1、101第十章第十章 ISD1420 ISD1420 语音接语音接口芯片及其应用口芯片及其应用 近几年语音电路发展极为迅速，在单近几年语音电路发展极为迅速，在单片机系统中的应用越来越广。片机系统中的应用越来越广。v 语音接口作为输出口时，主要用于语音接口作为输出口时，主要用于报告运行状态、运行结果、提示系统报告运行状态、运行结果、提示系统操作过程及故障报答等；操作过程及故障报答等；v 作为输入时、则主要是语音的记录、作为输入时、则主要是语音的记录、语音库的建立和语音的识别。语音库的建立和语音的识别。10210.1 ISD1420 10.1 ISD1420 语音接口芯片语音接口芯片 在单片机应用系
2、统中，语音接口有如下特点：在单片机应用系统中，语音接口有如下特点：v第一，语音输出的基本词汇都是确定的，且数量有第一，语音输出的基本词汇都是确定的，且数量有限，如故障提示、操作提示、运行结果报告等；限，如故障提示、操作提示、运行结果报告等；v第二，充分发挥单片机灵活的控制功能，根据系统第二，充分发挥单片机灵活的控制功能，根据系统的实时状态结果，选择合适的语音词汇或语言段随的实时状态结果，选择合适的语音词汇或语言段随时组合输出；时组合输出；v第三，写入后不易遗失，修改方便第三，写入后不易遗失，修改方便。103v 现在语音处理合成芯片很多，大多均是先将语现在语音处理合成芯片很多，大多均是先将语音经
3、音经A/DA/D转换后存入存贮器中，放音时取出再经转换后存入存贮器中，放音时取出再经D/AD/A转换输出。转换输出。v 美国信息存贮器件公司推出的美国信息存贮器件公司推出的ISDISD系列语音电路系列语音电路采用直接模拟存贮技术，不需要专用开发工具、编采用直接模拟存贮技术，不需要专用开发工具、编程器，它操作简单，接口灵活，因此深受广大单片程器，它操作简单，接口灵活，因此深受广大单片机应用人员的欢迎。机应用人员的欢迎。v 国内许多厂家在生产语音板，大多以该公司国内许多厂家在生产语音板，大多以该公司ISDISD系列芯片为核心构成。现以系列芯片为核心构成。现以ISD1400ISD1400系列中系列中
4、ISD1420ISD1420芯片为例，介绍语音电路与单片机的应用接口。芯片为例，介绍语音电路与单片机的应用接口。104一、一、ISD1420芯片的特点芯片的特点v外围元件简单，仅需少量阻容元件、麦克风即可组成一完外围元件简单，仅需少量阻容元件、麦克风即可组成一完整录放系统；整录放系统；v模拟信息存贮重放音质极好，并有一定混响效果；模拟信息存贮重放音质极好，并有一定混响效果；v待机时低功耗（仅待机时低功耗（仅0 05 A5 A），典型放音电流），典型放音电流15mA15mA；v放音时间放音时间20s20s，可扩充级联；，可扩充级联；v可持续放音，也可分段录放，最小分段可持续放音，也可分段录放，最
5、小分段20s/16020s/160段段0 0125s/125s/段，可分段数段，可分段数160160段；段；105v录放次数达录放次数达1010万次；万次；v断电信息存贮，无需备用电池，信息可保存断电信息存贮，无需备用电池，信息可保存100100（年）；（年）；v操作简单，无需专用编程器及语音开发器；操作简单，无需专用编程器及语音开发器；v 高优先级录音，低电平或负边沿触发放音；高优先级录音，低电平或负边沿触发放音；v 单电源单电源供供电，典型电压十电，典型电压十5V5V。106二、内部结构介绍二、内部结构介绍 ISD1420ISD1420语音芯片内部结构框图如图语音芯片内部结构框图如图10.
6、1-110.1-1所示。所示。前置放大器对通过麦克风前置放大器对通过麦克风（MICMIC）送入的语音信号进行送入的语音信号进行放大，并受自动增益电路放大，并受自动增益电路AGCAGC控制，保证输入信号大小控制，保证输入信号大小变化时不失真。前置放大器输出变化时不失真。前置放大器输出（ANOUTANOUT）的信号可通的信号可通过电容耦合送入过电容耦合送入（ANINANIN）信号放大器，也可通过电容耦信号放大器，也可通过电容耦合直接输入其它模拟信号，如录音机等的线路输出，输合直接输入其它模拟信号，如录音机等的线路输出，输入信号典型值为入信号典型值为50mV50mV（峰一峰）。（峰一峰）。107 信
7、号放大器输出送入（信号放大器输出送入（五阶）五阶）滤波器，在采样时钟和滤波器，在采样时钟和模拟收发器控制下进行比较采样，存入不易失真模拟存模拟收发器控制下进行比较采样，存入不易失真模拟存贮器单元。贮器单元。录入信号输出经滤波器、输出放大器送到扬声器引录入信号输出经滤波器、输出放大器送到扬声器引脚脚SP+SP+、Sp-Sp-，从而完成语音的重放。，从而完成语音的重放。地址线地址线（A0A7A0A7）经缓冲器、译码器控制管理存贮经缓冲器、译码器控制管理存贮单元，控制逻辑控制芯片单元，控制逻辑控制芯片（PLAYLPLAYL、PLAYEPLAYE、RECREC、RECLEDRECLED）的录、放和触发
8、控制以及输出指示等。的录、放和触发控制以及输出指示等。内部时钟及定时器、采样时钟为采样等提供时钟脉冲内部时钟及定时器、采样时钟为采样等提供时钟脉冲信号信号。108 ISD1420ISD1420语音芯片内部结构框图语音芯片内部结构框图109三、三、ISDl420ISDl420封装及引脚介绍封装及引脚介绍 ISD1420DIPISD1420DIP硬封装和硬封装和COBCOB软封装均为软封装均为2828管管脚器件，其引脚如图脚器件，其引脚如图10.1-210.1-2所示。所示。各引脚功能如下：各引脚功能如下：A0A0A7A7（1 16 6、9 9、1010脚），地址或操脚），地址或操作模式控制端；作
9、模式控制端；NCNC（7 7、8 8、1111、2222脚），空脚；脚），空脚；VSSDVSSD（1212脚），数字地；脚），数字地；VSSAVSSA（1313脚），模拟地脚），模拟地 SPSP、SP-SP-（1414、1515脚），音频信号输出脚），音频信号输出端，驱动端，驱动8 81616扬声器；扬声器；1010 VCCAVCCA（1616脚），模拟电源；脚），模拟电源；MICMIC（1717脚），话筒输入端，可用驻极体话简，通脚），话筒输入端，可用驻极体话简，通过电容耦合；过电容耦合；MICRefMICRef（1818脚），话筒输入参考端，若不用，浮脚），话筒输入参考端，若不用，浮空；空
10、；AGCAGC（1919脚），自动增益控制端，调整芯片内部前脚），自动增益控制端，调整芯片内部前置放大器增益，使录入信号不失真；置放大器增益，使录入信号不失真；ANAINANAIN、ANAOUTANAOUT（2020、2121脚），模拟信号输入、输脚），模拟信号输入、输出端，两端间接电容，该端可用于模拟信号的直接输出端，两端间接电容，该端可用于模拟信号的直接输入；入；1011v PLAYLPLAYL（2323脚），电平放音控制（低电平有效）；脚），电平放音控制（低电平有效）；v PLAYEPLAYE（2424脚），边沿触发放音控制；脚），边沿触发放音控制；v RECLEDRECLED（2525
11、脚），录音指示脚），录音指示v XCLKXCLK（2626脚），外部时钟或接地；脚），外部时钟或接地；v RECREC（2727脚），录音脚），录音/放音控制，高电平为放音，放音控制，高电平为放音，低电平为录音。低电平为录音。v VCCDVCCD（2828脚），数字电源。脚），数字电源。1012四、四、ISD1420基本技术指标基本技术指标（均为典型值）（均为典型值）v 工作电源工作电源+5V+5Vv 静态电流静态电流10A10A；v 工作电流工作电流15mA15mAv 信噪比信噪比S/N=43DBS/N=43DBv 录音时间：录音时间：20s 20s v 每基本段时间长度：每基本段时间长度：
12、20s160段段=0.125s段。段。1013 10.2 10.2 ISDI420与单片机接与单片机接口举例口举例 以以MCS-51MCS-51系列单片机系列单片机为核心的一般工业控制系为核心的一般工业控制系统均以亮灯或响铃报警提统均以亮灯或响铃报警提示，而配上语音接口后可示，而配上语音接口后可实现多路信息的语音报警实现多路信息的语音报警提示，提高系统的整体水提示，提高系统的整体水平，增强报警效果。平，增强报警效果。1014一、硬件联接一、硬件联接 如图如图10.2-110.2-1所示，单片机所示，单片机80318031通过一片通过一片74LS37774LS377锁存器实现对锁存器实现对ISD
13、I420ISDI420的多种控制操作，其语音接口地址为的多种控制操作，其语音接口地址为7FFFH7FFFH。D6D6控制放音开始，控制放音开始，D7D7控制录音、放音选择，控制录音、放音选择，A0A0、A1A1固定接地，固定接地，80318031输出数据输出数据D0D0D7D7与与ISD1420ISD1420录放控制码对应关系见表录放控制码对应关系见表10.2-110.2-1，本例共分，本例共分4040段，每段时间段，每段时间长度长度0 05s5s。1015 74LS377D7D6D5D4D3D2D1D0分 段段控制码ISD1420RDPLA7A6A5A4A3A2录 音01000000第0段4
14、0H01000001第1段41H01100110第38段66H01100111第39段67H放 音10000000第0段80H10000001第1段81H10100110第38段A6H10100111第39段A7H1016 二、录入语言信息二、录入语言信息 本系统以语音方式报温度值、本系统以语音方式报温度值、压力值、流量值。需录入的单字压力值、流量值。需录入的单字有数字有数字“0 09”9”，及，及“千千”、“百百”、“十十”、“度度”、“点点”、“帕帕”等，等，0 05s5s一个一个单字。词段有单字。词段有“当前时间当前时间”，1 15s5s；“当前温度当前温度”，需，需1 15s5s。假设
15、段码值放入假设段码值放入40H40H单元，子单元，子程序如下：程序如下：1017RECORD:MOV DPTR，7FFFH ；语音接口地址；语音接口地址 MOV A，0FFH MOV DPTR，A ；送停止录放音码；送停止录放音码 MOV A，40H ；录音控制码由；录音控制码由40H送入送入A ACALL TIMA ；延时；延时20ms MOVX DFTR，A ACALL TIMB ；延时；延时05s对麦克风发音对麦克风发音 ;录单字，如数字录单字，如数字“1”，“千千”MOV A，0FFH MOVX DPTR，A ；停止录音；停止录音 RET1018 此子程序段可反复调用。此子程序段可反复
16、调用。v当录入词段时，则根据词段长当录入词段时，则根据词段长度增加延时及地址段长度。如度增加延时及地址段长度。如录 入录 入“当 前 时 间当 前 时 间”字 段 需字 段 需155，占用三个地址段长；，占用三个地址段长；v首地址为首地址为42H，下一字段地址，下一字段地址码则为码则为45H。1019三、放音程序放音程序v（1）放音子程序）放音子程序 PLAY：MOV DFTR，#7FFFH MOV A，0FFH ；复位信号；复位信号 MOV DPTR，A MOV A，40H；放音地址及控制码由；放音地址及控制码由40H送送A ACALL TIMA ；延时；延时20MS MOVX DPTR，A
17、 ACALL TIMB ；延时放音时间；延时放音时间 ;（单字时（单字时05s，词段时，词段时1.5s）MOV A，0FFH ；停止放音；停止放音 MOVX DPTR，A RET1020 （2）放音实例）放音实例 例例 放音内容为放音内容为“当前水压当前水压285kPa”，各字段录，各字段录入顺序如下表入顺序如下表。语 音 信 息0189千百十帕当前水压当前时间录音段控制码（H）404148494A4B4C4D4E51放音段控制码（H）808188898A8B8C8D8E911021v程序程序入入口口：百位数、十位数、个位数的控制码：百位数、十位数、个位数的控制码 分别存放在分别存放在R0、R
18、l、R2。v程序如下程序如下：ALARM：MOV 40H，8EH ；“当前水压为当前水压为”字码字码 ACALL PLAY ；调放音（子程序延时；调放音（子程序延时15s）MOV 40H，R0 ；“2”ACALL PLAY MOV 40H，8BH ；“百百”ACALL PLAY1022 MOV 40H，R1 ；“8”ACALL PLAY MOV 40H，8CH ；“十十”ACALL PLAY MOV 40H，R2 ；“5”ACALL PLAY MOV 40H，8AH ；“千千”ACALL PLAY MOV 40H，8DH ；“帕帕”ACALL PLAY END 1023问题问题v上例中的百位数
19、、十位数、个位数的控制码百位数、十位数、个位数的控制码为什么为什么存放在存放在R0R0、RlRl、R2R2？v40H40H在程序中起何作用？在程序中起何作用？1024语音程序设计要点语音程序设计要点：v录音编码设计录音编码设计v录音子程序设计录音子程序设计v录音编码地址表录音编码地址表v放音编码设计放音编码设计v放音子程序设计放音子程序设计v放音编码地址表放音编码地址表v主程序设计主程序设计结结 论：论：v各段语音存放在各段语音存放在ISD1420ISD1420由由A7A2决定的地址单元中；决定的地址单元中；v各段语音的录音由录音编码各段语音的录音由录音编码RD=0、PL=1和和A7A2决定；
20、决定；v各段语音的放音由放音编码各段语音的放音由放音编码RD=1、PL=0和和A7A2决定；决定；v录音编码录音编码/放音编码可以以表格的形式存放在各类存储器中；放音编码可以以表格的形式存放在各类存储器中；v编写相应的录音编写相应的录音/放音子程序。放音子程序。1025 例例11 黄山诗一首黄山诗一首 试将此诗语音编码存入程试将此诗语音编码存入程序存储器，控制录音序存储器，控制录音/播放。播放。1026技术路线技术路线v硬件设计（同上）硬件设计（同上）P1.0控制录音控制录音 P1.1控制播音控制播音 P1.2控制录控制录/放放v录音编码设计录音编码设计v录音子程序设计录音子程序设计v录音编码
21、地址表录音编码地址表v放音编码设计放音编码设计v放音子程序设计放音子程序设计v放音编码地址表放音编码地址表v主程序设计主程序设计1027 程序设计程序设计 v录音子程序录音子程序将将“黄山黄山”语音录入语音录入STARTR：MOV DPTR，#RTABAL MOV R7，#NN（1CH）NEXTR：CLR A MOVC A，A+DPTR MOV 50H，A LCALL RECORD0 INC DPTR DJNZ R7，NEXTR RETRTABL：DB 40H，41H，42H，43H，44H，45H，46H（8040H）黄黄 山山 巍巍 巍巍 劲劲 松松 翠翠 1028RECORD0：PUSH
22、 DPH ；保护现场保护现场 PUSH DPL MOV DPTR，7FFFH ；语音接口地址；语音接口地址 MOV A，0FFH MOVX DPTR，A ；送停止录放音码；送停止录放音码 MOV A，50H ；录音控制码由；录音控制码由50H送入送入A ACALL TIMA ；延时；延时20ms MOVX DFTR，A ACALL TIMB ；延时；延时05s对麦克风发音录单对麦克风发音录单 ；字，如；字，如“黄黄”，“山山”等等 MOV A，0FFH MOVX DPTR，A ；停止录音；停止录音 POP DPL ；恢复现场；恢复现场 POP DPH RET1029v放音子程序放音子程序将将“
23、黄山黄山”语音播放语音播放PSTART:MOV DPTR，#PTABAL MOV R7，#NN（1CH）NEXTP：CLR A MOVC A，A+DPTR MOV 50H，A LCALL PLAY0 INC DPTR DJNZ R7，NEXTP RETPTABL：DB 80H，81H，82H，83H，（8080H）黄黄 山山 巍巍 巍巍 84H，85H，86H 劲劲 松松 翠翠 1030PLAY0：PUSH DPH ；保护现场保护现场 PUSH DPL MOV DPTR，#7FFFH MOV A，0FFH ；复位信号；复位信号 MOV DPTR，A MOV A，50H ；放音地址及控制码由；放
24、音地址及控制码由50H送送A ACALL TIMA ；延时放音时间；延时放音时间 ；（单字时；（单字时05s，词段时，词段时1.5s）MOVX DPTR，A ACALL TIMB MOV A，0FFH ；停止放音；停止放音 MOVX DPTR，A POP DPL ；恢复现场；恢复现场 POP DPH RET1031v主程序设计主程序设计MAIN：MOV SP，#60H MOV P1，#00HWAITR：JNB P1.0 WAITR；判断录音否？；判断录音否？LCALL RSTART SETB P1.3 WAITP：JNB P1.1 WAITP ；判断播音否？；判断播音否？LCALL PSTAR
25、T SETB P1.4 JNB P1.2 WAITR；录音；录音/播音？播音？SETB P1.5 SJMP WAITP1032v操作说明操作说明v先将先将K0=1、K2=1录音操作，录音操作，LED0亮表示录音结束亮表示录音结束v然后使然后使K1=1 放音，放音，LED1亮表示放音结束亮表示放音结束v若需重新录音，则将若需重新录音，则将K2=0，否则，否则，LED2亮表示可以亮表示可以重复放音重复放音 v课题简介课题简介 本课题采用单片微机控制、先进的语音电路、优本课题采用单片微机控制、先进的语音电路、优美的图片、美妙的音调、和谐的诗韵，将您带入黄山美的图片、美妙的音调、和谐的诗韵，将您带入黄
26、山佳景，领略大自然的恩赐，享受诗情画意的奥妙。佳景，领略大自然的恩赐，享受诗情画意的奥妙。v设计人员：设计人员：2000级级“单片微机控制技术单片微机控制技术”课题组课题组v设计单位设计单位：山东大学物理与微电子学院山东大学物理与微电子学院1033 四、四、ISD系列语音芯片应用中应注意的问题系列语音芯片应用中应注意的问题 1 1ISDISD系列器件所有地址端、控制端和系列器件所有地址端、控制端和TEST/CLDTEST/CLD端必须可端必须可靠接高电平或低电平，而可悬空，靠接高电平或低电平，而可悬空，否否则可能出现停止播放则可能出现停止播放的情况。的情况。2 2为充分发挥其优质高保真特点，应
27、注意以下几点：为充分发挥其优质高保真特点，应注意以下几点：（1 1）AGCAGC阻容，尽量靠近阻容，尽量靠近ISDISD，旦连线尽量短；，旦连线尽量短；（2 2）电源线和地线宽度应在）电源线和地线宽度应在0 08mm8mm以上；以上；（3 3）选用优质驻极体话筒；）选用优质驻极体话筒；1034 （4 4）话筒信号耦合电容与连接话筒信号耦合电容与连接MICREFMICREF端到模拟地的电容端到模拟地的电容要相同；要相同；（5 5）电源内阻低且无噪音。）电源内阻低且无噪音。3 3ISDISD的的SP+SP+、Sp-Sp-端一定不要接地，只能接喇叭或悬空。端一定不要接地，只能接喇叭或悬空。外接功放器
28、时，采用单端输出，另一端接外接功放器时，采用单端输出，另一端接10F10F电容到地或悬电容到地或悬空，否则空，否则ISDISD会损坏。会损坏。4 4国内部分厂家语音芯片与国内部分厂家语音芯片与ISDISD芯片标准信号对应如下：芯片标准信号对应如下：SR9F26SR9F26一一ISD1020A ISD1020A （硬封装）（硬封装）SR9G16/SR9G26-ISD1416/ISD1420SR9G16/SR9G26-ISD1416/ISD1420（硬封装）（硬封装）HY420/SRG26R-ISD1420HY420/SRG26R-ISD1420（软封装）（软封装）HY410HY410ISDl11
29、0ISDl110（软封装）（软封装）1035 美国美国ISD2500系列和系列和3300系列增大了内存系列增大了内存EEPROM容量，因此它们的录放音时间加长了。容量，因此它们的录放音时间加长了。ISD2500系列录放系列录放音时间有音时间有60s、75s和和90s三个品种，三个品种，3300系列录放音时系列录放音时间有间有60s、75s、90s、120s、150s、180s和和240s七个品七个品种。这两个系列都可方便地行级联。种。这两个系列都可方便地行级联。1036【智能聋哑人对讲【智能聋哑人对讲/助听助听/助说器助说器】v 本项研究采用先进的语音合成技术、本项研究采用先进的语音合成技术、
30、无线通讯技术以及科学的编码输入技术，无线通讯技术以及科学的编码输入技术，由微电脑控制，集对讲机、助听器和助由微电脑控制，集对讲机、助听器和助说器功能为一体的多用途智能仪器。说器功能为一体的多用途智能仪器。v 本仪器具有体积小、重量轻、音质本仪器具有体积小、重量轻、音质好、多功能、编码输入快捷、操作方便好、多功能、编码输入快捷、操作方便等特点。它既是聋哑人的理想伴侣，又等特点。它既是聋哑人的理想伴侣，又是正常人的忠实朋友。是正常人的忠实朋友。1037 它将生活在无言无语、无声无息的寂寞世界的聋哑人它将生活在无言无语、无声无息的寂寞世界的聋哑人带入欢声笑语、五彩缤纷的大千世界，使饱尝欲听无声、带入
31、欢声笑语、五彩缤纷的大千世界，使饱尝欲听无声、欲说不能之苦的聋哑人变得耳聪语明、梦想成真，给他欲说不能之苦的聋哑人变得耳聪语明、梦想成真，给他们的家庭带来幸福、温馨。们的家庭带来幸福、温馨。我们真诚希望每一位聋哑人都象正常人一样生活，象我们真诚希望每一位聋哑人都象正常人一样生活，象百灵鸟一样欢唱。让我们一起高歌百灵鸟一样欢唱。让我们一起高歌“爱的奉献爱的奉献”：“只要人人都献出一点爱，世界将变成美好的人间！1038迎宾机器人设计迎宾机器人设计v问题提出问题提出:百年校庆、众学子云集山百年校庆、众学子云集山大、旧居重游，作为主人理应盛情大、旧居重游，作为主人理应盛情款待；展示新技术应用成果，施展
32、款待；展示新技术应用成果，施展新世纪大学生风采。新世纪大学生风采。迎宾机器迎宾机器人设计与研制。人设计与研制。v设计要求设计要求：自动判断宾至客归、问：自动判断宾至客归、问候、与客人对话、实时摄像等。候、与客人对话、实时摄像等。1039基本造型基本造型：v三角铁框架三角铁框架 v塑料包装塑料包装v监视器居中监视器居中CCD摄像寓意系友摄像寓意系友永在学校心中永在学校心中v对话对话/问候问候v传感器电路传感器电路v功放电路。功放电路。1040技术路线技术路线v来客判断来客判断光电传感器光电传感器/微波传感器微波传感器逻辑逻辑判断方向（宾至判断方向（宾至/客归？）客归？）v问候问候放音放音v对讲对
33、讲录音录音/放音放音v摄像摄像CCD传感器传感器v监视器监视器定时显示定时显示v结论：单片微机控制结论：单片微机控制/语音电路语音电路/逻辑电路逻辑电路/传感传感器器/功放电路等。功放电路等。1041v硬件电路硬件电路/软件程序设计软件程序设计v从略从略v参考参考“单片微机控制技术单片微机控制技术”一书相关章节一书相关章节v设计人员：设计人员：9898级级“传感器与微机应用技术传感器与微机应用技术”课题组课题组v设计单位设计单位：山东大学物理与微电子学院：山东大学物理与微电子学院1042 习题十习题十 一、模拟招标诗画配一、模拟招标诗画配v要求同上例要求同上例 1043二、旅游景点电子导游员设计二、旅游景点电子导游员设计三、动感装饰画的语音设计三、动感装饰画的语音设计四、交通安全播音员设计四、交通安全播音员设计五、山东大学物理与微电子学院电子解说员设计（中、五、山东大学物理与微电子学院电子解说员设计（中、英、日等）英、日等）六、机器人的语音设计六、机器人的语音设计七、自动取款机、电话费自动查询语音设计七、自动取款机、电话费自动查询语音设计八、公交车自动报站语音设计八、公交车自动报站语音设计九、数字万用表设计九、数字万用表设计十、语音报警设计十、语音报警设计
