ISD1420原理及应用

    VCCD：数字电路电源;

    VCCA：模拟电路电源;

    VSSD：数字地;

    VSSA：模拟地;

    SP+:喇叭（+）;

    SP-：喇叭（-）;

    SCLK：外接时钟（可选）;

    ANA IN：模拟量输入;

    ANA OUT：模拟量输出;

    AGC：自动增益控制;

    MIC：驻极体话筒输入;

    MIC REF：驻极体话筒参考输入;

    PLAYE：边沿触发放音;

    PLAYL：电平触发放音;

    REC：录音触发;

    RECLED：发光二极管接口;

    NC：空脚

    由图2、图3可以看到ISD1410（1408、1412）与ISD1420（1416）不同之处是地址输入端除A3之外,其余均为空脚（NC）。由此说明ISD1410（1408、1412）不能分段应用,ISD1420（1416）则具有分段录放功能。

2. 操作模式应用

    ISD1420地址输入端具有双重功能,根据地址中的A6、A7的电平状态决定A0～A7的功能。如果A6、A7有一个低电平,A0～A7输入全解释为地址位,作为起始地址用,此时地址线仅作为输入端,在操作过程中不能输出内部地址信息。根据PLAYE、PLAYL或REC的下降沿信号,地址输入被锁定。如果A6、7同为高电平时,它们即为模式位。

    使用操作模式有两点要注意：

    （1）所有初始操作都是从0地址开始。0地址是ISD1420存储空间的起始端,后面的操作可模拟模式的不同,而从不同的地址开始工作。当电路中录放音转换将进入省电状态时,地址计数器复位为0.

    （2）当PLAYE、PLAYL或REC变为低电平,同时A6、A7为高电平时,执行地址线所对应的操作模式。这种操作模式一直执行到下一个低电平控制输入信号出现为止。

    操作模式可以与微控制器一起使用,也可用硬件连线得到所需系统操作。

    A0：信息检索（仅用于放音工作状态）。不知道每个信息的实际地址,A0使操作者快速检索每条信息,A0每输入一个低脉冲,可使利内部地址计数器跳到下一个信息。这种模式仅用于放音工作,通常与A4操作同时应用。

    A1：用于删除EOM标志（仅用于录音工作状态）。A1可使录入的分段信息成为连续的信息,使用A1可删除掉每段中间信息捷的EOM标志,仅在所有信息后留一个EOM标志。当这个操作模式完成时,录放的所有信息就作为一个连续的信息放出。

    A3：用于循环重放信息（仅用于放音工作状态）。A3可使存于存储空间始端的信息自动地连续重放。一条信息可以完全占满存储空间,那么循环就可以众头至尾进行工作,并由始至终反复重放。

    A4：连续寻址。在正常操作中,当一个信息放完,遇到一个EOM标志时,地址计数器就会复位。A4可防止地址计数器复位,使得信息连续不断地放出。A2、A5未用。

3. 分段方法及应用

    图4是ISD1420（1416）典型应用电路图,图中的“PLAYL”、“PLAYE”键只需选接一个即可,地址输入端A0～A7有效值范围为00000000～10011111,这表明最多可被划分为160个存贮单元,可录放多达160段语音信息。由A0～A7决定每段语音的起始地址,而起始地址又直接反映了录放的起始时间。其关系见公式：

    TQ=0.125s×（128A7+A6+32A5+16A4+8A3+4A2+2A1+0）

    图5是ISD1420的分段原理图。图中A0～A2置为低电平,此时电路共分为四段。A3～A7平时通过电阻R6～R13接至高电平,如果要将某一地址置低电平时,则在该位与地之间接一个隔离二极管。图5中的各段的起始地址和时间安排如下：

    第一段语音从0秒开始,地址设置为00000000;

    第二段语音从2秒开始,地址设置为00010000;

    第三段语音从5秒开始,地址设置为00100000;

    第四段语音从12秒开始,地址设置为01010000;

实际应用时,读者可根据每段语音的起始时间,自行设置相应的A0～A7组合。录放时,将S5打致“REC”,再按住S1,LED亮就开始录音,录音时间致2秒时就必须松武S1,否则下一段无效。录制其它段的方法相同。分段放音时,先将S5打向“PLAY”,中需按下相应的S1～S4键就可以播放出不需要接编码隔离二极管,地址输入端A0～A7直接连单片机、计算机的I/O口。

    这里再介绍一种可分为四段的简易电路。如图4所示,将A3、A5接开关K1、K4,A6接K2,通过控制K1、K2的组合可实现分录放,其关系见表1。

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　　1系统构成

　　语音电路组成框图如图1所示。由PLC发布RS232电平信号，经电平转换后，为单片机ATC51所接收。一方面控制语音芯片ISD1420放音，同时控制高亮度数码显示牌给出倒计时信号，为被训练人员提供提示。看门狗则保证该电路正常运行。

　　2语音信号控制

　　2.1语音电路构成

　　根据训练要求，语音电路在起跑前10秒发出“长提示音”一声，然后每隔一秒发“短提示音”一声，计时回零时发“发令声”(发声规律可调)。

　　语音部分电路设计见图2。“提示音”与“起跑声”由语音存储/再生芯片ISD1420分段存储，ISD1420输出的音频信号经电容耦合到两片集成功率放大器TDA2003构成的BTL功放电路，最后由扬声器输出。MAX232将PLC送过来的RS 232电平信号转换成TTL电平并送到单片机ATC51，ATC51根据PLC的指令，通过P3.6控制ISD1420的放音，P3.2～P3.5用来调整放音地址。MAX813L则作为看门狗为单片机ATC51提供上电复位和运行监控，由P3.7提供喂狗信号。

　　2.2语音电路特性

　　选用语音存储/再生芯片ISD1420。该电路采用EEPROM存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，具有音质自然、可反复录放、抗干扰、低功耗等许多优点。ISD1420放音时间为20秒;最多可分为160段，每段段长最少125ms;输入采样6.4kHz;100000次录音周期;5V单电源供电，放音电流15mA，维持电流0.5μA。完全满足设计需要。使用28引脚的DIP封装芯片，引脚功能见参考文献[5]。

　　地址引脚(A0～A7)有两个作用，取决于A7、A6的状态。当A7或A6有一个为“0”时，A0～A7解释为地址位，作为当前录放操作的起始地址。我们设计的电路使用了A0～A7的地址位功能。ISD1420的地址空间分配见表1。 

　　根据需要，语音信号分为“提示音”和“发令声”两段存储数据，“长提示音”或“短提示音”则由放音时间来区分。利用A0～A7引脚的地址功能，将ISD1420的内部存储空间分成两部分。20秒存储空间分为前8秒存储“提示音”，后12秒存储“发令声”。本设计对语音信号的音质要求并不高，所以语音数据事先由模拟方式录入。由于实际放音持续时间都小于存储的时间(8秒、12秒)，可以通过调整语音芯片的低位地址A0、A1、A2(P3.2～P3.4控制)来选择合适的数据段播放。

　　如图2所示，语音电路在现场使用时只受控放音，

　　ATC51的P3.6控制，放音时间长短由P3.6低电平保持时间决定。放音地址则由P3.2～P3.5决定。P3.5=0为“提示音”地址;P3.5=1为“发令声”地址，P3.2～P3.4为地址微调。何时放音、放哪段声音、放多长时间均由PLC发布命令。

　　2.3BTL功放电路

　　起跑装置要求在无交流电源时，可用电瓶供电，所以电源设定为12V。由于在户外使用，要求发出的声音具有一定的响度，即要求语音电路有较大功率输出。ISD1420内部输出级带有放大器，其直接的扬声器驱动功率为12.2mW(16Ω负载)，这距离我们的实际需要相差很大，因此后级功放必须保证能在低电压下输出大功率信号，以推动扬声器发声。

　　要在单电源低电压条件下输出大功率信号，功放电路选择桥接式无变压器输出电路(即BTL电路)，其基本工作原理由图3所示的分立元件BTL电路简图说明。图中有四个输出管VT1～VT4，扬声器接在两个输出端之间。在输入信号u的正半周，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止，输出电流如图中I1所示。在输入信号u的负半周，VT2、VT3导通，VT1、VT4截止，输出电流如图中I2所示。正、负半周，扬声器上的电位差方向相反，大小相等，都接近电源电压，所以对电源的利用率很高。理论上BTL电路效率可达78.5%。 

　　实际使用的电路如图2所示，两片10W集成功率放大器TDA2003接成BTL电路形式，通过电容与扬声器直接耦合，利用同时“推”“挽”的原理，扬声器上正弦波峰峰值电压近似为电源电压的两倍。输出基本能满足要求。

　　3软件设计

　　ATC51的软件设计相对简单。主要包括与PLC的串行通讯程序(12MHz晶振、4800波特率、八位异步方式)，放音控制程序，显示控制程序及喂狗程序。由于都是常规的方法，这里不在赘述。 

　　4结论

　　本起跑训练装置的语音环节结构简单，成本较低，调整方便，可靠性高，实际使用证明能够满足场地自行车训练要求。通过适当调整，该环节可用于其他场地竞赛训练。同时，该设计也为智能仪器提供较大功率语音信号输出给出了有益的尝试。 

　　参考文献

　　[1]朱民雄，等.计算机语音技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

　　[2]STMICRO DataSheet. TDA2003 10W Car Radio Audio Amplifier[EB/OL]. [3]ISD DataSheet. ISD1400 Series Single Chip Voice Record/Playback Devices[EB/OL].

　　[4]邓宽林.如何利用集成功放构成BTL电路[J].现代电子技术，2003，(14).

　　[5]张守波，郭松林.高保真语音录放电路及其在仪器中的应用[J].仪表技术，2004，(3).

前言

　　在日常生活中，从智能仪器、仪表，到一个个玩具，许多产品都应用到了语音功能。智能仪器、仪表、玩具，通过 CPU与语音芯片的结合能充分的发挥系统的性能，提高产品的智能化。在单片机控制系统中，通过单片机控制语音芯片 ISD1420，可以很方便地、很准确的完成系统的语音功能，以增加单片机控制系统的性能，提高单片机控制系统的使用范围。一、系统构成

　　基于 ISD1420的语音温度计系统主要由 MCS-51系列单片机 ATS52、语音芯片 ISD1420、时钟 /日历芯片 DS1302、温度传感器 DS18B20、液晶显示器 RT1602组成。它能够完成多点测温，可整点的或随时地用语音播报温度值和时间，并可随时地显示当前温度及年、月、日、星期及时、分、秒等信息。系统组成框图见图 1。

　　二、系统组成电路 

　　1．温度检测电路

　　温度检测电路见图 3，由两个 DS18B20温度传感器 Q1、Q2组成。电路可通过使用多个 DS18B20温度传感器，可完成多点的温度检测，并通过一条单总线将信号传送给单片机，由单片机进行温度识别并对此温度进行处理。 

　　DS18B20温度传感器 [1]是美国 DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，它的测温范围为 -5°C~+125°C。与传统的热敏电阻等测温元件相比， DS18B20的最大优点是能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9~12位的数字值读数方式。它有 8个字节共 位 ROM的结构，字节 0是产品类型的代号（ 28H）；字节 1~6共 48位为器件序列号；字节 7是前面 56位的 CRC校验码（循环冗余校验码），这样每个 DS18B20的这 位编码具有唯一性，单片机通过这一编码就可识别对应的 DS18B20传感器及其传送的温度。在一条单总线上挂接多个 DS18B20，此单总线与单片机的一根 I/O线相连接，就可以实现多点检测温度

可编程芯片 DS18B20内部还具有 9个字节的RAM，其中第0、1、2字节用于存储当前温度、上限报警温度、下限报警温度。通过单片机可读出这三个值再进行处理。 

　　2．时钟/日历电路

　　时钟/日历电路见图3，由可编程串行时钟/日历芯片 DS1302、晶振、电容等组成。电路的主要功能是向单片机提供时间的信息，包括年、月、日、星期及具体的时、分、秒值等信息。可编程芯片 DS1302内部有寄存器及RAM，通过编程可由单片机完成对 DS1302内部的时钟/日历提供的秒、分、时及年、月、日、星期等信息进行读出，并可根据需要进行修改。DS1302的内部寄存器地址及命令字见表1。　

　　3．键盘电路 

　　键盘电路见图3，由八个按键SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6 SW7、SW8组成。用 P0的 8个I/O口接 8个式按键即可满足需要。按下其中一个按键，则可由单片机准确判断，去执行相应的程序。这八个按键分别完成: 设定时间、设定温度上下限、确认、实时播报时间/温度、加1、减 1、切换屏幕显示电路。 

　　①设置时间：在运行状态任何时间按下 SW1进入时间设置，依次对年、月、日、星期、小时、分钟、秒值进行设置。由表 1可知是对 7个单元进行设置。每个单元的个位、十位分别设置，按 SW5键数值加1，按 SW6键数值减1，按 SW3跳转到下个单元的设置。 

　　②设置报警温度上下限：在运行状态任何时间按下 SW2进入报警温度上下限设。先设报警上限，按 SW5键数值加1，按 SW6键数值减1，按 SW3确认，然后用同样的方法对下限值进行设置。 

　③实时播报时间/温度：在运行状态任何时候按 SW4实现即时播报时间和温度。 

　　④切换屏幕显示：在运行状态任何时间通过按 SW7切换液晶显示温度/时间（日历）。 

　　4.报警电路报警电路见图3，由功放三极管 9012及蜂鸣器 BELL组成。当温度传感器检测到的温度高于温度的上限或低于温度的下限设定值时，由单片机的 P3.4引脚（T0引脚）发出低电平信号，9012三极管导通，使蜂鸣器发出响声，发出声音报警，以提醒人员注意温度超出了范围。 

　　5．语音电路

　　图片看不清楚？请点击这里查看原图（大图）。

　　语音电路见图2，由可编程语音芯片 ISD1420及其外围电路组成 [2]。通过编程由单片机的 P1.0引脚输出信号控制 ISD1420的录音引脚 REC完成语音的录入。完成录音后，引脚 REC焊接到高电平，使录音内容不被破坏。执行系统程序时，由单片机的 P1.1引脚输出信号控制 ISD1420的放音引脚 PLAYE完成语音的取段放音。这样通过单片机控制ISD1420，对其进行录放音操作的控制，从而实现整点语音自动播报时间、温度，手动实时播报时间、温度。另外还可完成年、月、日，报警语音等信息的播报。 

　　6．显示电路

　　显示电路见图3，主要由 RT1602C液晶显示器件 LCD组成。RT1602C液晶显示器件有 16个引脚。其中 1~2号引脚为 GND和 VCC；3号引脚 V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度； 4号引脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；5号引脚 R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作，当 RS和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS为低电平 R/W为高电平时可以读忙信号，当 RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据； 6号引脚 E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；7~14 号引脚D0～D7为8位双向数据线；15~16号引脚为背光源正 /负端。 

　三、系统电路原理图 系统电路原理图见图3。

　　图片看不清楚？请点击这里查看原图（大图）。

　　四、系统软件设计系统程序流程图见图4。

　　程序首先完成系统初始化编程,将时间、日历初值写入到DS1302。在工作过程中通过扫描按键完成时间、日历、及温度上下限值的设置（调整）；完成显示屏上显示内容的变换（显示温度或时间及日历）；完成实时读出当前温度及时间、日历；判断整点自动报时报温；判断温度报警等。

　　五、结束语

　　系统中通过利用温度传感器 DS18B20、语音芯片 ISD1420、时钟 /日历芯片 DS1302，将它们的功能组合一起，将温度计的功能进行了完善。文章中的温度计是经过验证并制作出来了的，它的语音功能还可更丰富，以满足系统的需要。

　　本文作者创新点在于实现了多点测温并用语音进行播报温度，这是现有的一般的温度计所没有的，可以使系统得到更广泛的应用。

　　参考文献：[1] 韩志军，沈晋源，王振源. 单片机应用系统设计-入门向导与设计实例[M] . 北京: 机械工业出版社 , 2005.

　　[2]宋学坤陈迎春 赵进创.一种具有双重输出功能的超声波测距系统[J] .微计算机信息，2007，6-1：168-170。