基于ISD4004芯片的電梯智能語音系統(tǒng)的設(shè)計

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 靖大同 吳向前 司志澤

1.引言

隨著城市文明化和現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，對建筑中電梯的服務(wù)要求也越來越高，現(xiàn)代電梯技術(shù)已朝著更快、更穩(wěn)、更安全及更人性化的方向迅速發(fā)展。電梯語音報站器就是體現(xiàn)其人性化設(shè)計的一個具體表現(xiàn)。用語音報告電梯將要到達(dá)或已經(jīng)到達(dá)的樓層信息、電梯的運行狀態(tài)、歡迎詞和音樂等，可避免乘客搭錯電梯或樓層、消除人們乘坐電梯的孤獨感。

ISD4004是Winbond公司的ISD4000系列語音芯片。它采用了“直接模擬量存儲”（DAST）專利技術(shù)，信號無需經(jīng)過D/A、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字壓縮和語音合成等復(fù)雜的數(shù)字信號處理過程，減少了失真，使其聲音存儲效果較以前產(chǎn)品有大幅度提高，實際試聽主觀評價可以達(dá)到磁帶錄音機(jī)的水平，是目前市場上錄放效果較好的語音電路之一。

本文以ATMEL公司的AT89C51和Winbond公司的ISD4004語音芯片為核心，設(shè)計了一種電梯語音服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了電梯語音服務(wù)的智能化和自動化，以適應(yīng)各種對服務(wù)要求比較高的電梯中。

2.硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)由信號采集與隔離電路、單片機(jī)及其外圍電路、語音芯片電路和電源電路四大部分組成。電梯的樓層信號經(jīng)過采集隔離處理后送至單片機(jī)，單片機(jī)分析、判斷、提取出有效信息，再經(jīng)過運算處理輸出控制信號控制語音芯片電路實時播報。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

2.1 ISD4004語音芯片介紹及接口電路

ISD4004語音芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含內(nèi)部時鐘、采樣時鐘、平滑濾波器、自動靜噪、音頻放大器、高密度多電平Flash ROM存儲器及防混疊濾波器等，通過串行通信接口(SPI或Microwire總線協(xié)議)與微控制器(如MCS-51芯片)相連，所有操作均由微控制器控制。內(nèi)部采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存儲在片內(nèi)Flash ROM存儲器中，因此能逼真、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)等聲響效果，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。采樣頻率可為4.0kHz、8.0kHz。頻率越低，錄放時間越長，音質(zhì)則有所下降。片內(nèi)信息存于Flash ROM中，可在斷電情況下保存100年（典型值），反復(fù)錄放10萬次。器件工作電壓3V，工作電流25~30mA，維持電流1uA，單片錄放語音時間8~16min，音質(zhì)好，廣泛應(yīng)用于公共汽車語音報站系統(tǒng)、移動及自動應(yīng)答電話設(shè)備及語音復(fù)讀機(jī)等電子產(chǎn)品中。

2.1.1 SPI端口控制寄存器位及ISD4004控制命令

ISD4004工作于SPI串行接口。SPI串行接口是高速同步串行口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的全雙工四線同步雙向串行總線。SPI協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作。因此，對ISD4004而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。

2.1.2 ISD4004語音芯片SPI總線接口時序及命令格式

ISD4000系列語音芯片SPI總線參數(shù)如表1所示，ISD4004芯片支持8位、16位命令格式，傳輸時序及8、16位命令格式如圖2、3、4所示。

從SPI總線時序可以看出：其SPI總線時序與SPI總線接口存儲器EEPROM 25C01/02/04兼容。在接收控制命令時，先接收LSB(這要求SPI總線控制器先輸出LSB)；空閑時，SCLK為低電平，在SCLK上升沿鎖存MOSI引腳上的信息，如表1所示。

表1 ISD4004語音芯片SPI總線參數(shù)

2.2 ISD4004外圍接口電路

I S D 4 0 0 4 外圍接口電路主要由ISD4004、麥克X1及相關(guān)外圍電路構(gòu)成。聲音信號由X1轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)電容C31耦合，三極管Q4放大后由IN-引腳進(jìn)入ISD4004，由ISD4004采樣和保存。錄音播放電路主要由ISD4004、LM386等構(gòu)成。聲音信號由ISD4004的AUDOUT引腳輸出，經(jīng)電容耦合送入LM386芯片，放大后由VOUT引腳輸出并驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲。如圖5所示，ISD4004外圍接口電路。

3.軟件設(shè)計

3.1 放音過程

(1)執(zhí)行上電操作命令(POWER UP)；(2)延遲等待，直到上電結(jié)束(當(dāng)采樣頻率為8 kHz時，上電延遲時間約為25 ms)；(3)執(zhí)行“SET PLAY”命令，設(shè)置放音段起始地址；(4)執(zhí)行“PLAY”命令，從當(dāng)前地址開始放音，遇到段結(jié)束標(biāo)志EOM或存儲器末尾標(biāo)志OVF時停止放音，同時INT引腳輸出低電平，指示當(dāng)前段播放結(jié)束。

當(dāng)需要播放兩段或兩段以上時，如果段與段之間間隔很小時，可在上一段播放結(jié)束后，延遲一段時間(需通過試聽確定延遲時間的長短，一般為數(shù)十毫秒)再播放下一段。放音過程如圖6所示。在放音操作過程中，執(zhí)行“STOP”或“STOP WRDN”命令時，將終止當(dāng)前放音操作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳輸時序

圖3 8位命令格式

圖4 16位命令格式

圖5 ISD4004外圍接口電路

圖6 放音流程

圖7 錄音流程

3.2 錄音過程

(1)執(zhí)行上電操作命令(POWER UP)；(2)延遲等待，直到上電結(jié)束(當(dāng)采樣頻率為8 kHz時，上電延遲時間TPUD約為25 ms)；(3)再執(zhí)行上電命令(POWER UP)；(4)延遲兩倍上電等待時間(即延遲2×TPUD時間；(5)執(zhí)行“SET REC”命令，設(shè)置錄音段的起始地址。

執(zhí)行“REC”命令，從當(dāng)前地址開始錄音，直到出現(xiàn)存儲器末尾標(biāo)志OVF信號。

在錄音過程中，未錄到存儲器末尾時，就執(zhí)行“STOP”或“STOP WRDN”命令，將終止當(dāng)前錄音操作，并產(chǎn)生EOM標(biāo)志。因此，可利用這一特性在芯片上錄制多段語音信息。可見，錄音過程與放音過程相似，只是每次錄音操作操作只能錄一段，如圖7所示。

程序設(shè)計的關(guān)鍵是對ISD4004的操作。ISD4004有許多操作命令如表4所示，這些命令通過SPI接口傳給ISD4004。AT89C51單片機(jī)沒有SPI接口，因此需要程序模擬SPI接口。下面重點給出ISD4004芯片初始化程序及程序模擬SPI接口向ISD4004發(fā)送單字節(jié)指令。

初始化ISD4004芯片，代碼如下：

void Ini_ISD(void)

{

ISD_OneCode(POWERUP);

Delay50ms();

ISD_OneCode(POWERUP);

Delay50ms();

Delay50ms();

}

程序模擬SPI接口向ISD4004發(fā)送單字節(jié)指令，代碼如下：

void ISD_OneCode(uchar CCode)

{

ISD_CS=0;

//單字節(jié)指令

ISD_WriteSpi(CCode);

//適用于：POWERUP,STOPPLAY,STOP REC,PLAY,REC

ISD_CS=1;

}

4.結(jié)束語

本文介紹基于ISD4004、單片機(jī)AT89S51的電梯語音系統(tǒng),經(jīng)測試，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，功耗小，音量可調(diào)，輸出的語音清晰，音色優(yōu)美，對電梯的安全、穩(wěn)定運行無干擾，實現(xiàn)了電梯語音服務(wù)的智能化和自動化。

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