基于SPI實(shí)現(xiàn)dsPlC與ISD語音芯片的通信設(shè)計(jì)

概述： 在很多應(yīng)用場合中，需要用到語音錄放功能，如復(fù)讀機(jī)、電話自動(dòng)應(yīng)答裝置等。本文介紹一種簡單實(shí)用的dsPIc數(shù)字信號(hào)控制器，用來完成語音錄放功能。由于dsPIC強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，可以提供后續(xù)的復(fù)雜處理等，具有良好的易擴(kuò)展性。

 介紹dsPIc數(shù)字信號(hào)控制器以廈ISD4002語音芯片的功能特點(diǎn)；特別介紹dsPIC的SPl庫函數(shù)的功能及使用，并給出一種簡單的語音錄放電路。具有低成本、易使用等特點(diǎn)，有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 dsPlC系列的簡單介紹
    dsPIC系列是Microchip公司推出的新型16位高性能數(shù)字信號(hào)控制器。它結(jié)合了單片機(jī)的控制優(yōu)點(diǎn)及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的高速運(yùn)算特性，為嵌入式系統(tǒng)提供了單一芯片解決方案。它繼承了PlC單片機(jī)系列的哈佛總線結(jié)構(gòu)和精簡指令集(RISC)技術(shù)，以及尋址方式簡單、運(yùn)行速度快、功耗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)集成了主板級(jí)的DSP功能，能夠提供強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力；此外，還提供了如UART、CAN、SPI等豐富的外圍接口，可以方便地與其他設(shè)備進(jìn)行通信互聯(lián)。本文介紹使用dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器的SPI接口與ISD語音芯片進(jìn)行通信控制，使用的芯片型號(hào)為dsPIc30F6014。

2 ISD系列語音錄放芯片
    ISD系列語音芯片是美國ISD公司推出的產(chǎn)品。該系列芯片采用多電平直接模擬存儲(chǔ)(Chip Corder)專利技術(shù)，聲音不需要A/D轉(zhuǎn)換和壓縮，每個(gè)采樣直接存儲(chǔ)在片內(nèi)的閃爍存儲(chǔ)器中，避免了A/D轉(zhuǎn)換的誤差；能夠真實(shí)、自然地還原語音、音樂及效果聲；避免了一般固體錄音電路量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。ISD4000系列采用CM0s技術(shù)，內(nèi)含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動(dòng)靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲(chǔ)陣列等，只需要很少的外圍器件即可構(gòu)成一個(gè)完整的語音錄放系統(tǒng)。它的操作命令通過串行通信接口(SPI)或Microwire送入；采樣頻率可為4.O Hz、5.3 Hz、6.4 Hz、8.O Hz，頻率越低，錄放時(shí)間越長，但音質(zhì)會(huì)有所下降；片內(nèi)信息存于閃爍存儲(chǔ)器中，可在斷電情況下保存100年(典型值)，反復(fù)錄音10萬次；器件工作電壓3 v，工作電流25～30 mA，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)使用的芯片型號(hào)為ISD4002，單片錄放時(shí)間為120 s。

3 SPI接口介紹
    SPI是由美國摩托羅拉公司推出的一種同步串行傳輸規(guī)范，常作為單片機(jī)外設(shè)芯片串行擴(kuò)展接口。SPI有4個(gè)引腳：SS(從器件選擇線)、SDO(串行數(shù)據(jù)輸出線)、SDI(串行數(shù)據(jù)輸入線)和SCK(同步串行時(shí)鐘線)。SPI可以用全雙工通信方式同時(shí)發(fā)送和接收8(16)位數(shù)據(jù)，過程如下：主機(jī)啟動(dòng)發(fā)送過程，送出時(shí)鐘脈沖信號(hào)，主移位寄存器的數(shù)據(jù)通過SDO移入到從移位寄存器，同時(shí)從移位寄存器中的數(shù)據(jù)通過SDI移人到主移位寄存器中。8(16)個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，時(shí)鐘停頓，主移位寄存器中的8(16)位數(shù)據(jù)全部移人到從移位寄存器中，隨即又被自動(dòng)裝入從接收緩沖器中，從機(jī)接收緩沖器滿標(biāo)志位(BF)和中斷標(biāo)志位(SSPIF)置“1”。同理，從移位寄存器中的8位數(shù)據(jù)全部移入到主寄存器中，隨即又被自動(dòng)裝入到主接收緩沖器中．主接收緩沖器滿標(biāo)志位(BF)和中斷標(biāo)志位(SSPIF)置“1”。主CPU檢測到主接收緩沖器的滿標(biāo)志位或者中斷標(biāo)志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)。同樣，從CPU檢測到從接收緩沖器滿標(biāo)志位或中斷標(biāo)志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數(shù)據(jù)，這樣就完成了一次相互通信過程。這里設(shè)置dsPIC30F6014為主控制器，ISD4002為從器件，通過SPI口完成通信控制的過程。

4 dsPIC的SPI函數(shù)庫
    dsPIC30F6014提供了2個(gè)SPI接口模塊，每個(gè)接口模塊包括三個(gè)特殊功能寄存器和四個(gè)引腳。SPIxBUF是數(shù)據(jù)緩沖寄存器。需要注意的是，接收緩沖SPIxRBF和發(fā)送緩沖SPIxTBF共享同一個(gè)地址，即它們都是地址映射到SPIxBUF的。也就是說，當(dāng)對(duì)接收或發(fā)送緩沖寄存器操作時(shí)，都只能對(duì)SPIxBUF進(jìn)行操作，而不能直接對(duì)SPIxRBF或SPIxTBF進(jìn)行操作。SPIxCON是控制寄存器，用來對(duì)sPI模塊的操作模式等進(jìn)行配置；SPIxSTAT是狀態(tài)寄存器，用來標(biāo)示SPI模塊所處的狀態(tài)。其模塊框圖如圖1所示。

    通過對(duì)控制寄存器的配置，可以將SPI模塊設(shè)置為8位或16位模式、主模式或從模式、幀同步等多種操作模式，還可以對(duì)時(shí)鐘邊沿、時(shí)鐘分頻倍數(shù)等進(jìn)行配置。這里使用了以dsPIC為主，ISD為從的主從模式。Microchip提供的外圍接口庫可以方便地完成這些配置工作。

    dsPIC Language Tools Libraries是MictoChip公司提供給開發(fā)者的一套工具庫，其中主要含3個(gè)子庫．DSP庫，提供常用的DSP函數(shù)；外圍接口庫，提供對(duì)dsPIC系列所有外圍接口的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，包括SPI接口；標(biāo)準(zhǔn)C及數(shù)學(xué)函數(shù)庫，可在Microchip的官方網(wǎng)站下載(www．microchip． com)。我們使用其中的外圍接口庫中的SPI庫函數(shù)即可。SPI庫中主要包括以下幾個(gè)函數(shù)：
    ①configIntSPIx SPI中斷配置函數(shù)。該函數(shù)可以對(duì)sPI接口的中斷使能位以及中斷優(yōu)先級(jí)進(jìn)行配置，返回值為空。
    ②CloseSPlx關(guān)閉SPI接口。
    ③DataRdySPlx SPl接口數(shù)據(jù)就緒。該函數(shù)用來判斷SPI接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)等待讀出。若返回值為1，表示緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，等待讀出；若返回值為0，則標(biāo)示緩沖區(qū)為空。
    ④ReadSPIx讀SPI接口緩沖區(qū)。
    ⑤WriteSPIx向SPI接口發(fā)送緩沖區(qū)寫數(shù)據(jù)。
    ⑥OpenSPIx打開SPI接口。該函數(shù)包含2個(gè)參數(shù)：configl和config2。configl中包含對(duì)SPI接口操作模式的配置信息，將寫入控制寄存器；config2中包含SPI的狀態(tài)信息，將寫入狀態(tài)寄存器。該函數(shù)在打開SPI接口的同時(shí)完成對(duì)其的配置。
    ⑦puasSPIx函數(shù)將一個(gè)字符串?dāng)?shù)據(jù)寫入到發(fā)送緩沖區(qū)中。
    ⑧getsSPIx函數(shù)將從接收緩沖區(qū)讀人指定長度的字符串?dāng)?shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)存到指定的空間。

    除了這8個(gè)函數(shù)以外，該庫還提供了相應(yīng)的宏指令完成同樣的功能，可以在程序中方便地使用。

5 lSD4002
    ISD4002工作于SPI串行接口。SPI協(xié)議是一個(gè)同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動(dòng)作。對(duì)ISD4002而言，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)．存下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳．協(xié)議具體內(nèi)容如下：
    ①所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于SS下降沿；
    ②SS在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間保持為高電平；
    ③數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿移入，在下降沿移出；
    ④SS變低，輸入指令和地址之后，ISD才會(huì)開始錄放動(dòng)作；
    ⑤指令格式是10位地址碼加6位控制碼；
    ⑥ISD的任何操作(含快進(jìn))如果遇到EOM或OVF則產(chǎn)生一個(gè)中斷，該中斷狀態(tài)在下一個(gè)SPI周期開始時(shí)被清除；
    ⑦使用讀指令會(huì)使中斷狀態(tài)為移出ISD的MISO引腳時(shí)，控制及地址數(shù)據(jù)也同步從MOSI移入；
    ⑧所有操作在運(yùn)行位(RUN)置1時(shí)開始，置0時(shí)結(jié)束；
    ⑨所有指令都在SS上升沿開始執(zhí)行。
    其時(shí)序如圖2所示。

    對(duì)于ISD4002，器件延時(shí)TPUD(8kHz采樣時(shí)，約為25 ms)后才能開始操作；因此，用戶發(fā)完上電指令后，必須等待TPUD.才能發(fā)出一條操作指令。下面是典型的操作。

    從00處發(fā)音，應(yīng)遵循如下時(shí)序：
    發(fā)POWERUP命令；
    等待TPUD(上電延時(shí))；
    發(fā)地址值為00的SFTPLAY命令；
    發(fā)PLAY命令。
    器件會(huì)從00地址開始放音，當(dāng)出現(xiàn)EOM時(shí)，立即中斷，停止放音。
    如果從00處錄音，則按以下時(shí)序；
    發(fā)POWER UP命令；
    等待TPUD(上電延時(shí))；
    發(fā)POWER UP命令
    等待2倍TPUD；
    發(fā)地址值為00的SETREC命令；
    發(fā)REC命令。
    器件便從00地址開始錄音，一直到出現(xiàn)OVF(存儲(chǔ)器末尾)時(shí)，錄音停止。其工作時(shí)序如圖3所示。

6 電路設(shè)計(jì)
    本電路采用dsPICC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器，通過3個(gè)按鍵開關(guān)控制ISD4002錄放音芯片的動(dòng)作。S1、S2、S3分別接到控制器外部中斷INTl、INT2、INT3上。當(dāng)按下S1時(shí)，開始錄音，再次按下S1時(shí)停止錄音。如此反復(fù)即可實(shí)現(xiàn)多段錄音。同理，按下S2時(shí)開始放音，再次按下S2是停止放音。如此反復(fù)順序播放多段錄音。按下S3關(guān)機(jī)。

(1)硬件電路設(shè)計(jì)
    電路原理如圖4所示。整個(gè)電路由語音錄放電路、話筒輸入電路、按鍵開關(guān)電路及LCD顯示電路構(gòu)成。由于本設(shè)計(jì)輸出直接驅(qū)動(dòng)普通耳機(jī)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)不需外部功放電路，直接利用ISD4002內(nèi)部功放輸出即可。ISD4002作為從機(jī)，其SPI接口的MOSI接控制器的SDO；MISO接控制器的SDI；SCLK接SCK；SS接控制器的SS即可。LCD用于人機(jī)交互的界面顯示。

(2)軟件設(shè)計(jì)
    程序包括主程序以及幾個(gè)子程序。主程序中，在完成初始化的工作之后，進(jìn)入一個(gè)while循環(huán)，等待響應(yīng)按鍵觸發(fā)的中斷，若有按鍵按下，則進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。在按鍵S1的中斷服務(wù)程序中，設(shè)置一個(gè)標(biāo)志變量，Sl每按下一次，標(biāo)志變量取反，用來控制錄音及停止錄音。同理，S2的中斷服務(wù)程序中也設(shè)置一個(gè)標(biāo)志變量，控制開始放音及停止放音。S3的中斷服務(wù)程序中則發(fā)送Power-Down指令關(guān)機(jī)。程序清單中給出了主程序以及中斷服務(wù)程序，另外包括LCD驅(qū)動(dòng)程序以及dsPIC的SPI函數(shù)庫等。(編者注：源程序見本刊網(wǎng)站www．dpi．com.cn。)

7 總 結(jié)
    該電路易于實(shí)現(xiàn)，功能簡單實(shí)用，可擴(kuò)展性較好；輸出聲音清晰、自然。如要增加錄音時(shí)間，可選用ISD4000系列的其他芯片，程序基本相同。另外，在設(shè)計(jì)過程中有以下幾點(diǎn)事項(xiàng)需要注意：
    ①在SPI的數(shù)據(jù)傳輸中，不同芯片所定義的傳輸順序可能不同，因此要注意是先傳高位還是先傳低位。ISD4002要求先傳高位數(shù)據(jù)，如果與主芯片所定義的順序相反，則只要把指令碼反過來傳即可。
    ②由于ISD4002要求在時(shí)鐘前半個(gè)周期把數(shù)據(jù)放在傳輸線上，因此，在使用dsPIC的SPI函數(shù)庫時(shí)需要注意SPI初始化。在本設(shè)計(jì)中，使用的配置為SPl—CKE—ON&CLK_P0L_ACTIVE_HIGH。
    以上兩點(diǎn)可能會(huì)幫助解決一些常見問題。