基于ISD4004芯片的电梯智能语音系统的设计

新疆大学电气工程学院 靖大同 吴向前 司志泽

1.引言

随着城市文明化和现代化建设步伐的加快，对建筑中电梯的服务要求也越来越高，现代电梯技术已朝着更快、更稳、更安全及更人性化的方向迅速发展。电梯语音报站器就是体现其人性化设计的一个具体表现。用语音报告电梯将要到达或已经到达的楼层信息、电梯的运行状态、欢迎词和音乐等，可避免乘客搭错电梯或楼层、消除人们乘坐电梯的孤独感。

ISD4004是Winbond公司的ISD4000系列语音芯片。它采用了“直接模拟量存储”（DAST）专利技术，信号无需经过D/A、A/D转换，数字压缩和语音合成等复杂的数字信号处理过程，减少了失真，使其声音存储效果较以前产品有大幅度提高，实际试听主观评价可以达到磁带录音机的水平，是目前市场上录放效果较好的语音电路之一。

本文以ATMEL公司的AT89C51和Winbond公司的ISD4004语音芯片为核心，设计了一种电梯语音服务系统，实现了电梯语音服务的智能化和自动化，以适应各种对服务要求比较高的电梯中。

2.硬件电路设计

本系统由信号采集与隔离电路、单片机及其外围电路、语音芯片电路和电源电路四大部分组成。电梯的楼层信号经过采集隔离处理后送至单片机，单片机分析、判断、提取出有效信息，再经过运算处理输出控制信号控制语音芯片电路实时播报。系统整体结构如下图1所示。

2.1 ISD4004语音芯片介绍及接口电路

ISD4004语音芯片采用CMOS技术，内含内部时钟、采样时钟、平滑滤波器、自动静噪、音频放大器、高密度多电平Flash ROM存储器及防混叠滤波器等，通过串行通信接口(SPI或Microwire总线协议)与微控制器(如MCS-51芯片)相连，所有操作均由微控制器控制。内部采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内Flash ROM存储器中，因此能逼真、自然地再现语音、音乐、音调等声响效果，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率可为4.0kHz、8.0kHz。频率越低，录放时间越长，音质则有所下降。片内信息存于Flash ROM中，可在断电情况下保存100年（典型值），反复录放10万次。器件工作电压3V，工作电流25~30mA，维持电流1uA，单片录放语音时间8~16min，音质好，广泛应用于公共汽车语音报站系统、移动及自动应答电话设备及语音复读机等电子产品中。

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，是一种标准的全双工四线同步双向串行总线。SPI协议是一个同步串行数据传输协议，协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作。因此，对ISD4004而言，在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。

2.1.2 ISD4004语音芯片SPI总线接口时序及命令格式

ISD4000系列语音芯片SPI总线参数如表1所示，ISD4004芯片支持8位、16位命令格式，传输时序及8、16位命令格式如图2、3、4所示。

从SPI总线时序可以看出：其SPI总线时序与SPI总线接口存储器EEPROM 25C01/02/04兼容。在接收控制命令时，先接收LSB(这要求SPI总线控制器先输出LSB)；空闲时，SCLK为低电平，在SCLK上升沿锁存MOSI引脚上的信息，如表1所示。

表1 ISD4004语音芯片SPI总线参数

2.2 ISD4004外围接口电路

I S D 4 0 0 4 外围接口电路主要由ISD4004、麦克X1及相关外围电路构成。声音信号由X1转换成电信号，经电容C31耦合，三极管Q4放大后由IN-引脚进入ISD4004，由ISD4004采样和保存。录音播放电路主要由ISD4004、LM386等构成。声音信号由ISD4004的AUDOUT引脚输出，经电容耦合送入LM386芯片，放大后由VOUT引脚输出并驱动扬声器发声。如图5所示，ISD4004外围接口电路。

3.软件设计

3.1 放音过程

(1)执行上电操作命令(POWER UP)；(2)延迟等待，直到上电结束(当采样频率为8 kHz时，上电延迟时间约为25 ms)；(3)执行“SET PLAY”命令，设置放音段起始地址；(4)执行“PLAY”命令，从当前地址开始放音，遇到段结束标志EOM或存储器末尾标志OVF时停止放音，同时INT引脚输出低电平，指示当前段播放结束。

当需要播放两段或两段以上时，如果段与段之间间隔很小时，可在上一段播放结束后，延迟一段时间(需通过试听确定延迟时间的长短，一般为数十毫秒)再播放下一段。放音过程如图6所示。在放音操作过程中，执行“STOP”或“STOP WRDN”命令时，将终止当前放音操作。

图1 系统整体结构图

图2 传输时序

图3 8位命令格式

图4 16位命令格式

图5 ISD4004外围接口电路

图6 放音流程

图7 录音流程

3.2 录音过程

(1)执行上电操作命令(POWER UP)；(2)延迟等待，直到上电结束(当采样频率为8 kHz时，上电延迟时间TPUD约为25 ms)；(3)再执行上电命令(POWER UP)；(4)延迟两倍上电等待时间(即延迟2×TPUD时间；(5)执行“SET REC”命令，设置录音段的起始地址。

执行“REC”命令，从当前地址开始录音，直到出现存储器末尾标志OVF信号。

在录音过程中，未录到存储器末尾时，就执行“STOP”或“STOP WRDN”命令，将终止当前录音操作，并产生EOM标志。因此，可利用这一特性在芯片上录制多段语音信息。可见，录音过程与放音过程相似，只是每次录音操作操作只能录一段，如图7所示。

程序设计的关键是对ISD4004的操作。ISD4004有许多操作命令如表4所示，这些命令通过SPI接口传给ISD4004。AT89C51单片机没有SPI接口，因此需要程序模拟SPI接口。下面重点给出ISD4004芯片初始化程序及程序模拟SPI接口向ISD4004发送单字节指令。

初始化ISD4004芯片，代码如下：

void Ini_ISD(void)

{

ISD_OneCode(POWERUP);

Delay50ms();

ISD_OneCode(POWERUP);

Delay50ms();

Delay50ms();

}

程序模拟SPI接口向ISD4004发送单字节指令，代码如下：

void ISD_OneCode(uchar CCode)

{

ISD_CS=0;

//单字节指令

ISD_WriteSpi(CCode);

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

ISD_CS=1;

}

4.结束语

本文介绍基于ISD4004、单片机AT89S51的电梯语音系统,经测试，整个系统工作稳定，功耗小，音量可调，输出的语音清晰，音色优美，对电梯的安全、稳定运行无干扰，实现了电梯语音服务的智能化和自动化。

[1]王幸之,钟爱琴,王雷.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京航空航天大学出版社,2004.

[2]陈越,严一岩.ISD 全系列单片语音录放电路设计与应用汇编.ISD Data Book.2000.

[3]高红亮,张国忠,杨杰,周晟.采用ISD4004的电梯语音系统的设计[J].电子技术,2005,9.

[4]赖麒文.8051单片机C语言开发环境实务与设计[M].科学出版社,2002.