ISD系列语音芯片的开发与应用

    摘要：介绍了ISD公司单片语音芯片的开发与应用，提出了非定长分段语音录制和播放控制技术，实现组合评的无停顿式播放，并将其应用于机车随车质量状态诊断警装置中，取得了很好的效果。

    关键词：语音 直接模拟存储技术

概述

随着集成电路制造技术的发展，语音处理器已层出不穷，并且性能越来越高，应用范围也越来越广，可用于微型录音机、通讯、电话、车船、飞机黑匣子、有声电子信函、语音信箱、高级玩具等，应用前景十分广泛。美国ISD公司利用本公司的专利“直接模拟存储技术”（DAST），把模拟数据成功的存入半导体存储器中。这种突破性的EEPROM存储方法可以在每次取样后，将数据暂存在取样保持电路中，并最终将数据写入EEPROM存储单元，而不需要A/D或D/A的转换。这种技术产生的效果：①比同等的数字存储方式增加了集成度。②模拟数据的存储是不挥发的，因此可多次进行录放。在机车随车质量状态诊断报警装置中，采用了ISD公司的ISD4003系列语音芯片，用于对司机进行随车故障定点定性报警和应急故障处理提示。

ISD语音芯片

    图1为ISD系列产品的基本框图。在一块芯片上集成有麦克风前置放大器、自动增益控制电路、抗混淆和平滑滤波器、模拟存储阵列、扬声器驱动器、控制接口和内部精确的参考时钟。其外部元件包括：麦克风、扬声器、开关和少数几个电阻、电容，再加上电源或电池，就可构成一个完整的语音录放系统。在只需要播放语音信息的应用系统中，可直接外接扬声器，而无需外接其它器件。

    录音过程中，ISD系列器件在进行存储操作之前，要分几个阶段对信号进行调整。首先要输入信号放大到存储电路动态范围的最佳电平，这个阶段由前置放大器、放大器和自动增益控制部分来完成。

    前置放大器通过隔直流电容与麦克风连接，隔直流电容用来去掉交流小信号中的直流成份(大约2～20mv）。信号的放大分两步完成：先经过输入前置放大器，然后经过固定增益放大器。完成信号的通路要在模拟输出端(ANA OUT)和模拟输入端(ANA IN)两个引脚之间连接一个电容器。这种结构使得系统设计更加灵活，尤其对于非语音信号的应用。同时提供一个用于截止低频的端口。自动增益控制电路动态地监控放大器输出的信号电平并发送增益控制电压到前置放大器。前置放大器增益自动调节以便维持进入滤波器的信号为最佳电平。这样录音的信号能得到最高电平又使削波减至最小。我们可以通过选择连接到AGC引脚的电阻和电容值来调节描述自动增益电路特性的两个时间常量：即响应时间和释放时间。

    下一个阶段的信号调整是由输入滤波器完成的。由于模拟信号的存储仍然是采用取样技术，因此还需要一个抗混淆滤波器以去掉（或至少减到可忽略不计的程度）取样频率1/2以上的输入频率分量。这样就满足了所有数据采集系统都遵循的奈奎斯特取样定律。语音的质量要想优于电话的音质，取样频率要用8KHz。低通滤波器的高频频限选在3.4KHz，可满足奈奎斯特取样定律，而且仍有足够宽的频带以得到高音质的语音。滤波器是一个连续时间五极点低通滤波器，在3.4KHz每个倍频程衰减40dB。

    信号的调整至此已告完成。然后将输入波形通过模拟收发器写入模拟存储阵列中。由8KHz取样时钟取样，并且经过电平移位而产生不挥发写入过程所需要的高电压，同时补偿与Fowler-Nordheim隧道效应相关的一些实际因素。取样时钟也用于存储阵列的地址译码，以便输入信号顺序的写入存储阵列。

    放音时，录入的模拟电压在取样时钟的控制下顺序地从存储阵列中读出，恢复成原来的取样波形。输出通道上的平滑滤波器去掉取样频率分量并恢复原始波形。平滑滤波器的输出通过一个模拟多路开关连接到输出功率放大器。两个输出管脚直接驱动扬声器。

    ISD系列器件的线路设计基于每个EEPROM存储单元等效于8位存储器。信息写入存储单元采用闭环方式。取样保持电路在编程周期内保持数据并将存储的模拟电压提供给比较器的一个输入端。比较器的另一个输入是存储单元本身的输出。在多次写入中，电子被“泵入”存储单元，并使存储电平反馈到比较器，当比较器的信号(也就是存储单元的输出电压)等于取样保持电平时，该存储单元的编程停止。

开发装置

    为了便于实现多片语音芯片的非定长分段录入，以及语音的编辑处理，我们开发了基于PC机的ISD语音开发装置。原理如图2所示。

    首先，将语音录入PC，通过CREATIVE的WAVESTUDIO进行语音的编辑和处理，对语音进行分段处理，并存成单个独立的文件。接着，通过自行开发的语音录入系统，对分段的语音长度进行计算，计算精度为100ms，根据所选器件的语音容量和最大可分段数以及各段语音的长度计算出各段录制语音的起始地址和录制时间，控制声卡语音输出并控制ISD语音芯片的指定地址的语音录入，同时将各段语音时间长度和起始地址生成数据库表，写入到应用系统的ROM中，便于应用系统根据需要进行非定长语音组合，防止语音组合播放时的停顿。

ISD语音芯片应用

    在“机车随车质量状态诊断报警装置”中，我们应用了ISD公司的ISD4003-8M(8分钟)的语音芯片，用于车载定点定性的语音报警和故障应急处理提示。

    硬件接口示于图3。

    ISD串行语音芯片的录放过程示于图4和图5。

结语

    通过以上的介绍，我们可以看到： 1、ISD语音芯片精度高、集成度高，使微机的语音输出结构大大简化，造价大大降低。2、由于ISD语音器件抗干扰性强，所以在环境恶劣的系统中，如机车车辆，也能进行正常的语音输出，信息保存时间长，工作可靠。3、由于ISD芯片的输出可以高保真的再现原声，可将ISD语音芯片用于语音及声音信号的检测或模拟系统。4、系统中研制的基于PC机和声卡的开发工具，实现了语音的非定长录制和无间断停顿式组合播放。5、应用在机车随车质量状态诊断报警装置中，实现了车载大量语音报警信息和故障应急处理提示的功能，取得了良好的效果，现已通过铁道部郑州局鉴定，批量装车。