MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接

实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接一、实验目的二、实验设备与器材三、实验电路四、实验原理(ISD4000系列语音芯片简介)五、实验内容、过程及要求实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接一、实验目的(1)理解SPI串行总线传输协议。(2)理解ISD4000系列语音芯片的工作原理以及其放音、录音的控制过程。(3)理解MCS-51与SPI总线外设(如ISD4000系列语音芯片)的硬件连接、读/写方式。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接二、实验设备与器材仿真器及其附件、图1所示的实验电路板各一套。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接三、实验电路本实验仅仅涉及实验板上的U101、U103、U104、U401(ISD4002语音芯片)、U404(集成功率放大器)，而与其他元器件无关。接通电源前，将JP103的1-2引脚短路，使ISD4002语音芯片的中断输出端引脚与MCS-51外中断(P3.2)引脚相连。由于多数MCS-51芯片没有内置的SPI串行总线接口部件，因此只能用软件模拟SPI总线时序方式读/写SPI总线接口器件。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接四、实验原理(ISD4000系列语音芯片简介)ISD4000系列语音芯片包括ISD4002、ISD4003、ISD4004三个子系列芯片，电源电压为3V，单片录音时间在2～16分钟之间。音质中上，它们被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、语音复读机等电子产品中。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接该系列语音芯片采用CMOS工艺，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平FlashROM存储器阵列。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FlashROM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”。可选4.0，5.3，6.4，8.0kHz等多个采样频率。采样频率越低，录放时间就越长(但音质会略有下降)，片内信息存放在FlashROM存储器中，在断电状态下可保存100年(典型值)，能反复录音10万次以上。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接1．主要参数表13-1主要参数型号存储时间/秒最大段数信息分辨率/毫秒采样频率/Hz滤波器带宽/Hz控制码+地址位长度ISD4002-1201206002008.0k3.4k5+11ISD4002-1801806003005.3k2.3k5+11ISD4002-2402406004004.0k1.7k5+11ISD4003-0424012002008.0k3.4k5+11ISD4003-0636012003005.3k2.3k5+11ISD4003-0848012004004.0k1.7k5+11ISD4004-0848024002008.0k3.4k8+16ISD4004-1696024004004.0k1.7k8+16实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接2．封装及引脚排列ISD4000系列语音芯片采用28引脚TSOP、PDIP或SOIC封装方式，其中PDIP或SOIC封装方式引脚排列如图13-1所示。引脚功能如下：VCCD：芯片内部数字电路电源引脚。VSSD：芯片内部数字电路地线引脚。VCCA：芯片内部模拟电路电源引脚。VSSA：芯片内部模拟电路地线引脚。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接图13-1PDIP或SOIC封装引脚排列实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接为了减小噪声，芯片内部模拟、数字电路具有各自的电源、地线总线，以方便在印制板上实现数字、模拟电路电源和地线分开走线，形成单点接地的布线规则。ANAIN+、ANAIN-：分别是录音输入放大器的同相输入端和反相输入端。输入放大器可用单端或差分方式驱动。采用单端驱动时，信号由耦合电容输入，最大为32mV(峰-峰值)。耦合电容与本端内部的3kΩ串联电阻构成的输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。采用差分驱动时，最大为16mV(峰-峰值)。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接XCLK：外部采样时钟输入端，可选的采样频率如表13-1所示。一般使用芯片内部采样频率(在出厂前已调校，误差在+1%以内)，除非对采样精度要求很高。当不用外部采样时钟信号时，XCLK引脚必须接地。AMCAP：自动静噪输入端。当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时，自动静噪功能使信号衰弱，这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。一般情况下，该引脚对地接1 μF电容，构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪功能的翻转点。大信号时，自动静噪电路不衰减，静音时衰减6dB。1μF电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。当AMCAP引脚接VCCA时，则禁止自动静噪。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接AUDOUT：音频输出，可驱动5kΩ的负载。MOSI：命令及数据信息的串行输入端。MIS0：状态信息的串行输出端。SCLK：串行时钟输入端，由SPI总线主设备(一般为MCU)提供。：片选信号输入端，输入，低电平有效。当片选信号无效时，芯片处于待用状态，静态电流典型值为1μA。SS实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接：中断输出端，漏极开路(OD)输出，低电平有效。在放音(包括快进)、录音操作过程中，遇到到段结束(EOM)、存储器末尾(OVF)时，引脚输出低电平并保持，直到SPI总线主设备向ISD芯片写入新的命令。RAC：行地址时钟输出端，漏极开路(OD)。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4003系列中的存储器有1200行)。该信号高电平时间为200ms，低电平时间为25ms。快进模式下，RAC的218.75μs是高电平，31.25μs是低电平。该端可用于存储管理技术。INTINT实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接3．控制命令及SPI端口控制寄存器位ISD4000系列语音芯片控制命令如表13-2所示，SPI端口控制寄存器位含义如图13-2所示。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接表13-2控制命令指令5位控制码11位地址操作摘要POWERUP00100XXXXXXXXXXX上电:等待TPUD后器件可以工作SETPLAY11100A10-A0从指定地址开始放音。必须后跟PLAY指令使放音继续PLAY11110XXXXXXXXXXX从当前地址开始放音(直至EOM或OVF)SETREC10100A10-A0从指定地址开始录音。必须后跟REC指令录音继续REC10110XXXXXXXXXXX从当前地址开始录音(直至OVF或停止)SETMC11101A10-A0从指定地址开始快进。必须后跟MC指令快进继续MC11111XXXXXXXXXXX执行快进，直到EOM。若再无信息，则进入OVF状态STOP0X110XXXXXXXXXXX停止当前操作(C3没有定义)STOPWRDN0X01XXXXXXXXXXXX停止当前操作并掉电(C3、C0没有定义)RINT0X110XXXXXXXXXXX读OVF和EOM标志(C3没有定义)实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接200ms25msOVFEOMP0P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10000C4C3C2C1C0A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0MISOMOSIMC(快进模式)：1-允许；0-禁止IAB(是否忽略指令地址)：1-忽略；0-使用PU(电源控制)：1-上电；0-掉电P/R(放音/录音)：1-放音；0-录音RUN(允许/禁止操作)：1-开始；0-停止图13-2SPI端口控制寄存器位及含义实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接1)放音过程(1)执行上电命令(POWERUP)。(2)延迟等待，上电结束(当采样频率为8kHz时，上电延迟时间约为25ms)。(3)执行“SETPLAY”命令，设置放音段起始地址。录音、放音段起始地址与每段最短时间及放音长度有关。例如，对ISD4002-120芯片来说，最多有600段(段地址编号为000～599)，每段最短录音时间为200ms。如果每段记录一个单音，长度为400ms(即每个单音占用两段)，则第n个单音对应的段地址为(n×2)。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接(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13-3(a)所示。在放音操作过程中，执行“STOP”或“STOPWRDN”命令时，将终止当前放音操作。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接2)录音过程(1)执行上电命令(POWERUP)。(2)延迟等待，直到上电结束(当采样频率为8kHz时，上电延迟时间TPUD约为25ms)。(3)再执行上电命令(POWERUP)。(4)延迟两倍上电等待时间(即延迟2×TPUD时间)。(5)执行“SETREC”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。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接在录音过程中，未录到存储器末尾时，就执行“STOP”或“STOPWRDN”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13-3(b)所示。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接YNYN开始执行上电操作命令(POWERUP)延迟等待(25ms)，直到上电结束上电延迟时间到？执行“SETPLAY”命令设置播放地址执行“PLAY”命令INT有效？继续播放下一段？执行“STOPWRDN”命令结束段间延迟YNN开始执行上电操作命令(POWERUP)延迟等待(25ms)，直到上电结束上电延迟时间到？再执行上电操作命令(POWERUP)延迟2倍上电时间上电延迟时间到？执行“SETREC”命令设置录音地址执行“REC”命令INT有效？或录音时间到？执行“STOPWRDN”命令结束YYNNY(a)(b)图13-3放音、录音流程(a)放音流程；(b)录音流程实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接4．SPI总线接口时序及命令格式芯片支持8位、16位命令格式，传输时序如图13-4所示，ISD4000系列语音芯片SPI总线参数如表13-3所示。实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接表13-3ISD4000系列语音芯片SPI总线参数符号参数最小最大单位TSSS片选信号SS建立时间500—nsTSSH片选信号SS保持时间500—nsTDIS串行输入数据DI建立时间200—nsTDIH串行输入数据DI保持时间200—nsTPD输出延迟—500nsTDF输出延迟到高阻态—500nsTSSmin片选信号SS高电平时间1—μsTSCKhiSCLK高电平时间400—nsTSCKlowSCLK低电平时间400—nsF0SCLK频率—1000kHz实验13MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接MSBSCLKMOSIMISOSSTSSSTDISTDIHTCKlowTCKhiTSSHTSSminTDFTPDTPD(a)图13-4命令格式(a)传输时序；(b) 8位命令格式；(c) 16位命令格式实验