IS22C011/20語(yǔ)音芯片的原理及在MCS-51單片機(jī)中的應(yīng)用

IS22C011和IS22C020是ISSI公司推出的高品質(zhì)語(yǔ)音芯片，它們采用 ADPCM壓縮技術(shù)、POP減噪技術(shù)和最先進(jìn)的亞微米EPROM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了即時(shí)編程，并使用戶產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間大為縮短。IS22C011／20可由多種開(kāi)發(fā)工具來(lái)支持，如IS22VP002（單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)）、IS22VP003／004（PC機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)）等。該芯片只需極少的外圍元件，便可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的語(yǔ)音播放，IS22C011／20語(yǔ)音芯片采用串聯(lián)擴(kuò)展可使播放時(shí)間不受限制，而采用并聯(lián)擴(kuò)展則有利于混音的形成。同時(shí)由CPU對(duì)其進(jìn)行部分引腳的控制可方便地應(yīng)用于儀器設(shè)備的語(yǔ)音提示或報(bào)警。IS22C011與IS22C020的主要技術(shù)特性如下：
    ●語(yǔ)音長(zhǎng)度：
    — 8kHz取樣：011／020：8／16s；
    — 6kHz取樣：011／020：10／20s；
    — 5kHz取樣：011／020：12．8／25．6s；
    ●電源電壓：DC2．4～6．0V；
    ●靜態(tài)功耗：＜5μA；
    ●防抖觸發(fā)延時(shí)時(shí)間（Debounce delay）：15ms 
    ●STP脈沖寬度：30ms；
    ●采用4鍵觸發(fā)可提供8段語(yǔ)音。

1  引腳功能

IS22C011／20采用16－PIN和SOP封裝形式，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如下：
    1、6腳（LED1、LED2）：LED顯示驅(qū)動(dòng)端，3Hz閃爍，011為高電平有效，020為低電平有效；
    2、3腳（VOUT1、VOUT2）：蜂鳴器驅(qū)動(dòng)端；
    4 腳（GND）：電源地；
    5腳（STP／BUSY）：STP語(yǔ)音結(jié)束脈沖輸出信號(hào)或BUSY信號(hào)；
    7腳（COUT）：電流型D／A轉(zhuǎn)換輸出端口，其輸出信號(hào)可用于驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器；
    8腳（OSC）：振蕩器電阻接入端，可用于控制采樣頻率；
    9 腳（VPP）：編程電源端，放音時(shí)不用；
    10、11、13、14腳（S1～S4）：語(yǔ)音觸發(fā)端，通常在內(nèi)部被拉低，高電平有效，可用于控制8段語(yǔ)音，其譯碼如表1所列；
    21腳（VCC）：電源正端；
    15腳（SBT）：全播或順序播放控制端，此端采用內(nèi)部下拉，高電平有效；
    16腳（IRP）：停止播放控制端，采用內(nèi)部拉低，高電平有效。

2  內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IS22C011／20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，由圖可知，該芯片用振蕩器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器來(lái)提供時(shí)鐘信號(hào)。其振蕩器頻率（即語(yǔ)音采樣頻率）由外接振蕩電阻ROSC確定，振蕩線路采用高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此在正常的工作電壓范圍內(nèi)，采樣頻率均可保持恒定。該芯片中的邏輯控制電路是芯片的控制中心，可協(xié)調(diào)和控制地址定序器、 ADPCM譯碼器、POP減噪電路等線路的工作。EPROM為256k字節(jié)的一次性（OTP）存貯器，可分成8段語(yǔ)音，每段語(yǔ)音長(zhǎng)度由用戶編程控制，長(zhǎng)短可不一，但總長(zhǎng)度不能超過(guò)存貯器總?cè)萘康脑试S時(shí)間（如若采樣頻率為8kHz，總長(zhǎng)度不能超過(guò)8s）。蜂鳴器緩沖輸出采用PWM輸出方式，可直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，并可減少耗電量，因此特別適用于鈕扣電池供電設(shè)備。其D／A電流輸出可直接用晶體管來(lái)推動(dòng)揚(yáng)聲器（1／4W），而無(wú)需復(fù)雜的濾波線路。

3  可編程選項(xiàng)及時(shí)序圖

IS22C011／20具有可編程選項(xiàng)功能，包括脈沖觸發(fā)及電平觸發(fā)選項(xiàng)、STB全播或順序播放選項(xiàng)、STOP或BUSY信號(hào)選項(xiàng)、放音結(jié)束噪音自動(dòng)下降及非自動(dòng)下降選項(xiàng)。圖3所示是其前三項(xiàng)選項(xiàng)的時(shí)序圖。放音結(jié)束噪聲自動(dòng)下降通常是指在放音結(jié)束時(shí)COUT端出現(xiàn)的“POP”噪聲的下降。實(shí)際上，放音結(jié)束時(shí)使COUT端的輸出電流漸漸減少為零可降低電流突然為零（即非自動(dòng)下降時(shí)）時(shí)出現(xiàn)的“POP”噪聲（即POP減噪），它可在聲音數(shù)據(jù)編碼時(shí)由用戶選擇與編程，其信息與聲音數(shù)據(jù)通常被存貯在存貯器中。

圖3中還給出了S1脈沖觸發(fā)及電平觸發(fā)的COUT時(shí)序圖，S2～S4的COUT時(shí)序圖則與S1完全一致。而SBT信號(hào)僅給出了脈沖觸發(fā)的時(shí)序圖，其電平觸發(fā)時(shí)序可參考S1時(shí)序。

4  典型應(yīng)用

圖 4為 IS22C011／20的典型應(yīng)用電路（LED1、LED2為020的驅(qū)動(dòng)方式），圖中的三極管的β值應(yīng)大于130、SP可選用8Ω、1／4W的揚(yáng)聲器。圖5為芯片串聯(lián)使用時(shí)的電路圖，該電路的語(yǔ)音長(zhǎng)度為兩片之和。圖6為并聯(lián)使用時(shí)的電路圖，其語(yǔ)音段可由8段擴(kuò)展為16段，也可混音輸出。

5 在MCS－51單片機(jī)中應(yīng)用

5．1  硬件連接 

當(dāng)IS22C011／20的S1～S4、STB／BUSY等信號(hào)端由MCS－51或其它接口芯片（如8255A）控制時(shí)可方便地實(shí)現(xiàn)單段一次、多次或多段連續(xù)觸發(fā)，圖7為8031與IS22C011／20連接線路。由于8031在復(fù)位時(shí)的口線輸出為高電平，而S1～S4為高電平有效，因此P1． 0～P1．3可通過(guò)4069反相器與S1～S4相連。將STB／BUSY控制端與P3．5（T1口）相連可用于單段多次或多段連續(xù)觸發(fā)，T1口工作于方式 2可自動(dòng)再裝入8位計(jì)數(shù)方式，并允許T1口中斷。一旦前段播放完畢，則由STP信號(hào)觸發(fā)T1口向CPU發(fā)出中斷申請(qǐng)，以進(jìn)行再次觸發(fā)或觸發(fā)下一段，因此， STP／BUSY信號(hào)選項(xiàng)應(yīng)選擇STP信號(hào)，而S1～S4則用于選擇脈沖觸發(fā)。由于防抖觸發(fā)延遲時(shí)間為15ms，因此觸發(fā)時(shí)的脈沖寬度必須大于15ms，本文中的程序設(shè)計(jì)為30ms。

5．2  軟件編寫(xiě)  

以下為單段一次、再次播放和二段連播程序清單，其中“DEL”為觸發(fā)脈沖脈寬延時(shí)子程序，脈寬為30ms。為了提高CPU的工作效率，程序中采用T0 口中斷定時(shí)方式。R0用于設(shè)置播放次數(shù)或段落數(shù)，＃00H為單段一次播放，＃01H為單段二次或二段連播。R1、R2的低四位設(shè)置二次播放的觸發(fā)譯碼，單段二次連播時(shí)R1、R2應(yīng)設(shè)置相同的譯碼，單段一次時(shí)R2可不用。由于采用4069反相驅(qū)動(dòng)，因此R1、R2中設(shè)置的觸發(fā)譯碼應(yīng)將表1中的譯碼取反。具體的程序清單如下：