毕业设计（论文）-ISD4004语音芯片翻录器的研制.doc

常州信息职业技术学院 毕业设计（论文）报告学生毕业设计（毕业论文） 系 别： 计算机科学与技术系 专 业： 计算机应用技术 班 级： 计 应 041 学 生 姓 名： 学 生 学 号： 设计（论文）题目：isd4004语音芯片翻录器设计指 导 教 师： 设 计 地 点： 起 迄 日 期： 2006-3-1 2006-6-30 毕业设计（论文）任务书专业 计算机应用技术 班级 计应041 姓名 一、课题名称： isd4004语音芯片翻录器设计 二、主要技术指标：1、项目包含硬件部分与软件部分2、硬件包括：isd4004读写模块、录放模块、输入模块、功放模块、电源模块。3、毕业论文符合规范 三、工作内容和要求：1、系统分析、功能模块设计 要求： 1) 描述系统应具备的功能； 2）画出系统功能分析图 3）描述每一模块的功能 2、单片机硬件电路设计 要求：1）根据系统功能分析的结果画出硬件电路模型图（草图） 2) 根据硬件电路模型图画出原理图并布出pcb板，用制板机制出电路板 3）在所制的电路上，焊接所需的元器件 （同时在万能板上焊上所需的元器件，用于调试电路时用,这样可以减少设计成本）。 3、各功能程序设计 要求： 1）跟据用户所需的功能，编写程序（在keil uvision2编译环境下），主要以c语言为主，嵌入部分汇编语言。 2）思路清晰、各功能模块标明注释 4、系统功能调试 要求：1）画出实现每一功能的用例图 2）设计实现这些功能用到的视图、宏或程序代码 5、编著设计论文 要求：1）论文中应含各项工作内容 2）论文的最后一部分应含设计总结 3）满足要求的字数、严禁抄袭 四、主要参考文献：1、protel 99se电路设计技术入门与应用电子工业出版社 2、模拟电子技术西安电子科技大学出版社3、单片机高级语言c51windows环境编程与应用电子工业出版社 学 生（签名） 年 月 日 指 导 教师（签名） 年 月 日 教研室主任（签名） 年 月 日 系 主 任（签名） 年 月 日毕业设计（论文）开题报告设计（论文题目）isd4004语音芯片翻录器设计一、选题的背景和意义：isd系列语音芯片是美国isd公司推出的产品。该系列语音芯片采用多电平直接接模拟存储（chip corder）专利技术，声音不需要a/d转换和压缩，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，没有a/d转换误差，因此能够真实、自然地再现语音、音乐及效果声。避免了一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声。isd4004语音芯片采用cmos技术，内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等，因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。芯片设计是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口（spi或microwire）送入。采样频率可为4.0hz、5.3hz、6.4hz、8.0khz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。片内信息存于内烁存储器中，可在断电情况下保存100年（典型值）反复录音10万次。器件工作电压3v，工作电流2530ma，维持电流1a?单片录放语音时间816min，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。二、课题研究的主要内容：1）isd语音芯片的读写系统2）音频输出功放模块，稳压模块。3）系统设计一种由单片机控制，能够循环录放的语音电路，可作为录音机，复读机、音频记录仪使用，既节省存储空间，又降低成本，具有较高的实用价值。4）isd4004工作于spi串行接口，spi协议和接口指令三、主要研究（设计）方法论述：系统基于通信技术，选用c 语言程序开发平台； 成功地将isd4004语音芯片与单片机、录放电路、功放电路和稳压电路结合，实现语音循环录放。目前，市场上的固体录音机及各种录音笔，大多采用的是顺序录音，不具备循环录音功能，一旦存储器录满，必须重新操作才行。本文设计一种能够循环录放的语音电路，即可解决上述问题。用户可以随意的录放想要保存的内容，具有自动静噪功能，片内有免调整时钟，可选用外部时钟。四、设计（论文）进度安排：时 间工 作 内 容2006-3-12006-3-14准备立项，做好项目的准备及计划。2006-3-152006-4-1搜集相关技术资料，准备设计产品结构框架。2006-4-22006-4-7团队开会，听取指导教师意见，结构框架定型。2006-4-82006-4-15构建系统结构，确定单片机与芯片的通信协议2006-4-162006-4-22绘制电路原理图2006-4-232006-4-30制作音频输出的相关功能模块。2006-5-82006-5-16制作稳压电源的相关功能模块。2006-5-172006-5-25制作pcb板2006-5-262006-6-2制作语音录放电路的相关功能模块。2006-6-32006-6-12整合系统。功能扩充。2006-6-132006-6-20整体系统定型，并对错误做出处理。2006-6-212006-6-30对系统运行试用，并对相应问题作改进。五、指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日六、系部意见： 系主任签名： 年 月 日 目 录摘要关键词前言一、 isd4004 系列语音录放集成电路应用说明 .61、简述 .62、引脚描述 . 83、spi(串行外部接口) .104、时序 .135、典型应用电路.156、电气参数 . 18二、低电压音频功放电路 . 22三、电路设计原理图 . 28四、电路设计pcb板 . 30五、源程序代码设计 . 31六、总结 . 42七、谢辞 . 42八、参考文献 . 42isd4004语音芯片翻录器的研制摘要针对isd语音芯片的特点，设计一种由单片机控制，能够循环录放的语音电路，可作为录音机，复读机、音频记录仪使用，既节省存储空间，又降低成本，具有较高的实用价值。关键词：isd4004 语音 循环录放。summaryaim at the characteristics of the isd speech chip, design a kind of from single slice machine control, can circulate to record to put of speech electric circuit be a tape recorder, replying to read machine,the audio frequency record instrument usage, since economical saving space, and then decline low cost, have higher practical value.keyword:the isd4004 speeches record to put circularly.前言isd系列语音芯片是美国isd公司推出的产品。该系列语音芯片采用多电平直接接模拟存储（chip corder）专利技术，声音不需要a/d转换和压缩，每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中，没有a/d转换误差，因此能够真实、自然地再现语音、音乐及效果声。避免了一般固体录音电路量化和压缩造成的量化噪声和金属声。isd4004语音芯片采用cmos技术，内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等，因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。芯片设计是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口（spi或microwire）送入。采样频率可为4.0hz、5.3hz、6.4hz、8.0khz，频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。片内信息存于内烁存储器中，可在断电情况下保存100年（典型值）反复录音10万次。器件工作电压3v，工作电流2530ma，维持电流1a?单片录放语音时间816min，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。目前，市场上的固体录音机及各种录音笔，大多采用的是顺序录音，不具备循环录音功能，一旦存储器录满，必须重新操作才行。本文设计一种能够循环录放的语音电路，即可解、上述问题。一、isd4004 系列语音录放集成电路应用说明1、简述u 单片8至16分钟语音录放、8、10、12及16分钟u 3v单电源工作u 工作电流2530ma，维持电流1uau 高质量、自然的语音还原技术u 自动静噪功能u 无需开发系统u 内置微控制器串行通信接口u 多段信息处理u 不耗电保存信息100年（典型值）u 100000次录音周期（典型值）u 片内免调整时钟，可选用外部时钟isd4004系列型号与性能对照表-型号录放时间输入采样典型带宽最大段数最小段长外部时钟isd4004-08m8分钟8.0khz3.4khz2400200ms1024khzisd4004-10m10分钟6.4khz2.7khz2400250ms819.2khzisd4004-12m12分钟5.3khz2.3khz2400300ms682.7khzisd4004-16m16分钟4.0khz1.7khz2400400ms512khzte63480 系列内部框图(与isd4003雷同)figure: isd4003 series black diagramisd4004系列tsop及pdip、soic引脚如下：（和isd4003系列相同）figure 1： isd4004 series tsop and pdip/soic pin outsisd4004系列工作电压3v，单片录放语音时间8至16分钟，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。芯片采用cmos技术，内含振荡器、防混清滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频放大器及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口（spi或micro wire）送入。芯片采用多电平直接模拟量存贮技术，每个采样值直接存贮在片内的闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音，音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路固置化和压缩造成的量化噪声和多属声。采样频率可为4.0,5.3,6.4,8.0khz,频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年（典型值）反复录音10万次。2、引脚描述电源（vcca，vccd）为使噪声最小，芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线，并分别引到外封装的不同引脚上，模拟和数字电源端最好分别走线，尽可能靠近供电源处相连，而去耦电容应尽量靠近器件。地线（vssa，vssd）芯片内的模拟和数字电路也使用不同的地线。几个vssa尽量在引脚焊盘上相连，并用低阻通路连到电源上，vssd也用低阻通路连到电源上。这些接地通路要足以使vssa与vssd之间的阻值小于3。芯片的背面是通过衬底电阻连接到vss的，在做cob时托盘须接vss或悬空。同相模拟输入（anain+）这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时，信号由耦合电容输入，最大幅度为峰峰值32mv，耦合电容和本端的3k电阻输入阻挠决定了芯片频率的低端截止频率。在差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值16mv。这两种戏动方式见下图反相模拟输入（anain-）差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入，最大幅度为峰峰值16mv，本端的标称输入阻挠为56k，单端驱动时，本端通过电容接地。两种方式下，anain+和anain-端的耦合电容值应相同。音频输出（audout）提供音频输出，可驱动5k的负载。片选（ss）此端为低，即选中isd4003b系列串行输入（mosi）此为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供ter输入串行输出（miso）ter串行输出端，ter末选中时，本端呈高阻态。串行时钟（selk）ter的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步mosi和miso的数据传输。数据在sclk上升沿锁存到ter，在下降沿移出ter。忠断（ini）本端为漏极开路输出，ter在任何操作（包括快进）中检测到eom或ovf时，本端变低并保持。中断状态在下一个spi周期开始清除，中断状态也可用ritn指令读取。ovf标志指示ter录放操作已到达存贮器的末尾。eom标志只在放音过程中检测到内部的eom标志时，此状态位置1。行地址时钟（rac）漏极开始输出。每个rac周期表示ter存贮器的操作进行了一行（te63480系列中的存贮器其2400行）。8khz采样频率的器件，rac周期为200ms，其中175ms保持高电平。低电平为25ms。快进模式下，rac218.75us 高电平，31.25us为低电平，该端可用于存贮管理技术外部时钟（xclk）本端有内部下拉元件，芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+1%内，商业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在+2.25%内.工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化为-6%+4%，此时建议使用稳压电源.若要求更高精度，可从本端输入外部时钟(如前表中所列).由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定，故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钏的占空比无关紧要，因内部首先进行了分频，在不外接时钟时，此端必须接地。自动静噪（amacp）当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时，1mf电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检测出的峰值电平为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，1uf电容也影响自动静噪电路时信号幅度的响应速度，本端接vcca则禁止自动静噪。3、spi(串行外部接口) te63480工作于spi串行接口.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te63480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。协议具体内容如下：1、 所有串行数据传输开始于ss下降沿。2、 ss在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间保持为高电平。3、 数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。4、 ss变低，输入指令和地址后，ter行能开始录放操作。5、 指令格式是8位控制码加16位控制码。6、 ter的任何操作（含快进）如果遇到wom或ovf，则产生一个中断，该中断状态在一下个spi周期开始时被清除。7、 使用“读”指令会使中断状态位移出ter的miso引脚时，控制及地址数据也同步从mosi端移入。因此，要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容，当然，也允许在spi周期里，同进执行读状态和开始新的操作（即新移入的数据与器件当前操作可以不兼容）8、 所有操作在运行位（run）置1时开始，置0时结束。9、 所有指令都在ss端上升沿开始执行。（1） 信息快近用户不必知道的确切地址，就能快进跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍，遇到eom后停止，然后内部地址计数器加1，接向下条信息开始处。上电顺序器件延时tpud（8khz）采样时，约为25毫秒）后才能开始操作。因此，用户发完上电指令后，必须等待taud，才能发出一条操作指令。例如：从00处放音，应遵循如下时序：1、发power up命令；2、等待tpud（上电延时）；3、发地址值为00的setplay命令；4、发play命令。器件会从00地址开始放音，当出现eom时，立即中断，停止放音。如果从00处录音，则按以下时序；1、发power up命令；2、等待tpud（上电延时）；3、发power up命令；4、等待2倍tpud；5、发地址值为00的setrec命令；6、发rec命令。器件便从00地址开始录音，一直到出现ovf（存贮器末尾）时，录音停止。指令表指令8位控制码，16位地址码操作摘要powerup00100xxx（xxxxxxxxxxxxxxxx）上电：等待tpud后器件可以工作set play11100xxx（a15a0）从指令地址开始放音，须后跟play指令，使放音继续play 11110xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）从当前地址开始放音（直至eom或ovf）set rec10110xxx（a15a0）从指定地址开始录音，须后跟rec指令，使录音继续rec110110（xxxxxxxxxxxxxxx）从当前地址开始录音（直至ovf或停止）set mc11101xxx（a15a0）从指定地址开始快进，须后跟mc指令，使快进继续mc11111xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）执行快进，直到eom，若再无信息，则进入ovf状态stop0x110xxx（xxxxxxxxxxxxxxx）停止当前操作stop pwrdn0x01xxxx（xxxxxxxxxxxxxxx）停止当前的操作并掉电rint0x110xxx（xxxxxxxxxxxxxxxx）读状态；ovf和eom注：1、快进只能在放音操作开始选择（3）spi端口的控制位（4）spi控制寄存器spi控制寄存器控制器件的每处功能，如录放、录音、信息检索（快进）、上电/掉电、开始、停止操作、忽略地址指针等。详见下表位值功能位值功能run=10允许/禁止操作开始停止pu=10电源控制上电掉电p/-r=10录/放方式放音录音iab=10操作是否使用指令地址忽略输入地址寄存器的内容使用输入地址寄存器的内容mc=10快进模式允许快进禁止快进p15p0行指针寄存器a0a15输入地址寄存器注：iab置0时，录、放操作从a15a0地址开始。为了能连贯地录、放到后续的存储空间，在操作到达该行之前，应发出第二个spi指令将iab置1；原则器件在同一地址上反复循环。这个特点对语音提示功能很有用，rac脚和iab位可用于信息管理。4、时序spi时序参数如isd4003系列，时序图也相同symbolcharacteristicsminmaxunitsconditionstsssss setup time500nsectsshss hold time500nsectdisdata in setup time200nsectdihdata in hold time200nsectpdoutput delay500nsectdf(2)output delay to his500nsectssminss high1usectsckhisilk high time400nsectscklowsclk low time400nsecfoclk frequency1000khz8位及24位命令格式如下：figure 6：8-bit command formatfigure 7：24-bit command format录音、放音、停止时序如下：figure 8：playback/record and stop cycle5、典型应用电路（与isd4003系列相同）这里共给出四种应用电路图figure 10：application example using sp（1）1. this application example is for illustration purposes only. ter makes no representation or warranty that such application will be suitable for production. 2. please make sure the bypass capacitor, c2 is as close as possible to the package.figure 11: application example using microware(1)1. this application example is for illustration purposes only. ter makes no representation or warranty that such application will be suitable for production.2. please make sure the bypass capacitor. c2 is as close as possible to the package.figure 12: application example using spi port on micro controller(1)1. this application example is for illustration purposes only. ter makes no representation or warranty that such application will by suitable for production.2. please make sure the bypass capacitor, c2 is as close as possible to the package. figure 13: application example using spi with a chip scale packaged device1. this application example is for illustration purposes only. ter makes no representation or warranty that such application will be suitable for production. 2. please make sure all bypass capacitors are as close as possible to the package.3. ground plane must be used to connect all vssa pins together, .it a ground plane is not available then a short and low impedance path is necessary.4. route ana in+ and ana in- away from vccd and vssd return paths.5. blazing for elect ret microphone must come from vccd and vssa .6、电气参数1、极限参数与工作参数conditionvalueconditionvaluejunction temperature150vcc-vss-0.3v to+7.0vstorage temperature range -65 to +150commercial operating temperature range(1)0 to 70voltage applied to any pin(vss-0.3v) to (vcc+0.3v)extended operating temperature(1)-20 to +70voltage applied to any pin(input current limited to +20ma)(vss-1.0v) to (vcc+1.0v)industrial operating temperature(1)-40 to 85voltage applied to mosl,sclk, and ss pins(input current limited to +20ma(vss-1.0v) to (vcc+1.0v)supply voltage (vcc) (2)+2.7v to +3.3vlead temperature (soldering 10 seconds)300ground voltage(vss) (3)0v1. case temperature.2. vcc-vcca-vccd.3. vss=vssa=vssd.1. stresses above those listed may cause permanent damage to the device. exposure to the absolute maximum ratings may affect device reliability. functional operation is not implied at these 2. 直流参数symbolparameters min(2)typ(1)max(2)unitsconditionsvilinput low voltagevcc*0.2vvihinput high voltagevcc*0.8vvolcutput low voltage0.4vicl=10uavol1rac, int output low voltage0.4vich=-10uavchoutput high voltagevcc-0.4vicl=-1malccvcc current(operating)-playback-record15253040mamarext=(3)rext=(3)lssvcc current (standby)110ua(3)(4)lllinput lockage current+1ualhzmiso tristate current110uarextoutput load impedance53.8krana in+ana in+ input resistance2.23.071krana in-ana in-input resistance4056kaarpana in+or ana in- and out gain25db(5)1. typical values: ta=25 and 3.0v.2. all min/max limits are guaranteed by ter via electrical testing or characterization. not all specifications are 100 percent fasted.3. .vcca and vccd connected together.4. vcca and vccd. xclk=mosi=vssa=vssd and all other pins floating5. measured with auto mute feature disabled.3. 交流参数symbol characteristicmin(2)typ(1)max(2)unitsconditionsfssampling isd4003-04mfrequency isd4003-05m isd4003-06m isd4003-08m8.06.45.34.0khzkhzkhzkhz(5)(5)(5)(5)fcffilter pass band isd4003-04misd4003-05m isd4003-06m isd4003-08m4.42.72.31.7khzkhzkhzkhz3-db roll-off point(3)(7)3-db roll-off point(3)(7)3-db roll-off point(3)(7)3-db roll-off point(3)(7)trecrecord duration isd4003-04m isd4003-05m isd4003-06m isd4003-08m4568minminminmin(6)(6)(6)(6)symbol characteristicmin(2)typ(1)max(2)unitsconditionstplayplayback duration isd4003-04m isd4003-05m isd4003-06m isd4003b-08m 4568minminminmin(6)(6)(6)(6)tpudpower-up delay isd4003b-04m isd4003b-05m isd4003b-06m isd4003b-08m2531.2537.550msecmsecmsecmsectstcp or tpausestop or pause in isd4003b-04mrecord or play isd4003b-05m isd4003b-06m isd4003b-08m5062.575100msecmsecmsecmsectracrac clock period isd4003b-04m isd4003b-05m isd4003b-06m isd4003b-08m200250300400msecmsecmsecmsec(10)(10)(10)(10)traclorac clock low isd4003b-04mtime isd4003b-05m isd4003b-06m isd4003b-08m2531.2537.550msecmsecmsecmsectracmrac clock period isd4003b-04min massage isd4003b-05mcueing made isd4003b-06m isd4003b-08m125156.3187.5250usecusecusecusectracmlarc clock low isd4003b-04mtime in massage isd4003b-05mcueing mode isd4003b-06m isd4003b-08m15.6319.5323.4431.25usecusecusecusecthdtotal harmonic distortion1%1khzvinana in input voltagemvpeck-to-peak(4)(8)(9)1. typical values: ta=25 and 3.0v2. all min/max limits are guaranteed by ter via electrical testing at characterization. not all specifications are 100 percent tested.3. low-frequency cut off depends upon the value of external capacitors (see pin descriptions)4. single-ended input made, in the differential input mode, vin maximum for ana in +and ana in- is 16 mvp-p.5. sampling frequency can vary as much as +0.25 percent over the commercial temperature, and voltage tangs, and 6/+4 percent over the extended temperature, industrial temperature and voltage ranges, for greater stability. an external clock can be untilled (see pin descriptions)二、低电压音频功放电路概述 ls386音频功率放大器主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但是在1脚和8脚之间增加一只外接的电阻和电容，便可将电压增益调整为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。在6v电源电压下，它的静态功耗尽为24mw，使得ls386特别适合于电池供电的场合。 ls386的封装形式为8引脚双列塑封直三、电路设计原理图 下面对该电路做具体分析（1） 电源电路具有正、负电压输出的稳压电源由图可知，电源变压器天带有中心抽头并接地，输出端得到大小相等、极性相反的电压。为了得到可调输出电压值，所以加入了三端可调集成稳压器，为了使电路正常工作，一般输出电流不小于5ma。输入电压范围在240v之间，输出电压可在1.2