（通信与信息系统专业论文）嵌入式系统的usb接口研究及语音应答系统上的实现.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 嵌入式系统的u s b 接口研究 及语音应答系统上的实现 摘要 随着科技的进步，人们对自动化的需求日益增加。机器取代人力资源是一种 不可避免的趋势。自动语音应答设备的应用越来越普遍。u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 是一种新型的通用串行总线，它具有即插即用、可热插拔和传输速率快等特 点，使得支持u s b 技术的产品和设备越来越多，在工业界已经获得了广泛的支持 和应用。所以，把嵌入式系统u s b 接口作为一个功能模块，并把它应用在语音应 答系统中，是很有应用价值的。 本文应用w i n b o n d 公司的i s d 系列语音芯片实现系统的语音应答功能。 i s d 4 0 0 4 因为采用了独特的模拟数据直接存储技术，使其声音存贮效果较以前产 品有大幅提高，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 放效果最好的语音电路之一。 本文所提出的自动语音应答系统与p c 机的连接采用u s b 接口。u s b 系统有三 个基本组件：主控制器驱动程序( h c d ) ，u s b 驱动程序( u s b d ) 和主机软件。在 u s b 驱动程序和u s b 驱动程序栈之间是u s b 驱动程序接口( u s b d i ) 。u s b 驱动程 序编写是和硬件相关联的，u s b 的客户程序实际上是对客户端设备映像的操作。 p d i u s b d l 2 是p h i l i p s 公司生产的符合u s b l 1 协议的u s b 接口芯片，可与任何外 部微控制器微处理器实现高速并行接口。本系统利用d 1 2 ，实现嵌入式系统的 u s b 接口部分。 本文主要是对嵌入式系统的u s b 接口的设计与实现进行了阐述，并介绍了 它在语音应答系统上的实现。首先提出了课题研究的原因和理论依据，并提出了 本系统最终的功能；其次主要介绍了语音应答功能的设计与实现；接着结合实践 对基于u s b 协议的数据终端和接口设备的设计和实现作了详细阐述；最后是结 束语，对系统进行展望并对整个系统作一个总结。 关键词：通用串行总线语音应答微控制器固件 东北大学顽士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho fu s bi n t e r f a c eo fe m b e d e d s y s t e m a n dr e a l i z a t i o no nv o i c e r e s p o n s es y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y ，t h en e e d sf o ra u t o m a t i z a t i o ni n c r e a s e i ti s t h ei n e l u c t a b l ed i r e c t i o nt h a tt h em a c h i n e sr e p l a c et h em a n p o w e r t h ea p p l i c a t i o no f t h ea u t o m a t i cv o i c er e s p o n s ei sm o r ea n dm o r ep o p u l a r u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) i san e w p a u e m b u st h a th a st h ef e a t u r e s ，s u c ha sp l u ga n d p l a y ，h i s p e e da n dh o tp l u g s ot h e r ea r em o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n sa n dp r o d u c t s t h a ts u p p o r tu s b a b o v ea l l ，i t i si m p o r t a n tt or e s e a r c hu s bi n t e r f a c ea sam o d u l ea n dr e a l i z eo nt h ev o i c er e s p o n s e s y s t e m t h e p r o j e c tr e a l i z e st h ev o i c er e s p o n s ef u n c t i o nm o d u l eu s i n gi s d 4 0 0 4m a d eb y w i n b o n di n c i s d 4 0 0 4h a st h eu n i q u ed a t as t o r a g et e c h n o l o g yt h a tv o i c ea n da u d i o s i g n a l sa r es t o r e dd i r e c t l yi n t om e m o r y i nt h e i rn a t u r a lf o r m ，p r o v i d i n gh i g h - q u a l i t y s o l i d - s t a t ev o i c e r e p r o d u c t i o n t h i ss y s t e mc o n n e c t sw i t ht h ep c b y t h eu s bi n t e r f a c e t h e r ea r et h r e ep a r t s ： h o s tc o n t r o ld r i v e r ( h c d ) ，u s bd r i v e r ( u s b d ) a n dh o s tp r o g r a m u s b di n t e r f a c e r u s b d i ) i sb e t w e e nu s b d a n du s b ds t a c k p d i u s b d l 2m a d eb yp h i l i p si n e c o m p l i e sw i t l lu s bs p e c i f i c a t i o nr e v 1 1 ，w h i c hh a sh i 曲- s p p e dp a r a l l e li n t e r f a c e t o a n y e x t e r n a lm i c r o c o n t r o l l e ro rm i c r o p r o c e s s o r t h i s p r o j e c t r e a l i z e st h eu s b i n t e r f a c em o d u l eo f t h es y s t e mu s i n gd 1 2 t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h eu s bi n t e r f a c em o d u l eo f t h ee m b e d e ds y s t e m ，a n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h ev o i c er e s p o n s es y s t e m f i r s t l y ，i t d e s c r i b e st h er e a s o n sf o rt h er e s e a r c ho f t h ep r o j e c t ，a n dt h ef u n c t i o n st h a tp r o j e c tw i l l a c h i e v e t h e ni td e t a i l e d l ya n a l y z e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ev o i c er e s p o n s e f u n c t i o nm o d u l e t h i r d l y ，t h eu s bp r o t o c o la b o u tt h i sp r o j e c ta n dt h et e c h n i q u eb y w h i c ht h en o n u s bd e v i c e sc h a n g ei n t ou s bd e v i c e sa r ei n t r o d u c e dd e t a i l e d l y l a s t l y ，i tp o i n t so u t t h em e a n i n go f t h ep r o j e c ta n dt h ep r o b l e m st ob es o l v e di nf u t u r e r e s e a r c hw o r k s k e y w o r d s ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，v o i c er e s p o n s e ，m i c r oc o n t r o lu n i t ，f i r m w a r e j 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 知镊，竭6 司 东北大学硕士学位论文 第一章堵论 1 1 研究背景 第一章绪论 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是种新型的通用串行总线，它具有即插即用、 可热插拔和传输速率快等特点，使得支持u s b 技术的产品和设备越来越多，在工 业界已经获得了广泛的支持和应用。目前一般的p c 机、笔记本电脑等都为用户 提供了u s b 接口，并且w i n d o w s 和l i n u x 等流行操作系统都支持u s b 协议。随着 国内外嵌入式产品开发和应用的深入，要求许多设备能作为u s b 主机支持u s b 协 议，比如掌上电脑、p d a 、机项盒( s e tt o p ) 等要求本身能作为一个u s b 主机支持 各种u s b 接口的外设，提供便捷和可靠的服务。这样u s b 的协议栈和总线驱动的 开发就变得必不可少，特别是嵌入式设备的实时、小巧等特性使得它的设计显得 尤为重要，因为它的好坏会直接对u s b 主机产生影响，从而会对嵌入式系统性能 和稳定产生较大影响。 随着科技的进步，人们对自动化的需求日益增加。机器取代人力资源是一种 不可避免的趋势。所以，自动语音应答设备的应用越来越普遍。而现在的自动语 音应答设备多数是把语音资料固化在芯片内，并且界面完全是的硬件操作接口， 更新主要依靠人力反复的输入，不能大批量更新语音，很不方便。而且，国际交 流的频繁与广泛也需要有一种能及时更新的解说工具。 所以，本文提出研究一个通用的u s b 接口模块，并且把它应用在语音应答系 统上。此自动语音应答系统的控制部分是硬件和p c 机软件相结合：硬件部分完成 正常的应答功能，p c 机软件部分在可以控制正常的语音应答功能基础上，更重要 的是完成内部语音资料的更新。自动语音应答系统与p c 机的连接采用u s b 接口， u s b 接口器件具有即插即用、传输速率快的特点。需要进行语音资料更新时，即 时把语音应答系统通过u s b 接口和p c 机相连，用上层界面友好的应用接口软件把 资料更新。通过本系统的设计，可使现在的语音应答系统应用更加方便。 1 2 研究意义 将通用的外设总线u s b 用到实际应用中，自然是合理的明智选择。这样可打 破自行发展的传统模式。只有全面同计算机“融合”才是实际应用的发展潮流。 而且，本文对于u s b 协议栈和总线驱动的开发，可以作为一个模块，应用到其他 j b u s b 器件中，把4 # u s b 器件变成u s b 器件，开发u s b 设备。通过对u s b 模块的开发， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 彻底改变了传统的u s b 开发，使非u s b 器件r 句u s b 器件转化非常简单易行，是个和 实际应用紧密相关的研究开发。 本文提出的u s b 模块在语音应答系统上实现。本系统作为自动语音报站器适 用于公共汽车。如果在此基础上扩充其他功能模块和控制软件，可快速的转化为 其他语音产品。比如：适用于各种展览会场、旅游场所的移动电子解说器；适用 于教学的英语语音示教仪等。所以，本系统可以说是语音应答应用的一个基本模 块。 本文首先介绍了非u s b 接口的语音应答系统的设计和实现。在此基础上，通 过研究u s b 协议的理论知识，得到了如何把非u s b 器件快速的转化为u s b 器件的方 法，不仅对于自动语音应答设备，而且对于其他的实际应用也有重要的意义。 1 3 论文结构 本文主要是对嵌入式系统的u s b 接口的设计与实现进行了阐述，并介绍了 它在语音应答系统上的实现。 论文共分六章：第一章主要提供了课题研究的原因和理论依据，并提出了本 系统最终的功能；第二章主要介绍了非u s b 接口的语音应答功能的设计与实现， 并且简单的介绍了作为m c u 的m o t o r o l ag p 3 2 ；第三章，第四章结合实践对基于 u s b 协议的数据终端和接i z l 设备的设计和实现作了详细阐述，并介绍了如何在语 音应答系统上实现。第五章是结束语，对系统进行展望，并对整个系统作一个总 结。 2 东北犬擎硕士学住论文 第二章语音应答功能的设计与实现 第二章语音应答功能的设计与实现 2 1 系统设计概述 本系统由i s d 4 0 0 4 语音电路，录音控制电路，m c u ，u s b 接口三部分组成。 ( 1 ) 语音电路采用i s d 4 0 0 4 芯片，可以录音1 6 分钟，外接l m 3 8 6 音频放大电 路。 ( 2 ) 控制电路主要是在扩充录音i c ，以延长录制时间时进行控制片选，及对 录音状态进行一些处理。 ( 3 ) m c u 采用m o t o r o l ag p 3 2 。 ( 4 ) u s b 接口控制部分采用p h i l i p s 的p d i u s b d l 2 u s b 驱动芯片，负责把下层 电路连接到p c 机上，由p c 机的上层电路对i s d 4 0 0 4 的语音电路进行控制。 系统框图如图2 1 。完成了的系统整体设备如图2 2 。 p c - 瓣i s d 4 0 0 氅4h 。愿l 勰”3 8 6 。恒 f 删 r 1 啪 l 录音控制电路 - jm i c r e c o r dc o n t r o li c i 图2 1 系统总体框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo f s y s t e m 2 2m o t o r o l am c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 2 2 1g p 3 2 特点 ( 1 ) 具有加密功能的3 2 k 字节的r o m f l a s h 存储器；5 1 2 字节r a m ； ( 2 ) 8 路8 位a d 转换控制器； ( 3 ) 8 路键盘输入中断； ( 4 ) p t a ，p t c 和p t d 作为输入时可选内部上拉电阻，具有1 0 m a 吸流和放流 东北大学硕士学位论文第二章语音应答功能的设计与实现 能力； ( 5 ) 总线时钟速率高达8 m h z ，最小指令周期为1 2 5 n s ： ( 6 ) 系统保护特性：多种保护复位如：c o p 复位、低电压复位( 可选3 v 或5 v ) 、 非法指令和非法地址复位； ( 7 ) 时基模块t b m 可选8 个周期中断； 图2 2 系统设备图 f i g 2 2f a e i l i t yp r i n to f t h es y a e m 2 2 2g p 3 2 存储图及管脚图 h c 0 8 的产品有多种封装形式，对于g p 3 2 有d i p 一4 0 ，s d i p 一4 2 ，q f p _ 4 4 三种。 不同封装形式的产品，它们的p t c 口和p t d 口的位数略有些不同，其引脚分配如 图2 3 所示。 h c 0 8 的存储空间为6 4 k 字节。h c 0 8 将程序存储器( f l a s h 或r o m 存储器) 、 数据存储器( r a m ) 、i o 等功能模块中数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器、 统一在6 4 k 字节空间内编址。使c p u 对i 0 寄存器的操作( 输入或输出) 和对存储 器单元的操作一样的快速方便。对于g p 3 2 ，其存储器映像图如图2 4 所示。 2 2 3s p i 的工作原理 2 。2 3 1s p i 的基本工作原理 m b 8 h c 0 8 系列单片机中有一个串行外设接口模块( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c em o d u l e ) ，它也是单片机与外界联系的重要方式之一，它是同步串行 外设接口。利用s p i 可以实现单片机之间的数据传输，且其速度比通过串行异步 通信( s c i ) 方式速度快。利用s p i 也可以实现单片机与具有s p i 接口的芯片进行 东北大学硕士学位论文 第二章语音应答功瞧的设计与实现 直接接口，这些芯片有存储器、m d 转换器、d a 转换器、l e d 和l c d 驱动器、实 时时钟、并行i o 等，也就是说，利用m c u 的s p i 可以进行m c u 的外设扩展。 m c 6 8 h c 0 8 p 3 2 p t a t k b d 7 p t a 6 k b d 6 p t a 5 k b d 5 m t 4 ( b d 4 p t a 3 k b d 3 p t a 2 k 叻2 p t a i k b d l p t o k b d 0 v s s d v r e p l ( a d c ) v m a n v r e f h ( a d c ) p t b 7 a d 7 p 1 、b 6 a d 6 p t b s a d 5 p t b 4 a d 4 p t b 3 a d 3 p t b 2 l 啦q p t b l a d i p t b o a d o p t d s t 1 c h l p t d 4 t i 删0 圈2 3d i p 4 0g p 3 2 引脚图 f i g 2 34 0 p i np d i pp i na s s i g n m e n t s 利用s p i 进行m c u 之间的数据传输时，有个主机( m a s t e r ) 和从机( s l a v e ) 的 概念，主机的程序控制着数据传输，从机的程序必须配合主机工作，完成传输过 程。在m c u 扩展外设结构中，仍使用主机从机( m a s t e r - s l a v e ) 概念，那么m c u 必须工作于主机方式，外设处于从机方式。 图2 5 是s p i 的主一从连接示意图，与数据传输的有三个引出脚，它们是 时钟引脚s p s c k 、主入从出引脚m i s o 和主出从入m o s i ，而引脚s s 接高电平表 示其为主机，接低电平表示其为从机。下面一节将对它们作详细的说明，这里仅 说明其数据传输过程：图中的移位寄存器为8 位，所以每工作过程相互传送8 位数据，工作从主机c p u 发出启动传输信号开始，此时要传送的数据装入8 位移 位寄存器，同时产生8 个时钟信号从s p s c k 引脚依次送出，在s p s c k 信号的控制 下，主机中8 位移位寄存器中的数据依次从m o s i 引脚送出，到从机的m o s i 引脚 送入它的8 位移位寄存器，从机的数据也通过m i s o 引脚到主机中。所以，称之 为全双工主一从连接( f u l l 一d u p l e xm a s t e r - s l a v ec o n n e c t i o n s ) 。 耋|嘲脚哪眦眦m嗽悯啪咖啪岘懈b h一一一耋|嘲脚哪眦眦m嗽一一一一一b：莹 东北大学硕士学位论文第= 幸语音应譬磅髓的设计与实现 i o 寄存器 i or e g i s t e r r a m 数据存储器 r a m 保留区( 无物理单元) u e i m p l e m e n t e d f l a s h 存储器( 3 2 2 5 6 字节) f l a s hm e m o r y ( 3 2 2 5 6b y t e s ) 控制状态寄存器( 】4 字节) c o n t r o ls t a t u sr e g l s t e r ( 1 4b y t e s ) 保留区( 无物理单元) u n i m p l e m e n t e d 监控r o m ( 3 0 7 单元) m o n i t o rr o m ( 3 0 7b y t e s ) 保留区( 无物理单元) u n i m p l e m o n t e d f l a s h 块保护寄存器 f l a s hb l o c kp r o t e c t e dr e g i s t e r 保留区( 无物理单元) u n i m p l e m e n t e d 复位和中断向量区 f i a s hv e c t o r s 图2 4g p 3 2 存储映像图 f i g 2 4m e m o r ym a po fg p 3 2 图2 5 是一个主m c u 和一个从m c u 的连接，也可以一个主m c u 与多个从m c u 进行连接形成一个主机多个从机的系统，还可以多个m c u 互联构成多主机系统， 另外也可以一个m c u 挂接多个从属外设。但是，s p i 最常见的应用是利用一个m c u 作为主机，其他处于从机地位，这样主机的程序启动并控制数据的传送和流向， 在主机的控制下，从属设备扶主机读取数据或向主机发送数据。 6 ) 0 0 0 0 姗 眦 舢 舢 “ $ $ $ $ d o 3 e f c 申 肿 墓| 眦 嗍 m 肿 脚 一 跚 跚 跚 一 卿 东北是学硕士学位论文 第二章语音应答功能的设计与实现 主m c u 从m c u m i s o m i s o 厂 - 移位寄存器 n s tm o s i 暨 s p s c ks p s c k 波特率产生器 蠊乇犟 图2 5s p i 全双工主从连接图 f i g 2 5f u l l d u p l e xm a s t e r s l a v ec o n n e c t i o n s 3 2 3 2s 引的结构 在m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 单片机中，d 口的p t d o p t d 3 四个引脚与s p i 模块相同， 作为s p i 的引脚时，它们的名称分别为s s 、m i s o 、m o s i 、s p s c k ，下面分别介绍 它们的含义。 ( 1 ) 从机选择引脚s s ( s l a v es e l e c t ) 若一个m c u 的s p i 工作于主机方式，置s s 为高电平。若一个m c u 的s p i 工 作于从机方式时，当s s = 0 时，表示主机选中了该从机，反之则未选中该从机。 对于单主单从( o n em a s t e ra n do n es l a v e ) 系统，可以采用图2 6 的接法。对于 一个主m c u 带多个从属m c u 的系统，主机m c u 的s s 接高电平，每一个从机m c u 的s s 接主机的i o 输出线，由主机控制其电平高低，以便主机选中该从机。 ( 2 ) 从入引脚m o s i ( m a s t e ro u t s l a v ei n ) 主出从入引脚m o s i ，是主机输出、从机输入数据线。对于m c u 被设置为主机 方式，主机送向从机的数据从该引脚输出。对于m c u 被设置为从机方式，来自主 机的数据从该引脚输入。 ( 3 ) 从出引脚m i s o ( m a s t e ri n s l a v eo u t ) 主入从出引脚m i s o ，是主机输入、从机输出数据线。对于m c u 被设置为主 机方式，来自从机的数据从该引脚输入主机，对于m c u 被设置为从机方式，送向 主机的数据从该引脚输出。 ( 4 ) 行时钟引脚s p s c k ( s p is e r i a lc l o c k ) s p i 串行时钟s p s c k 用于控制主机与从机之间的数据传输。串行时钟信号由 东北大学硕士学位论文 第二章语音应答功能的设计与实现 主机的内部总线时钟得出，主机的s p s c k 引脚输出给从机的s p s c k 引脚，控制整 个数据传输过程。在主机启动一次传送过程中，自动产生8 个时钟周期信号从 s p s c k 引脚输出，s p s c k 信号的一个跳变进行一位数据移位过程。 2 2 3 3s p i 寄存器 m i o s m o i s m o i sm i o s s p s c k s p s c k 图2 6 单主单从系统连接图 f i g 2 6s i n g l em a s t e r s l a v ec o n n e c t i o n s 在m c 6 8 h c 9 0 8 g p 3 2 单片机中，s p i 模块共有3 个寄存器，它们对应的存储器 地址为$ o o l o 一$ 0 0 1 2 ，下面分别阐述这些寄存器的功能及用法。 ( 1 ) s p i 数据寄存器( s p id a t ar e g i s t e r ，s p d r ) s p i 数据寄存器s p d r 的地址是：$ 0 0 1 2 。写入时，为要发送的8 位数据，记 为t 7 一t o ；读出时，为接收的8 位数据，记为r 7 ”r o 。它们的特点与s c i 数据寄 存器相似。在实际内部结构上，s p d r 由两个独立的数据寄存器组成，即只能写 入的发送数据寄存器和只能读出的接收数据寄存器，它们共用一个地址。 ( 2 ) s p i 控制寄存器( s p ic o n t r o lr e g i s t e r ，s p c r ) s p i 控制寄存器一般情况下只能复位时写一次，以后一般不再更改设置。 s p c r 的地址：$ o o l o ，定义如下。 l 数据位 d 7d 6d 5d 4d 30 2d 1d o i 定义 s p r i ed m a ss p m s t rc p o l c p h as p w o ms p es p t i e 复位 0o1o1ooo d 7 s p r i e 位：s p i 接收中断允许位( s p ir e c e i v e ri n t e r r u p te n a b l eb i t ) ， s p r i e = 1 ，允许s p i 接收中断；s p r i e = o ，不允许s p i 接收中断。当收到一个字节 的数据时，状态及控制寄存器s p s c r ( 下面将介绍该寄存器) 的s p r i e 位( s p i 接收 器满标志位) 被置1 ，此时，若s p c r 寄存器的s p r i e = i ，则产生s p i 中断。通常 情况下s p r i e = o ，即收到数据不产生中断。 d 6 d m a s 位：d m a 选择位( d m as e l e c tb i t ) 。目前没用，为0 。 东北大学硕士学位论文 第二章语音应答功能的设计与实现 d 5 s p m s t r 位：s p i 主机位( s p im a s t e rb i t ) ，该位决定s p i 工作方式， s p m s t r = i ，主机方式；s p m s t r = o ，从机方式。 d 4 c p o l 位：时钟极性选择位( c l o c kp o l a r i t yb i t ) ，该位决定s p s c k 引 脚送出时钟的极性。c p o l = i ，s p s c k 空闲时为高电平：s p o l = o ，s p s c k 空闲时为 低电平。时钟极性选择位c p o l 与时钟相位位c p h a 配合使用。 d 3 c p h a 位：时钟相位位( c l o c kp h a s e8 i t ) ，该位控制串行时钟与s p i 数据的时序关系。c p h a = 1 ，从机以s p s c k 的第一次沿跳变为移位开始信号，在多 个字节的连续传送过程中，从机的s s 引脚信号可始终保持为低电平；c p h a = o ， 从机以s s 的下降沿作为移位开始信号，在s p s c k 的第一次沿跳变启动第一次数 据采样，在多个字节的连续传送过程中，从机的s s 引脚信号需要不断地恢复为 高电平，为每一个字节的传送产生移位开始信号( 在s s 的下降沿) 。一般情况下 设置c p h a = i ，复位时c p h a = i 。 d 2 s p w o m 位：s p i 线或模式位( s p lw i r e do rm o d eb it ) 。该位决定三个 引脚s p s c k 、m o s i 、m i s o 没有内部上拉电阻，因而称为开漏输出( o p e n d r a i n o u t p u t ) 。s p w o m = i ，设置s p s c k ，m o s i 和m i s o 有引脚为线或模式：s p w o m = o ，设 置s p s c k ，m o s i 和m i s o 引脚为普通推拉( p u s h p u l l ) 模式。 d 1 s p e 位：s p i 允许位( s p ie n a b l e ) 。该位决定是否允许s p i 。s p e = i ， 允许s p i ：s p e = o ，不允许s p i ，相应引脚成为普通并行i o 引脚。 d 0 一s p ti e 位：s p i 发送中断允许位( s p it r a n s m i t i n t e r r u p te n a b l e ) 。 s p t i e = i ，允许s p i 发送中断；s p r i e = o ，不允许s p i 发送中断。当一个字节的数 据发送完毕时，状态及控制寄存器s p s c r ( 下面将介绍该寄存器) 的s p t e 位( s p i 发送器空标志位) 被置1 ，此时若s p c r 寄存器的s p t i e = i ，则产生s p i 中断。通 常情况下s p t i e = o ，即发送数据完成不产生中断。( 请类比本寄存器的s p i 接收 中断允许位s p r i e 的功能) 。 ( 3 ) s p i 状态控制寄存器( s p is t a t u sa n dc o n t r o lr e g is t e r ，s p s c r ) s p s c r 的地址：$ 0 0 1 l ，定义如下。 | 数据位d 7d 6d 5 d 4 d 3 d 2d 1d o 定义 s p r fe r r i eo v r fm o d fs p t em o d f e ns p r ls p r o | 复位 0 oo0l000 d 7 s p r f 位( 只读) ：s p i 接收器满标志位( s p ir e c e i v e rf u l lb i t ) 。当 收到一个字节的数据时，s p r f 被置l ，程序读取该位得知此位为1 后，可以通过 数据寄存器s p d r 读取该收到的数据，读取数据后s p r f 被自动清零。 d 6 e r r i e 位：错误中断允许位( e r r o ri n t e r r u p te n a b l eb i t ) 。e r r i e = i ， 允许m o d f 和o v r f 产生c p u 中断请求；e r r i e = o ，禁止m o d f 和o v r f 产生c p u 中 东北大学硕士学位论文第二章语音应答功能的设计与实现 请求。 d 5 g v r f 位( 只读) ：溢出标志位( o v e r f l o wb i t ) 。当接收数据寄存器中的 数据还没有被读取时，若有新的数据进入移位寄存器，o v r f 位被置1 。o v r f 被 置1 后，读s p s c r 寄存器及接收数据寄存器后，o v r f 位被自动清零。 d 4 m o d f 位( 只读) ：模式错误标志位( m o d ef a u l tb i t ) 。若本寄存器的 m o d f e n = i ，在数据传输过程中，若在从机方式，引脚为高电平，或在主机方式s s 引脚为低电平，说明s s 引脚逻辑发生错误( 与图5 - 8 相违背) ，m o d f 被置l 。m o d f 被置成l 后，若读s p s c r 寄存器后再对s p c r 进行写操作，m o d f 位被自动清零。 d 3 s p t e 位( 只读) ：s p i 发送器空标志位( s p it r a n s m i t t e re m p t yb i t ) 。 当发送数据寄存器的数据进入移位寄存器中，s p t e 被置1 ，表示发送结束。s p t e 被置成1 后，若又向发送数据寄存器中写入新的数据，s p t e 位被自动清零。 d 2 一制o d f e n 位：模式错误标志允许位( m o d ef a u l te n a b l eb i t ) 。 m o d f e n = i ，允许m o d f 标志的置起，m o d f e n = o ，禁止m o d f 标志的置起。但如果 m o d f 己经被置1 ，将m o d f e n 清零，并不会使m o d f 也清零。对于主机而言，如果 m o d f e n 为0 ，s s 引脚就可以作为一般的u o 引脚。 d 1 - s p r l 、s p r o 位：s p i 波特率选择位( s p ib a u dr a t es e l e c tb i t s ) 。 当m c u 处于主机模式下，这两位控制串行时钟s p s c k 的频率。在从机模式下，这 两位没有意义。 计算公式为：s p i 的波特率= c g m o u t z * b d 上式中，c g m o u t 为时钟产生模块c g m 的基准时钟输出，叻是分频系数，由 s p r l 、s p r o 位决定： s p r i 、s p r o = 0 0 ，b d = 2 s p r i 、s p r o = o i ，b d = 8 s p r i 、s p r o = i o ，b d = 3 2 s p r i 、s f r o = i 】。b d = 】2 8 1 0 东北犬学硕士学住论文第二章语音应答功能的设计与实现 2 3i s d 4 0 0 4 单片语音芯片的编程 w i n b o n d 公司的i s d 系列语音芯片因为采用了独特的模拟数据直接存储技 术，使其声音存贮效果较以前产品有大幅提高，实际试昕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最好的语音电路之一。 i s d 4 0 0 4 系列芯片有4 个型号，分别可以存储不同时长的声音，如表2 1 所 示。i s d 各个型号的内存容量是一样的，但是声音采样频率不一样，因此录放的 时间也不一样。虽然其中有1 0 分钟和1 2 分钟的型号，因为其采样频率低，会造 成录音内容损失更多的高频信息。经过对比，由于本系统在试验阶段对语音效果 的要求不太高，所以可以选择i s d 4 0 0 4 1 6 r a i n 。各个型号的频率对比如表2 1 。 表2 1i s d 4 0 0 4 型号和频率对比表 t a b l e2 1e x t e r n a jc l o c ki n p u tc l o c k i n gt a b l e 型号采样频率时钟 p a r tn u m b e r s a m p l er a t e sr e q u i r e dc l o c k i s d 4 0 0 4 1 64 o k h z5 1 2 k h z i s d 4 0 0 4 一1 25 3 k h z6 8 2 1 k f i z i s d 4 0 0 4 1 06 4 k h z8 1 9 2 k h z i s d 4 0 0 4 一0 88 0 k h z1 0 2 4 k t t z 2 3 1i s d 4 0 0 4 特点 ( 1 ) 单片8 至1 6 分钟语音录放。 ( 2 ) 内置微控制器串行通信接口。 ( 3 ) 3 v 单电源。 ( 4 ) 多段信息处理。 ( 5 ) 工作电流2 5 。3 0 m a ，维持电流1ua 。 ( 6 ) 不耗电信息保存1 0 0 年( 典型值) 。 ( 7 ) 高质量、自然的语音还原技术。 ( 8 ) 1 0 万次录音周期( 典型值) 。 ( 9 ) 自动静噪功能。 ( 1 0 ) 片内免调整时钟，可选用外部时钟。 东北大学硕士学位论文第二章语音应答功能的设计与实现 2 3 2i s d 4 0 0 引脚图和引脚描述 i s d 4 0 0 4 圈2 7i s d 4 0 0 4 系列引脚图 f i g 2 7i s d 4 0 0 4s e r i e sp i n o u t s 电源：( v c c a ，v c c d ) 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，并且分别引到外封装的不同管脚上，模拟和数字电源端最好分别走线， 尽可能在靠近供电端处相连，而去耦电容应尽量靠近器件。 地线；( v s s a ，v s s d ) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相 模拟输入( a n ai n + ) 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3 2 m v ，耦合电容和本 端的3 k q 电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时，信号最 大幅度为峰峰值1 6 m y 。 反相模拟输入：( a n ai n 一) 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1 6m v 。 音频输出：( a u do u t ) 提供音频输出，可驱动5 kq 的负载。 片选；( s s ) 此端为低，即向该i s d 4 0 0 4 芯片发送指令，两条指令之间为高 电平。 串行输入：( m o s i ) 此端为串行输入端，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i s d 输入。 串行输出：( m i s o m i s o ) i s d 的串行输出端。i s d 未选中时，本端呈高阻态。 串行时钟：( s c l k ) i s d 的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步，m o s e 和 m i s o 的数据传输。数据在s c l k 上升沿锁存到i s d ，在下降沿移出i s d 。 中断：( i n t ) 本端为漏极开路输出。i s d 在任何操作( 包括快进) 中检测到 e o m 或o v f 时，本端变低并保持。中断状态在下一个s p i 周期开始时清除。中断 状态也可用r i n t 指令读取。o v f 标志：指示i s d 的录、放操作已达到存储器的末 东北大学硕士学位论文第二章语音应答功能的设计与实现 尾。e o m 标志：只在放音中检测到内部的e o m 标志时，此状态位才置1 。 行地址时钟；( r a c ) 漏极开路输出。每个r a c 周期表示i s d 存储器的操作进 行了一行( i s e 4 0 0 4 系列中存贮器共2 4 0 0 行) 。该信号1 7 5 m s 保持高电平，低电 平为2 5 m s 。快进模式下，r a c 的2 1 8 7 5 p s 是高电平，3 1 2 5 雌为低电平。该端 可用于存储管理技术。 外部时钟：( x c l k ) 本端内部有下拉元件。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 2 5 内。工业级芯片在整个温度和电压范围内，频率变化在一6 + 4 内，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。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。输入时钟的占空比无关紧要， 因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时，此端必须接地。 自动静噪：( a m c a p ) 当录音信号电平下降到内部设的某一闽值以下时，自动 静噪功能使信号衰弱，这样有助于降低无信号( 静音) 融的噪声。通常本端对地接 i p f 的电容，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 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6 d b 。l m f 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接 v c c a 则禁止自动静嗓。 2 3 3s p i 控制寄存器和指令 s p i 控制寄存器控制器件的每个功能，如录放、录音、信息检索( 快进) ，上 电掉电、开始和停止操作、忽略地址指针等。详见下表： 表2 2s p i 控制寄存器位 t a b l e2 2s p ic o n t o r lr e g