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TMS320VC5402 DSP与ISD4004语音录放芯片
摘要：根据语音录放芯片ISD4004的接口特点，设计了其与TMS320VC5402 DSP的SPI接口电路。完成了DSP对ISD芯片的通讯与接口控制编程，并给出了实际应用中的一种ISD4004信息管理方法：信息地址表（MAT）。关键词：DSP 语音录放芯片 ISD4004 SPI接口 MAT
许多类型的语音录放应用要求具备信息管理的功能，即能够随着地录、放、删除任意一段信息。而许多语音录放系统并不能很好地满足这种要求，如磁带录音系统。ISD4004语音录放芯片提供了SPI微控制器接口，使得语音录放的信息管理成为可能。本文将详细阐述TMS320VC5402 DSP与ISD4004的SPI接口设计及其控制操作，同时设计适合应用的信息管理方法。
ISD4004语音录放芯片工作电压为3V，单片录放时间为8～16分钟。芯片设计使得所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口SPI送入。芯片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内烁存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。采样频率可为4.0k、5.3k、6.4k、8.0kHz，频率越低，录放时间越长，但音质有所下降。
TMS320VC5402是美国TI（德州仪器）公司推出的一款高性能的定点DSP，最高频率为100MHz，内部提供16K的存储空间。它提供的多信道缓冲串口（McBSP）可以设置为SPI工作方式，从而使得DSP与ISD4004的接口设计成为可能。
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1 接口设计
DSP作为SPI（串行外设接口）的主器件（Master），负责为ISD4004提供串行时钟、片选信号以及控制ISD4004的动作信号。接口电路如图1所示。
1.1 SPI
SPI协议是一个同步串行数据传输协议，协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作。ISD4004工作于SPI工作模式。因此对于ISD4004而言，在时钟上升沿锁存MOSI引脚的数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。ISD4004与DSP通讯协议的具体内容如下：
（1）所有串行数据传输开始于SS下降沿。
（2）SS在数据传输期间必须保持低电平，在两条指令之间则保持高电平。
（3）数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。
（4）SS变低时，输入指令和地址后，ISD才能开始录放操作。
（5）指令格式是8位控制码加16位地址码。
（6）ISD的任何操作（含快进）如果遇到EOM（信息结束标志）或OVF（溢出），则产生一个中断，该中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。
（7）使用“读”指令使中断状态位移出ISD的MISO引脚时，控制及地址数据也应同步从MOSI端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。
（8）所有操作在运行位（RUN）置“1”时开始，置“0”时结束。
（9）所有指令都在SS上升沿开始执行。
1.2 ISD4004与DSP的SPI时序配合
根据ISD4004的时序要求，DSP设置串口为SPI工作模式，发送数据先于串行时钟半个周期建立、数据在时钟上升沿发送。由图2可知，ISD接收命令字的方式是先地址后命令，且位序从低到高；而DSP发送数据方式是先高位后低位，故在DSP发送程序中须将待送地址和命令进行高低位对调。
图2 ISD控制命令字时序图
串行时钟（SCLK）由DSP主时钟产生。在DSP运行于10MHz时，设置时钟分频因子为255，得到约40kHz的串行传输时钟，适应ISD4004相对慢速的要求。DSP串口SPI方式数据传输时序如图3所示。
ISD4004的RAC管脚（行地址时钟）用于指示录放操作已经接近一行的末发展。RAC在行末前25ms变低，在到达行末时变高，DSP将它作为中断INT3的中断源，指示录放操作进行到何处；INT管脚在遇到EOM标志和OVF溢出时向DSP发中断，DSP将它作中断INT2的中断源，用来指示是否到达一段信息的末尾。按下NUM键触发INT1中断开始录音，按下STOP键触发INT0中断终止录音。放音时按下NUM即开始，遇以语句EOM时自动停止放音。
1.3 接口软件设计
DSP对ISD的控制是通过SPI接口实现的，因此DSP的McBSP必须设置为符合ISD控制命令时序要求的SPI工作模式。下程序段完成了McBSP的SPI模式设置（单帧数据为24bit，串行时钟上升沿发送数据，时钟频率为40kHz）：
stm SPCR1,McBSP1_SPSA
stm #0000h,McBSP1_SPSD ;Reset接收
stm SPCR2,McBSP1_SPSA
stm #0000h,McBSP1_SPSD ;Reset发送
stm SPCR1,McBSP1_SPSA
stm #1800h,McBSP1_SPSD ;CLKSTP=11,数据提前半个周期
stm RCR1,McBSP1_SPSA
stm #0080h,McBSP1_SPSD ;RWDLEN1=100，每帧数据24bit
stm RCR2,McBSP1_SPSA
stm #0001h,McBSP1_SPSD ;RDATDLY=01
stm XCR1,McBSP1_SPSA
stm #0080h,McBSP1_SPSD ;XWDLEN1=100,发送数据每帧24bit
stm XCR2,McBSP1_SPSA
stm #0001h,McBSP1_SPSD
stm SRGR1,McBSP1_SPSA
stm #00ffh,McBSP1_SPSD ；CLKGDV=0xFF,SPI的时钟=DSP时钟/256
stm SRGR2,McBSP1_SPSA
stm #2000h,McBSP1_SPSD
stm PCR,McBSP1_SPSA
stm #0a08h,McBSP1_SPSD ;CLKXP=0,CLKXM=1,FSXM=1,FSXP=1
stm SPCR2,McBSP1_SPSA
stm #0040h,McBSP1_SPSD ;GRST=1
nop
nop ;等待两个周期
stm SPCR1,McBSP1_SPSA
stm #1801h,McBSP1_SPSD ;设定RRST=1，开始接收数据
stm SPCR2,McBSP1_SPSA
stm #0041h,McBSP1_SPSD ；设定XRST=1，开始发送数据
DSP中断服务程序、命令字发送程序以及信息管理程序在此不多述。
2 信息管理
在采用本模块的拟人机器人语言交互系统中，若干条语音按顺序分别被录入到芯片，并将期编程为1、2、3等。DSP可以通过SPI接口获得每次录音结束时的ISD内部信息指针，据此构建一个信息地址表（MAT），并将此表存入Flash Memory中，作为以后录放、删除操作时信息管理的依据。
ISD4004内部存储器分为2400行，每行1600列。对器件寻址即选择一行，从行首开始录放，而每行中的列不可寻址。对于8kHz采样率的ISD4004，采样间隔为125μs。器件地址分辨率可按如下计算：
(1/Fs)×1600=200ms
2.1 MAT
由于ISD4004内部可寻址多达2400行，而每行固定存储200ms语音，为了可录放、删除任意长度的语音，有必要建立MAT。MAT跟踪每一条语音的开始地址以及每一个信息碎块的开始结束地址。ISD4004共2400行，实际只需要12位地址即可完成寻址。为节省MAT存储空间，将地址最高位bit15作为语音起始点标志。建立MAT的规则如下：
（1）MAT表项值全为0（0000 0000 0000 0000）：表示对应行未存储任何语音；
（2）MAT表项值的bit15为1（1XXX XXXX XXXX XXXX），表示对应的是某句语音的起始行；
（3）MAT表项值的bit15为0，其余各位是有效地址（0XXX XXXX XXXX XXXX），表示对应的行是某句语音的一行，但不是起始行；
（4）ISD的第一行总是某句语音的起始行。
同一句语音的地址在MAT中总是连续存储的。由若干行组成的句语音，它的各行地址总是从小到大，但不一定两两相连。以行地址为表项的MAT，所要求的存储空间是较大的。本例中为2400行语句，则要求MAT具有2400个表项。为了减小MAT大小，也可对语音进行分块。若8以位为一个语音块，则MAT大小减小为300个表项。经过几次录音和删除手，建立的MAT如表1所示。
表1 MAT实例
2.2 信息管理操作
放音时，DSP从MAT表头开始搜索bit15为1的表项。要播放第几条语句，则寻找第几个bit15为1的表项。由于RAC的周期和器件的行相同，且其低脉冲时间长达25ms，在播放当前行语音的同时，RAC触发DSP的INT3中断。INT3中断服务程序验证下一行bit15是否为1，若不为1则将该行地址送入ISD，则输入的地址不会立刻生效，而是在缓冲器中等待当前结束；若为1则指示下一行为新语句开始地址，DSP不送任何指令。放音遇到EOM或者OVF时产生INT中断，停止放音。
录音时，按NUM键启动录音操作，DSP首先找出MAT中的个全0行，发录音指令；在录制当前行的同时，DSP等待RAC信号触发INT3中断，中断服务程序继续寻找全0行、发带该行地址的录音指令，直到按STOP键触发INT0中断发录音停止命令为止。删除语音可通过将相应语音行全置零来完成。
本文详细阐述了TMS320VC5402 DSP与ISD4004语音录放芯片的SPI接口设计、ISD4004的语音信息管理以及DSP与ISD4004之间的通讯与控制程序算法的设计。该模块作为拟人机器人语音互系统的语音应答模块，可以对机器人识别的命令语音进行相应的实时应答。
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