摘 要： 介紹了ISD4004系列語音芯片" title="語音芯片">語音芯片，分析了芯片語音信息分段的內部形成機制及特征，提出了獲取內部地址的方法;在此基礎上采用地址拷貝法，開發設計出了語音拷貝系統，并給出了軟件設計、硬件設計和部分應用程序;最后通過測試驗證了系統的可行性。
關鍵詞： ISD4004 語音拷貝 語音信息段 地址拷貝
1 ISD4004語音芯片介紹
ISD系列語音芯片是Winbond公司推出的產品。該芯片采用多電平直接模擬存儲專利技術，聲音不需要A/D轉換和壓縮，模擬信號直接存儲在片內的閃爍存儲器中，沒有A/D 轉換誤差， 因此能夠真實、自然地再現語音、音樂及效果聲。避免了傳統錄音電路量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。
ISD4004系列語音芯片的所有操作由微控制器控制，操作命令通過串行通信接口(SPI或Microwire)送入。錄音采樣頻率可為4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0Hz，錄放時間可為8min、10min、12min、16min。采樣頻率越低，錄放時間越長，但音質則有所下降。片內信息存于閃爍存儲器中，可在斷電情況下保存100年，反復錄音10萬次(典型值)。器件工作電壓為3V，工作電流為15～25mA，維持電流為1μA。適用于移動電話機及其它便攜式電子產品中。
本文以ISD4004-8MP(錄放時間為8min，PDIP封裝)語音芯片為例，介紹了語音拷貝系統的設計。
(聲明：本系統僅供測試使用，未經許可復制他人音頻內容，造成的侵權行為，由使用者自己承擔；在使用本系統過程中造成的語音信息的失真、缺損及其它內容變更等責任，由使用者自己承擔。)
2 ISD4004語音拷貝系統的設計
系統設計的整體思路是用錄制好語音的器件(母片)放音，待拷貝的器件(子片)錄音。其關鍵在于確保拷貝出的子片語音信息和母片完全一致，為此采用地址拷貝法。首先母片放音一遍，確認母片的語音信息地址，建立地址索引表；在母片放音的同時，子片同步進行錄制拷貝，即在子片相同的地址處進行相應語音信息的錄制。地址拷貝法確保了母片和子片的語音信息地址完全一致。下面分軟件和硬件電路兩部分進行介紹。
2.1 軟件的設計
2.1.1 母片語音地址的確定
母片語音地址的確定是整個設計的重點。ISD器件的地址不是通常意義上的字節地址單元，而是內部存儲器的行地址。行是語音信息段的基本組成單位。以ISD4004-8MP為例，它內部的3840K閃爍存儲器單元共分為1600行，每個地址單元指向其中的一行，即有1600個行地址單元。ISD4004-8MP的錄放時間為八分鐘，采樣頻率為8kHz，因此它的每行語音長度為200ms，即地址分辨率為200ms。
ISD器件可以進行多段錄放操作，每一段稱為一個語音信息段。一個語音信息段由其起始地址、記錄的數據和信息結束標志EOM(表示一個語音信息段的結束)三部分組成。ISD器件出廠時，其內部存儲器的一行已經設計有多個可能的EOM標志位置。ISD4004系列一行有八個，第一個位于行起始后的25ms處，第八個位于行結束處，剩下EOM標志間隔25ms均勻分布。錄音停止后，向器件發送STOP命令，錄音的進程不會馬上停止，到了下一個最近的可能EOM標志位置時，用一個EOM標志寫入器件來記錄語音結束的位置。這樣做可以使錄音的進程在盡可能短的時間內停止。在實際應用中，一行最多只能有一個EOM標志說明語音信息段的結束，無論這個標志在哪里，下一條語音信息將從新的一行開始。所以一個語音信息段可以占用一行或多行存儲空間，可以包括多個地址單元；一個地址單元最多只能作為一個獨立的段。ISD4004最多可以分為1600個語音信息段。
ISD器件存儲陣列中的每一行都可以獨立尋址。錄放操作都是從一行的行首開始，可以一直持續到行尾，自動無縫跳轉到下一行開始，繼續錄放。不同之處在于放音時，遇到EOM標志時，放音自動停止，產生中斷；錄音時，需要向器件發送STOP命令，寫入一個EOM標志，結束錄音。
放音時，每播放一行語音，產生一個RAC周期信號。每個RAC周期表示ISD存儲器操作進行了一行。該信號保持175ms的高電平，低電平為25ms。該端可以用于存儲器管理。ISD在播放和快進操作中檢測到EOM或者OVF標志(表明ISD錄放操作已經達到存儲器的末尾)時，都會產生中斷，
變低并保持。中斷狀態在下一個SPI周期時清除，也就是說每播放完一個語音信息段，便會產生中斷。因此，RAC和配合，可以確定每個語音段的起始和結束地址。在硬件設計中，母片ISD4004的引腳接單片機的外部中斷" title="外部中斷">外部中斷INT0引腳，母片ISD404的RAC引腳接單片機的外部中斷INT1引腳，通過外部中斷INT0的中斷程序，判斷語音信息段的結束，通過外部中斷INT1的中斷程序，記錄播放的行數目(即行地址)，那么下一個地址就是新的語音信息段的開始地址。這樣可通過中斷服務程序，獲取每個語音信息段的地址，然后建立地址索引表，記錄其起始地址。
2.1.2 各種子程序" title="子程序">子程序的設計
為了便于編程，對ISD器件的操作都需要設計相應的子程序。其中有：POWERUP(上電" title="上電">上電)、SETPLAY(從指定地址開始放音)、PLAY(從當前地址開始放音)、SETREC(從指定地址開始錄音)、REC(從當前地址開始錄音)、SETRMC(從指定地址開始快進)、MC(從當前地址開始快進)、STOP(停止當前操作)、STOPWRDN(停止當前操作并掉電)、RINT(讀狀態OVF和EOM)。在實際應用中，針對母片和子片都有相應的子程序。根據器件的手冊，某些操作必需進行適當的延時。播放和錄音時，還應遵守適當的操作次序。
(1) POWERUP
上電操作時，要等待Tpud(上電延遲)后器件才能工作。因此，單片機發送完上電指令后，必須等待Tpud，才能發送其它的指令。對于ISD4004-8MP，Tpud＝25ms。
(2) STOP
在放音或者錄音過程中停止當前操作時，單片機發送完停止指令后，要等待Tstop后器件才能停止工作。對于ISD4004-8MP，Tstop＝50ms。
(3) 為了達到較好的放音和錄音質量，錄音和放音時，建議采用下面的操作順序：
放音時：①發送POWERUP命令；②等待Tpud；③從指定地址播放時發送SETPLAY命令，從當前地址播放時發送PLAY命令；④結束放音時發送STOP命令或者等待播放操作檢測到EOM或者OVF時自動停止。⑤等待Tstop。
錄音時：①發送POWERUP命令；②等待Tpud；③再次發送POWERUP命令；④等待2倍Tpud；⑤從指定地址錄音時發送SETREC命令；從當前地址錄音時發送REC命令；⑥發送STOP命令，結束錄音；⑦等待Tstop。
2.1.3 拷貝程序的設計
拷貝前，先把母片語音完全播放一遍，建立地址索引表。母片語音地址確定后，可以開始語音拷貝。通過相關子程序，從母片地址索引表中調入不同語音段的地址，開始播放，子片在相同的地址開始錄音。播放到一個語音段結束時，母片檢測到EOM標志，放音結束，并產生中斷，單片機調用中斷程序，向子片發送STOP命令，寫入EOM標志，表示語音結束。延時Tstop，跳出中斷后，記錄已經錄制的語音數目，并調入下一條語音的地址，重復進行操作，直到地址表查詢完畢或者母片檢測到OVF標志，表示全片放音結束，錄音結束。
2.2 硬件電路的設計
系統硬件電路圖如圖1所示。主要由單片機AT89C51、電源轉換芯片MAX603、有關按鍵和跳線、兩片同型號ISD4004-8MP(一片為母片，一片為子片)和運放μA741等組成。硬件設計時，要注意以下幾個方面：
(1)單片機引腳模擬SPI接口，編程時應注意其時序。
(2)母片INT和RAC引腳分別接單片機外部中斷INT0和INT1，應有上拉電阻。
(3)芯片采用+3V電源供電，放音時最大消耗電流為30mA，錄音時最大消耗電流為40mA，因此ISD芯片要有獨立的電源提供穩定的供電。設計中采用MAX603電壓轉換芯片。
(4)錄音時輸入信號既可采用單端輸入(信號接在同相模擬輸入端ANA IN+)，也可采用差分輸入(信號同時接在同相模擬輸入端ANA IN+和反相模擬輸入端ANA IN-)。采用單端輸入時，輸入信號的峰峰值最大為32mV，此時器件輸出AUD OUT的峰峰值大約為450mV。為了擁有較好的音質，需要對母片的聲音輸出進行衰減，再通過去耦電容" title="去耦電容">去耦電容，接到子片的同相模擬輸入端ANAIN+。而反相模擬輸入端ANAIN-則通過去耦電容接地。兩個去耦電容大小值應相同。
(5)同型號芯片互相拷貝，應使用ISD器件的內部時鐘，即XCLK接地；采用音質優先模式，保障拷貝出的器件不會出現語速失真的情況。
(6)為了使噪聲最小，器件的模擬電路和數字電路應使用不同的電源總線，并且分別引到外封裝的不同引腳上，模擬電源和數字電源最好分別走線，盡可能在靠近電源處相連，去耦電容應盡量靠近器件。器件內部的模擬電路和數字電路也應使用不同的地線。幾個Vssa盡量在引腳焊盤上相連，并且用低阻通路連到地線上，Vssd也用低阻通路連接到地線上。
3 系統測試
拷貝完畢后，對錄制的子片進行測試。系統采用夾具設計，把母片和子片取出，把子片放在母片的位置，通過更改相應的跳線，使系統工作在放音模式下。采用順序播放(即語音按照順序連續播放)方法，確認錄入子片的全部語音信息。按地址播放(按照母片的地址索引表從子片的相應地址逐條播放)方式，確認子片語音信息地址和母片完全一致。通過測試，子片語音信息地址與母片完全一致，語音質量接近于母片質量，達到了較好的效果。
經測試，本系統適用于ISD4004系列的全部型號，只需要在程序中更改為各自型號的Tpud和Tstop即可。原則上，同型號和時間長度的ISD語音芯片都可以用本系統拷貝，但由于不同型號器件每行語音長度(即地址分辨率)不同，它們之間的拷貝可能會出現未知的問題。
4 部分程序
下面是語音拷貝和播放的部分程序。
…………
;偽定義
SPI_SS1 EQU P1.0
SPI_MOSI1 EQU P1.1
SPI_MISO1 EQU P1.2
SPI_SCLK1 EQU P1.3
SPI_SS2 EQU P1.4
SPI_MOSI2 EQU P1.5
SPI_MISO2 EQU P1.6
SPI_SCLK2 EQU P1.7
ISD_STOP_KEY EQU P0.0
ISD_EN_KEY EQU P0.1
ISD_PR_KEY EQU P0.2
…………
;初始化單片機
LCALL INIT_MCU
;初始化母片ISD4004，延時Tpud
;ISD1_×× 為母片子程序
LCALL ISD1_POWERUP
LCALL DELAY_25MS
;初始化子片ISD4004，兩次上電
;ISD2_×× 為子片子程序
LCALL ISD2_POWERUP
LCALL DELAY_25MS
LCALL ISD2_POWERUP
LCALL DELAY_25MS
LCALL DELAY_25MS
;主程序，判斷是否開始操作
MAINLOOP:
JB ISD_EN_KEY, MAINLOOP
;判斷播放還是拷貝
JB ISD_PR_KEY, ISD_PLAY1
JNB ISD_PR_KEY, ISD_COPY1
;置中斷標志
SETB FLG_ISD_INT
;拷貝程序
;從語音信息地址調用子程序ISD_ADDRESS_COPY，
;從索引表中調入地址
ISD_COPY1:
LCALL ISD_ADDRESS_COPY
; 從指定地址開始播放和錄音
LCALL ISD1_SETPLAY
LCALL ISD2_SETREC
;從當前地址開始播放和錄音
LCALL ISD1_PLAY
LCALL ISD2_REC
;判斷是否手動結束拷貝操作
ISD_COPY2:
JNB ISD_STOP_KEY, ISD_COPY3
;判斷一段語音是否播放完畢，是否中斷處理完畢
;播放完畢重置中斷標志
JB FLG_ISD_INT, ISD_COPY2
SETB FLG_ISD_INT
;延遲Tstop
LCALL DELAY_25MS
LCALL DELAY_25MS
;記錄拷貝個數，×× 為需要拷貝的語音數目
;判斷是否拷貝完畢，未完則繼續拷貝
INC COPY_CNTR
MOV A, COPY_CNTR
CJNE A, ××, ISD_COPY1
;拷貝結束，返回主程序
ISD_COPY3:
LCALL ISD1_STOP
LCALL ISD2_STOP
LJMP MAINLOOP
;播放程序，順序播放方式
;設置從地址00開始進行播放
ISD_PLAY1:
MOV ISD_ADRESS_H, #00H
MOV ISD_ADRESS_L, #00H
LCALL ISD1_SETPLAY
;開始播放
ISD_PLAY2:
LCALL ISD1_PLAY
;判斷是否手動結束播放
ISD_PLAY3:
JNB ISD_STOP_KEY, ISD_PLAY4
;判斷一段語音是否播放完畢，是否中斷處理完畢
;播放完畢重置中斷標志
JB FLG_ISD_INT, ISD_PLAY3
SETB FLG_ISD_INT
;繼續播放
JMP ISD_PLAY2
;播放結束
ISD_PLAY4:
LCALL ISD1_STOP
LJMP MAINLOOP
…………
拷貝出的子片已經應用在排隊管理系統的語音部分。在實際使用中，子片完全可以替代母片，效果良好。本系統不但解決了ISD4004系列器件的語音錄制問題，而且復制出的器件地址完全一致，與傳統的錄制方法相比，有很大的優勢。
參考文獻
1 ISD4004 Series Single-Chip Multiple-Messages Voice Record/Playback Devices 8-, 10-, 12-, and 16-Minute Duration. Winbond Electronics Corp., 2004
2 The ISD Chipcorder Product Line: Sizes, Row Lengths and Other Useful Drtails for Address Able ISD Products.Winbond Electronics Corp., 2000
3 劉 欣，安欣賞，劉大生，許鳴宇.ISD語音器件分段地址的獲取.電子技術應用，1999；25(10)：64～65