MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接.pptx
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1、实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 一、实验目的一、实验目的二、实验设备与器材二、实验设备与器材三、实验电路三、实验电路四、实验原理四、实验原理(ISD4000系列语音芯片简介系列语音芯片简介) 五、实验内容、过程及要求五、实验内容、过程及要求 实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 一、实验目的一、实验目的(1)理解SPI串行总线传输协议。(2)理解ISD4000系列语音芯片的工作原理以及其放音、录音的控制过程。(3)理解MCS-51与SPI总线外设(如ISD4000系列语音芯片)的硬件连接、读/写方式。实验13
2、 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 二、实验设备与器材二、实验设备与器材仿真器及其附件、图1所示的实验电路板各一套。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 三、实验电路三、实验电路本实验仅仅涉及实验板上的U101、U103、U104、U401(ISD4002语音芯片)、U404(集成功率放大器),而与其他元器件无关。接通电源前,将JP103的1-2引脚短路,使ISD4002语音芯片的中断输出端引脚与MCS-51外中断(P3.2)引脚相连。由于多数MCS-51芯片没有内置的SPI串行总线接口部件,因此只能用软件模拟SPI总线时序方式读/写SPI总线接口器件。实验13 MCS-
3、51与SPI串行接口语音芯片连接 四、实验原理四、实验原理(ISD4000系列语音芯片简介系列语音芯片简介)ISD4000系列语音芯片包括ISD4002、ISD4003、ISD4004三个子系列芯片,电源电压为3V,单片录音时间在216分钟之间。音质中上,它们被广泛应用于公共汽车语音报站系统、移动及自动应答电话设备、语音复读机等电子产品中。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 该系列语音芯片采用CMOS工艺,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平FlashROM存储器阵列。通过串行通信接口(SPI或Microwire总线协议)与微控制器(如MCS
4、-51芯片)相连,所有操作均由微控制器控制。内部采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存储在片内FlashROM存储器中,因此能逼真、自然地再现语音、音乐、音调等声响效果,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。可选4.0,5.3,6.4,8.0kHz等多个采样频率。采样频率越低,录放时间就越长(但音质会略有下降),片内信息存放在FlashROM存储器中,在断电状态下可保存100年(典型值),能反复录音10万次以上。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 1主要参数主要参数 表表13-1 主主 要要 参参 数数 型 号存储时间/秒最大段数信息分辨率/毫秒
5、采样频率/Hz 滤波器带宽/Hz 控制码+地址位长度ISD4002-1201206002008.0k3.4k5+11ISD4002-1801806003005.3k2.3k5+11ISD4002-2402406004004.0k1.7k5+11ISD4003-0424012002008.0k3.4k5+11ISD4003-0636012003005.3k2.3k5+11ISD4003-0848012004004.0k1.7k5+11ISD4004-0848024002008.0k3.4k8+16ISD4004-1696024004004.0k1.7k8+16实验13 MCS-51与SPI串行接
6、口语音芯片连接 2封装及引脚排列封装及引脚排列ISD4000系列语音芯片采用28引脚TSOP、PDIP或SOIC封装方式,其中PDIP或SOIC封装方式引脚排列如图13-1所示。引脚功能如下:VCCD:芯片内部数字电路电源引脚。VSSD:芯片内部数字电路地线引脚。VCCA:芯片内部模拟电路电源引脚。VSSA:芯片内部模拟电路地线引脚。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 图图13-1 PDIP或或SOIC封装引脚排列封装引脚排列实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 为了减小噪声,芯片内部模拟、数字电路具有各自的电源、地线总线,以方便在印制板上实现数字、模拟电路电源和
7、地线分开走线,形成单点接地的布线规则。ANAIN+、ANAIN-:分别是录音输入放大器的同相输入端和反相输入端。输入放大器可用单端或差分方式驱动。采用单端驱动时,信号由耦合电容输入,最大为32mV(峰-峰值)。耦合电容与本端内部的3k串联电阻构成的输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。采用差分驱动时,最大为16mV(峰-峰值)。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 XCLK:外部采样时钟输入端,可选的采样频率如表13-1所示。一般使用芯片内部采样频率(在出厂前已调校,误差在+1%以内),除非对采样精度要求很高。当不用外部采样时钟信号时,XCLK引脚必须接地。AMCAP:自动静噪输
8、入端。当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。一般情况下,该引脚对地接1F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。1F电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。当AMCAP引脚接VCCA时,则禁止自动静噪。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 AUDOUT:音频输出,可驱动5k的负载。MOSI:命令及数据信息的串行输入端。MIS0:状态信息的串行输出端。SCLK:串行时钟输入端,由SPI总线主设备
9、(一般为MCU)提供。:片选信号输入端,输入,低电平有效。当片选信号无效时,芯片处于待用状态,静态电流典型值为1A。SS实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 :中断输出端,漏极开路(OD)输出,低电平有效。在放音(包括快进)、录音操作过程中,遇到到段结束(EOM)、存储器末尾(OVF)时,引脚输出低电平并保持,直到SPI总线主设备向ISD芯片写入新的命令。RAC:行地址时钟输出端,漏极开路(OD)。每个RAC周期表示ISD存储器的操作进行了一行(ISD4003系列中的存储器有1200行)。该信号高电平时间为200ms,低电平时间为25ms。快进模式下,RAC的218.75s是高电
10、平,31.25s是低电平。该端可用于存储管理技术。INTINT实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 3控制命令及控制命令及SPI端口控制寄存器位端口控制寄存器位ISD4000系列语音芯片控制命令如表13-2所示,SPI端口控制寄存器位含义如图13-2所示。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 表表13-2 控控 制制 命命 令令 指 令5 位控制码操 作 摘 要POWERUP00100上电:等待 TPUD 后器件可以工作SETPLAY11100从指定地址开始放音。 必须后跟 PLAY指令使放音继续PLAY11110从当前地址开始放音(直至 EOM 或 OVF)SET
11、REC10100从指定地址开始录音。必须后跟 REC 指令录音继续REC10110从当前地址开始录音(直至 OVF 或停止)SETMC11101从指定地址开始快进。必须后跟 MC 指令快进继续MC11111执行快进,直到 EOM。若再无信息,则进入 OVF 状态STOP 0X110停止当前操作(C3 没有定义)STOPWRDN0X01X停止当前操作并掉电(C3、C0 没有定义)RINT0X110读 OVF 和 EOM 标志(C3 没有定义)实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 200ms25msOVFEOMP0P1P2P3P4P5P6P7P8P9 P10 000C4C3C2 C1
12、 C0 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0MISOMOSIMC(快进模式):1-允许;0-禁止IAB(是否忽略指令地址):1-忽略;0-使用PU(电源控制):1-上电;0-掉电P/R(放音/录音):1-放音;0-录音RUN(允许/禁止操作):1-开始;0-停止图13-2SPI端口控制寄存器位及含义实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 1) 放音过程放音过程(1)执行上电命令(POWERUP)。(2)延迟等待,上电结束(当采样频率为8kHz时,上电延迟时间约为25ms)。(3)执行“SETPLAY”命令,设置放音段起始地址。录音、放音段起始地址与每段
13、最短时间及放音长度有关。例如,对ISD4002-120芯片来说,最多有600段(段地址编号为000599),每段最短录音时间为200ms。如果每段记录一个单音,长度为400ms(即每个单音占用两段),则第n个单音对应的段地址为(n2)。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 (4)执行“PLAY”命令,从当前地址开始放音,遇到段结束标志EOM或存储器末尾标志OVF时停止放音,同时INT引脚输出低电平,指示当前段播放结束。当需要播放两段或两段以上时,如果段与段之间间隔很小时,可在上一段播放结束后,延迟一段时间(需通过试听确定延迟时间的长短,一般为数十毫秒)再播放下一段。放音过程如图1
14、3-3(a)所示。 在放音操作过程中,执行“STOP”或“STOPWRDN”命令时,将终止当前放音操作。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 2) 录音过程录音过程(1)执行上电命令(POWERUP)。(2)延迟等待,直到上电结束(当采样频率为8kHz时,上电延迟时间TPUD约为25ms)。(3)再执行上电命令(POWERUP)。(4)延迟两倍上电等待时间(即延迟2TPUD时间)。(5)执行“SETREC”命令,设置录音段的起始地址。执行“REC”命令,从当前地址开始录音,直到出现存储器末尾标志OVF信号。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 在录音过程中,未录到存
15、储器末尾时,就执行“STOP”或“STOPWRDN”命令,将终止当前录音操作,并产生EOM标志。因此,可利用这一特性在芯片上录制多段语音信息。可见,录音过程与放音过程相似,只是每次录音操作操作只能录一段,如图13-3(b)所示。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 YNYN开 始执 行 上 电 操 作 命 令(POWERUP)延 迟 等 待 (25ms), 直 到 上 电 结 束上 电 延 迟时 间 到 ?执 行 “SETPLAY”命 令设 置 播 放 地 址执 行 “PLAY”命 令INT有 效 ?继 续 播 放下 一 段 ?执 行 “STOPWRDN”命 令结 束段 间 延
16、迟YNN开 始执 行 上 电 操 作 命 令(POWERUP)延 迟 等 待 (25ms), 直 到 上 电 结 束上 电 延 迟时 间 到 ?再 执 行 上 电 操 作 命 令(POWERUP)延 迟 2倍 上 电 时 间上 电 延 迟时 间 到 ?执 行 “SETREC”命 令设 置 录 音 地 址执 行 “REC”命 令INT有 效 ?或 录 音 时 间 到 ?执 行 “STOPWRDN”命 令结 束YYNNY(a)(b)图13-3放音、录音流程(a)放音流程;(b)录音流程实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 4SPI总线接口时序及命令格式芯片支持8位、16位命令格式,传
17、输时序如图13-4所示,ISD4000系列语音芯片SPI总线参数如表13-3所示。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 表表13-3 ISD4000系列语音芯片系列语音芯片SPI总线参数总线参数 符 号参 数最小最大单位TSSS片选信号SS建立时间500nsTSSH片选信号SS保持时间500nsTDIS串行输入数据 DI 建立时间200nsTDIH串行输入数据 DI 保持时间200nsTPD输出延迟500nsTDF输出延迟到高阻态500nsTSSmin片选信号SS高电平时间1sTSCKhiSCLK 高电平时间400nsTSCKlowSCLK 低电平时间400nsF0SCLK 频率
18、1000kHz实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 MSBSCLKMOSIMISOSSTSSSTDISTDIHTCKlowTCKhiTSSHTSSminTDFTPDTPD(a)图图13-4 命令格式命令格式(a)传输时序;(b)8位命令格式;(c)16位命令格式实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 A8A9A10C0C1C2C3C4OVFEOMP0P1P2P3P4P5P6SCLKMOSIMISOSS(b)图图13-4 命令格式命令格式(a)传输时序;(b)8位命令格式;(c)16位命令格式实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 A0A1A2A3A4A5A
19、6A7A8A9A10C0C1C2C3C4OVF EOMP0P1P2P3P4P5P6P7P8P9XXXXXSCLKMOSIMISOSS(c)图图13-4 命令格式命令格式(a)传输时序;(b)8位命令格式;(c)16位命令格式实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 从ISD4000系列语音芯片SPI总线时序可以看出:其SPI总线时序与SPI总线接口存储器EEPROM25C01/02/04兼容。在接收控制命令时,先接收LSB(这要求SPI总线控制器先输出LSB);空闲时,SCLK为低电平,在SCLK上升沿锁存MOSI引脚上的信息。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 5典
20、型应用电路及与MCS-51的连接MCS-51芯片一般没有内置SPI总线部件,可通过软件方式模拟SPI总线操作时序控制ISD4000系列语音芯片的操作,典型连接线路如图13-5所示。实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 C409C410*C418P1.5P1.7INT0C405C404C406SS1MOSI2MISO3SCLK28VSSD4VSSA11VSSA12AUDOUT13AMCAP14ANAIN16ANAIN17VCCA18VSSA23RAC24INT25XCLK26VCCD27U401ISD400X236458 17U404LM386VCCC407RW401R411C41
21、3473C414SPEAKERVCC3.0VLED402R407R406MIC麦克风VCCR405C403R408T4028050T4038550R409P1.3C411C412P1.4R410C4081F0.1F0.1F10F0.1F0.1F22F22F0.1F220F4.7F10k4.7k4.7k10k1k10k4.7k1010nF图13-5与MCS-51芯片的典型连接实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 6参考驱动程序根据图13-5的连接方式,下面给出了与SPI模拟总线驱动程序、组合播放、从指定段连续播放、单段录音有关的参考程序段。MOSIBITP1.5MISOBITP1.
22、6SCLKBITP1.7ISDSSBITP1.4;片选信号MIC_CBITP1.3 ;功放电源控制,同时也作放音/录音标志(0-放音、1-录音)实验13 MCS-51与SPI串行接口语音芯片连接 ISDBUFDATA50H ;ISD语音芯片命令缓冲区;50H单元存放命令码(C4C0)及段高3位地址(A10A8);51H单元存放段低8位地址(A7A0)ISDBUFSPDATA52H;播放指针TASK3DATA53H ;语音播放状态,b2b0记录放音或录音状态ISDTIMEDATA54H;语音播放延迟时间XmtDatDATA60H ;段缓冲区RECNOEQU0F0H ;可录音的最小段号;初始化外中
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- MCS 51 SPI 串行 接口 语音 芯片 连接
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