口電路43.3錄音模塊電路53.4放音模塊電路54 軟件設(shè)計(jì)64.1 錄音程序設(shè)計(jì)64.2 放音程

2、序設(shè)計(jì)64.3 部分工作子程序64.4 錄音放音暫停功能的實(shí)現(xiàn)75 結(jié)束語(yǔ)71 前言語(yǔ)音生成技術(shù)用于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)應(yīng)答系統(tǒng)、多媒體查詢系統(tǒng)、智能化儀表、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)或家用電氣產(chǎn)品中，使它們具有語(yǔ)音輸出功能，使之能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用語(yǔ)音實(shí)時(shí)報(bào)告系統(tǒng)的工作狀態(tài)、警告信息、提示信息或相關(guān)的解釋說(shuō)明等，無(wú)疑在提高人機(jī)通信能力、減少對(duì)錯(cuò)誤處理的遺漏、提高系統(tǒng)性能、降低人們的工作強(qiáng)度等方面都有極大的好處。數(shù)字錄音放音系統(tǒng)是將現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)，然后存儲(chǔ)在一定的存儲(chǔ)介質(zhì)上的一種錄音方式，它也是數(shù)字語(yǔ)音處理技術(shù)中常用的一種方式。采用數(shù)字錄音技術(shù)，有較高的效率和自動(dòng)化程度，錄音時(shí)間也長(zhǎng)，并

3、可將信息長(zhǎng)期保存于存儲(chǔ)介質(zhì)中，同時(shí)對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行編輯整理非常方便，可快速查找。2 SPI總線簡(jiǎn)介2.1 SPI總線簡(jiǎn)介SPI(Serial Peripheral Interface-串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。它是一種符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、全雙工、三線或四線通信方式的總線系統(tǒng)。它允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信。在SPI接口中，數(shù)據(jù)的傳輸需要一條時(shí)鐘線，一條數(shù)據(jù)線和一條控制線（有些芯片需要兩條控制線）。SPI可以工作在主模式下或從模式下。在主模式下每位數(shù)據(jù)發(fā)送/接收需要一個(gè)時(shí)鐘周期。2.2 接口信號(hào)（1）MOSI 主

4、器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入（2）MISO 主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出（3）SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，由主器件產(chǎn)生 （4）SS 從器件使能信號(hào)，由主器件控制 圖2.1為SPI常見的與控制器的連接圖。圖2.1 SPI常見的與控制器的連接圖2.3 SPI接口硬件結(jié)構(gòu)SPI接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位，在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下，按位傳輸，高位在前，低位在后。如下圖所示，在SCLK的上升沿上數(shù)據(jù)改變，同時(shí)一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。3 硬件電路設(shè)計(jì)本文討論的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)包括單片機(jī)控制器模塊、語(yǔ)音錄放模塊、鍵盤控制模塊以及顯示模塊?？紤]到本文主要的任務(wù)應(yīng)該是討

5、論與系統(tǒng)總線相關(guān)的內(nèi)容，也就是與ISD4004有關(guān)的硬件軟件設(shè)計(jì)，所以下邊的內(nèi)容講的主要是與SPI總線相關(guān)的內(nèi)容，硬件模塊包括與單片機(jī)接口模塊、錄音模塊以及放音模塊。因?yàn)镮SD4004芯片在音頻輸入端和輸出端都集成了合適的濾波器和放大器，所以實(shí)際實(shí)現(xiàn)起來(lái)的硬件電路非常簡(jiǎn)單。3.1 ISD4004簡(jiǎn)介ISD4004語(yǔ)音芯片是與普通的錄音/重放芯片相比，ISD4004具有如下特點(diǎn)：（1）記錄聲音沒有段長(zhǎng)度限制，并且聲音記錄不需要A/D轉(zhuǎn)換和壓縮。（2）快速閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，無(wú)需電源可保存數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá)100年，重復(fù)記錄10000次以上。（3）ISD4004具有記錄時(shí)間長(zhǎng)（可達(dá)16分鐘，本文采用的為8分鐘

6、的ISD4004語(yǔ)音芯片）的優(yōu)點(diǎn)。（4）ISD4004開發(fā)應(yīng)用具有所需外圍電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，這一點(diǎn)從本文介紹的其在語(yǔ)音報(bào)站器中的實(shí)際應(yīng)用中可以體會(huì)到。 圖3.1為ISD4004內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3.1 ISD4004內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2 ISD4004與單片機(jī)接口電路本文討論的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)主電路主要由單片機(jī)AT89S52和ISD4004構(gòu)成。該系統(tǒng)的硬件電路連接如圖2.1所示。AT89S52單片機(jī)并沒有集成SPI控制器，所以設(shè)計(jì)中必須用普通IO口來(lái)模擬，單片機(jī)的32個(gè)IO口理論上說(shuō)說(shuō)是可以隨便連接四個(gè)的。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)的P1.0P1.3引腳接分別接的ISD4004的SS、SCLK、MOSI、MISO引腳

7、，可以看出AT89S52和ISD4004之間的連接較少。圖3.2 ISD4004與單片機(jī)接口電路 3.3錄音模塊電路 正如前文所述，ISD4004內(nèi)部集成有音頻輸入端的放大器和濾波器，所以這部分電路也是非常簡(jiǎn)單的。麥克風(fēng)輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)三極管放大電路輸入到ISD4004中。在實(shí)踐中，筆者也嘗試著將此部分電路去除，直接接到ISD4004上，但是發(fā)現(xiàn)錄音聲音太小，看來(lái)此部分電路還是不能省的。圖3.3錄音模塊電路3.4放音模塊電路放音模塊電路連接圖如圖3.4所示。 LM386是一款常用的音頻放大芯片，只需要簡(jiǎn)單的外圍電路就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)語(yǔ)音放大電路。本設(shè)計(jì)中放音模塊電路就是把ISD4004的音頻輸出接到

8、LM386放大器上，經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。圖中header 3為一個(gè)滑動(dòng)變阻器，通過改變此變阻器的阻值，可以調(diào)節(jié)輸出聲音的大小。圖3.4放音模塊電路4 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)從文件的角度說(shuō)，包括主程序文件、ISD4004驅(qū)動(dòng)文件、功能函數(shù)文件。主程序文件調(diào)用功能函數(shù)文件提供的函數(shù)構(gòu)造主程序框架，功能函數(shù)調(diào)用ISD4004文件提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)錄音、放音、暫停等等功能函數(shù)。ISD4004驅(qū)動(dòng)文件時(shí)根據(jù)ISD4004芯片手冊(cè)編寫的驅(qū)動(dòng)程序，包括發(fā)送啟動(dòng)、8位命令、發(fā)送16位命令、暫停等等相關(guān)的函數(shù)。本文主要的任務(wù)是闡述與SPI總線相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)部分，在4.3部分會(huì)詳細(xì)闡述SPI總線協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。至

9、于系統(tǒng)其他的與SPI總線關(guān)聯(lián)不大的軟件設(shè)計(jì)本文不再過多闡述，以免淡化了主題。4.1 錄音程序設(shè)計(jì)發(fā)POWER UP 命令；等待TPUD(上電延時(shí))；發(fā)POWER UP 命令；4. 等待2 倍TPUD；發(fā)地址值為00 的SETREC 命令；發(fā)REC 命令。器件便從00 地址開始錄音,一直到出現(xiàn)OVF(存貯器末尾)時(shí),錄音停止。4.2 放音程序設(shè)計(jì)發(fā)POWERUP 命令；等待TPUD(上電延時(shí))；發(fā)地址值為00 的SETPLAY 命令；發(fā)PLAY 命令。器件會(huì)從此00 地址開始放音,當(dāng)出現(xiàn)EOM 時(shí),立即中斷,停止放音。4.3 部分工作子程序圖4.1為向ISD4004發(fā)送一個(gè)八位命令的時(shí)序圖。從圖

10、中可以看出，從MOSI數(shù)據(jù)線向ISD4004發(fā)送命令的同時(shí)，主機(jī)也會(huì)從MISO數(shù)據(jù)線得到8位數(shù)據(jù)。無(wú)論主機(jī)是否選擇接受，ISD4004都會(huì)在主機(jī)發(fā)送命令的同時(shí)，將一組狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送回來(lái)。圖4.1 ISD4004發(fā)送八位命令的時(shí)序圖 正如前文所述，由于AT89S52單片機(jī)內(nèi)部沒有集成SPI控制器，所以需要通過普通IO口來(lái)模擬這樣的時(shí)序。雖然這帶來(lái)的編程的復(fù)雜性，但是對(duì)于理解SPI總線的協(xié)議是非常有幫助的，因?yàn)閷?shí)際上程序模擬了一個(gè)SPI控制器。筆者從源程序中摘出了SPI串行發(fā)送8位命令并同時(shí)接收8位數(shù)據(jù)的函數(shù),接收的8位數(shù)據(jù)的這樣一個(gè)函數(shù)見于附錄。 從這段代碼可以看出，程序發(fā)送命令isd_cmd，同

11、時(shí)接收一個(gè)8位的數(shù)據(jù)保存在isd_rxd。這也驗(yàn)證了SPI全雙工通信的特征。數(shù)據(jù)在發(fā)送和接收過程中，需要通過SCLK來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)流動(dòng)，這樣體現(xiàn)了SPI通信的同步特征。isd_rxd = isd_rxd >> 1和isd_cmd = isd_cmd >> 1這兩句代碼模擬了主機(jī)的移位寄存器，這也是對(duì)SPI控制器的硬件電路用軟件方法的模擬實(shí)現(xiàn)。4.4 錄音放音暫停功能的實(shí)現(xiàn)錄音放音暫停功能是非常重要的功能，一個(gè)成熟的錄音放音系統(tǒng)是不能缺少的。ISD4004可以向主機(jī)發(fā)送當(dāng)前錄音放音的存儲(chǔ)地址給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種功能提供了硬件支持。實(shí)現(xiàn)思路是這樣的：在錄音或者放音進(jìn)行中，可以通過發(fā)送

12、一個(gè)暫停命令，在停止錄音放音的同時(shí)，將ISD4004會(huì)將當(dāng)前錄音放音的存儲(chǔ)器地址發(fā)送給控制器?？刂破髟诮邮盏竭@個(gè)地址后，可以從這個(gè)地址繼續(xù)放音或者錄音，從而達(dá)到暫停后再啟動(dòng)繼續(xù)放音或者錄音的功能。 5 結(jié)束語(yǔ)本文并沒有詳細(xì)闡述有關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體細(xì)節(jié)，而把重點(diǎn)集中在SPI總線硬件連接和軟件編程上，這樣與本學(xué)期“電子與系統(tǒng)總線”這門課聯(lián)系的更加緊密。本文通過對(duì)ISD4004語(yǔ)音芯片在語(yǔ)音錄音放音系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，熟悉了ISD4004的基本應(yīng)用，也掌握了SPI總線的硬件工作原理以及軟件編程控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本上滿足了錄音、放音、暫停以及暫停后繼續(xù)錄音放音的功能，但是也存在一些問題，比如說(shuō)錄音音質(zhì)差，缺少分段錄音放音的功能，系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步完善。附錄：/*函數(shù)功能：SPI串行發(fā)送8位命令并同時(shí)接收8位數(shù)據(jù)的函數(shù),接收的8位數(shù)據(jù) 高位低位反向（P5|P4|P3|P2|P1|P0|EOM|OVF）*/unsigned char spi_8bit_tr(unsigned char isd_cmd)unsigned char isd_rxd = 0;unsigned char count;SS = 0;for(count=0;count<8;count+) isd_rxd = isd_rxd &