基于SPI實現dsPlC與ISD語音芯片的通信設計

概述： 在很多應用場合中，需要用到語音錄放功能，如復讀機、電話自動應答裝置等。本文介紹一種簡單實用的dsPIc數字信號控制器，用來完成語音錄放功能。由于dsPIC強大的數字信號處理功能，可以提供后續的復雜處理等，具有良好的易擴展性。

?介紹dsPIc數字信號控制器以廈ISD4002語音芯片的功能特點；特別介紹dsPIC的SPl庫函數的功能及使用，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，有較高的實用價值。

1 dsPlC系列的簡單介紹
??? dsPIC系列是Microchip公司推出的新型16位高性能數字信號控制器。它結合了單片機的控制優點及數字信號處理器(DSP)的高速運算特性，為嵌入式系統提供了單一芯片解決方案。它繼承了PlC單片機系列的哈佛總線結構和精簡指令集(RISC)技術，以及尋址方式簡單、運行速度快、功耗低、驅動能力強等優點，同時集成了主板級的DSP功能，能夠提供強大的數字信號處理能力；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備進行通信互聯。本文介紹使用dsPIC數字信號控制器的SPI接口與ISD語音芯片進行通信控制，使用的芯片型號為dsPIc30F6014。

2 ISD系列語音錄放芯片
??? ISD系列語音芯片是美國ISD公司推出的產品。該系列芯片采用多電平直接模擬存儲(Chip Corder)專利技術，聲音不需要A/D轉換和壓縮，每個采樣直接存儲在片內的閃爍存儲器中，避免了A/D轉換的誤差；能夠真實、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，內含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陣列等，只需要很少的外圍器件即可構成一個完整的語音錄放系統。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，錄放時間越長，但音質會有所下降；片內信息存于閃爍存儲器中，可在斷電情況下保存100年(典型值)，反復錄音10萬次；器件工作電壓3 v，工作電流25～30 mA，音質好，適用于移動電話及其他便攜式電子產品。本設計使用的芯片型號為ISD4002，單片錄放時間為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范，常作為單片機外設芯片串行擴展接口。SPI有4個引腳：SS(從器件選擇線)、SDO(串行數據輸出線)、SDI(串行數據輸入線)和SCK(同步串行時鐘線)。SPI可以用全雙工通信方式同時發送和接收8(16)位數據，過程如下：主機啟動發送過程，送出時鐘脈沖信號，主移位寄存器的數據通過SDO移入到從移位寄存器，同時從移位寄存器中的數據通過SDI移人到主移位寄存器中。8(16)個時鐘脈沖過后，時鐘停頓，主移位寄存器中的8(16)位數據全部移人到從移位寄存器中，隨即又被自動裝入從接收緩沖器中，從機接收緩沖器滿標志位(BF)和中斷標志位(SSPIF)置“1”。同理，從移位寄存器中的8位數據全部移入到主寄存器中，隨即又被自動裝入到主接收緩沖器中．主接收緩沖器滿標志位(BF)和中斷標志位(SSPIF)置“1”。主CPU檢測到主接收緩沖器的滿標志位或者中斷標志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數據。同樣，從CPU檢測到從接收緩沖器滿標志位或中斷標志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數據，這樣就完成了一次相互通信過程。這里設置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函數庫
??? dsPIC30F6014提供了2個SPI接口模塊，每個接口模塊包括三個特殊功能寄存器和四個引腳。SPIxBUF是數據緩沖寄存器。需要注意的是，接收緩沖SPIxRBF和發送緩沖SPIxTBF共享同一個地址，即它們都是地址映射到SPIxBUF的。也就是說，當對接收或發送緩沖寄存器操作時，都只能對SPIxBUF進行操作，而不能直接對SPIxRBF或SPIxTBF進行操作。SPIxCON是控制寄存器，用來對sPI模塊的操作模式等進行配置；SPIxSTAT是狀態寄存器，用來標示SPI模塊所處的狀態。其模塊框圖如圖1所示。

??? 通過對控制寄存器的配置，可以將SPI模塊設置為8位或16位模式、主模式或從模式、幀同步等多種操作模式，還可以對時鐘邊沿、時鐘分頻倍數等進行配置。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公司提供給開發者的一套工具庫，其中主要含3個子庫．DSP庫，提供常用的DSP函數；外圍接口庫，提供對dsPIC系列所有外圍接口的驅動函數，包括SPI接口；標準C及數學函數庫，可在Microchip的官方網站下載(www．microchip． com)。我們使用其中的外圍接口庫中的SPI庫函數即可。SPI庫中主要包括以下幾個函數：
??? ①configIntSPIx SPI中斷配置函數。該函數可以對sPI接口的中斷使能位以及中斷優先級進行配置，返回值為空。
??? ②CloseSPlx關閉SPI接口。
??? ③DataRdySPlx SPl接口數據就緒。該函數用來判斷SPI接收緩沖區中是否有數據等待讀出。若返回值為1，表示緩沖區中數據已經就緒，等待讀出；若返回值為0，則標示緩沖區為空。
??? ④ReadSPIx讀SPI接口緩沖區。
??? ⑤WriteSPIx向SPI接口發送緩沖區寫數據。
??? ⑥OpenSPIx打開SPI接口。該函數包含2個參數：configl和config2。configl中包含對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的狀態信息，將寫入狀態寄存器。該函數在打開SPI接口的同時完成對其的配置。
??? ⑦puasSPIx函數將一個字符串數據寫入到發送緩沖區中。
??? ⑧getsSPIx函數將從接收緩沖區讀人指定長度的字符串數據，并轉存到指定的空間。

??? 除了這8個函數以外，該庫還提供了相應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協議是一個同步串行數據傳輸協議，協議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作。對ISD4002而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數據．存下降沿將數據送至MISO引腳．協議具體內容如下：
??? ①所有串行數據傳輸開始于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數據在時鐘上升沿移入，在下降沿移出；
??? ④SS變低，輸入指令和地址之后，ISD才會開始錄放動作；
??? 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)如果遇到EOM或OVF則產生一個中斷，該中斷狀態在下一個SPI周期開始時被清除；
??? ⑦使用讀指令會使中斷狀態為移出ISD的MISO引腳時，控制及地址數據也同步從MOSI移入；
??? ⑧所有操作在運行位(RUN)置1時開始，置0時結束；
??? ⑨所有指令都在SS上升沿開始執行。
??? 其時序如圖2所示。

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

??? 從00處發音，應遵循如下時序：
??? 發POWERUP命令；
??? 等待TPUD(上電延時)；
??? 發地址值為00的SFTPLAY命令；
??? 發PLAY命令。
??? 器件會從00地址開始放音，當出現EOM時，立即中斷，停止放音。
??? 如果從00處錄音，則按以下時序；
??? 發POWER UP命令；
??? 等待TPUD(上電延時)；
??? 發POWER UP命令
??? 等待2倍TPUD；
??? 發地址值為00的SETREC命令；
??? 發REC命令。
??? 器件便從00地址開始錄音，一直到出現OVF(存儲器末尾)時，錄音停止。其工作時序如圖3所示。

6 電路設計
??? 本電路采用dsPICC30F6014數字信號控制器，通過3個按鍵開關控制ISD4002錄放音芯片的動作。S1、S2、S3分別接到控制器外部中斷INTl、INT2、INT3上。當按下S1時，開始錄音，再次按下S1時停止錄音。如此反復即可實現多段錄音。同理，按下S2時開始放音，再次按下S2是停止放音。如此反復順序播放多段錄音。按下S3關機。

(1)硬件電路設計
??? 電路原理如圖4所示。整個電路由語音錄放電路、話筒輸入電路、按鍵開關電路及LCD顯示電路構成。由于本設計輸出直接驅動普通耳機，經實驗不需外部功放電路，直接利用ISD4002內部功放輸出即可。ISD4002作為從機，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用于人機交互的界面顯示。

(2)軟件設計
??? 程序包括主程序以及幾個子程序。主程序中，在完成初始化的工作之后，進入一個while循環，等待響應按鍵觸發的中斷，若有按鍵按下，則進入相應的中斷服務程序。在按鍵S1的中斷服務程序中，設置一個標志變量，Sl每按下一次，標志變量取反，用來控制錄音及停止錄音。同理，S2的中斷服務程序中也設置一個標志變量，控制開始放音及停止放音。S3的中斷服務程序中則發送Power-Down指令關機。程序清單中給出了主程序以及中斷服務程序，另外包括LCD驅動程序以及dsPIC的SPI函數庫等。(編者注：源程序見本刊網站www．dpi．com.cn。)

7 總 結
??? 該電路易于實現，功能簡單實用，可擴展性較好；輸出聲音清晰、自然。如要增加錄音時間，可選用ISD4000系列的其他芯片，程序基本相同。另外，在設計過程中有以下幾點事項需要注意：
??? ①在SPI的數據傳輸中，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要求先傳高位數據，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要求在時鐘前半個周期把數據放在傳輸線上，因此，在使用dsPIC的SPI函數庫時需要注意SPI初始化。在本設計中，使用的配置為SPl—CKE—ON&CLK_P0L_ACTIVE_HIGH。
??? 以上兩點可能會幫助解決一些常見問題。