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语音录放芯片ISD5116特点及应用

作者:衣军

ISD5116是ISD公司最新推出的语音录放芯片。它除了具有该公司以往4000和5000系列语音芯片的特点（音质好、语音录放时间长、低功耗、信息保持时间长等）以外,更是采用了增强型的5000系列结构;它采用I2C串行总线接口,与采用MWI（微总线）接口相比,与CPU的接口减少到2条线;它增加了对数字量的存储功能,可以将诸如电话号码、系统设置、语音地址指针等参数与语音信息一起存储在芯片内部;根据应用系统的要求,通过软件设定采样频率,可使芯片录放音时间最长达到17'28"。

一、芯片封装形式及引脚功能

ISD5116采用TSOP和SOIC的封装形式（见图1）,还可根据需要提供BGA形式封装。芯片的引脚根据功能分为数字、模拟和电源三部分。

数字部分：

SCL：I2C总线时钟信号线。

SCD：I2C总线数据信号线。

RAC：行地址时钟信号输出。

INT：中断信号输出端。当发生溢出（OVF）或遭遇到语音结束（EOM）标志时,该端变低并一直保持低电平状态,直至用"读状态"指令将其清除为止。

XCLK：外部时钟输入端。一般采用片内时钟,只需将此端与VSSD 相连;如必需外接时钟,则此端接一个4.096MHz的时钟源。

A0、A1：芯片I2C总线的从地址设置端。由于采用8位地址,而且最低地址位是读/写选择位（二进制形式为：1 0 0 0 0 A1 A0 ）,故芯片的地址为80~87H。

模拟部分：

MIC 、MIC-：麦克风信号输入端。

ANA OUT 、ANA OUT-：语音信号输出端（注意：不使用此端时,不要将其接地）

ACAP：片内"自动增益控制器"电容接入端。一般接一个4.7F电容

SP 、SP-：外接扬声器端口。5116可以直接驱动一个8　扬声器,此时最大功率为23.5mW。

AUX OUT：语音信号辅助输出端。
ANA IN：语音信号输入端。
AUX IN：语音信号辅助输入端。

电源部分：
VCCA、VCCD：模拟和数字部分 3V电源输入端。
VSSA、VSSD：模拟和数字电源接地端。

NC：无需连接端。

二、芯片结构

1.内部寄存器

5116内部具有多个用于储存地址、芯片设置等信息的寄存器。其中两个16位的芯片"设置寄存器"（CF0、CF1）控制着芯片内部各部分的功能,如声音信号的流通路径、采样频率、各种增/减率、各功能块上电/掉电以及音量设置等等。

2.存储器的组织形式

语音信息和数字量均存储在芯片内部的闪存存储器中。5116的存储器由2048行（或页）、每行（或页）2048位共4194304位的阵列组成。
存储语音信息时,行是最小可寻址单位。总共2048个行通过11位地址选定。以8KHz采样频率为例,每行的录放音时间为256ms,因而芯片的记录时间为2048€?56(ms)=8'44。存储数字量时,每页的2048位被组织成32个“块”,每个块为64位,块为最小可寻址单位

注意：每个行（或页）要么是全部记录语音,要么是全部记录数字量,不能混合记录。

状态字

芯片进行操作前,有时需要了解其当前的状态,这一般通过读取芯片的"状态字来实现。5116的状态字是一个8位字节。

命令字

使芯片实现上电、开始或停止录音、信息查找等功能,需向其写入一"命令字。5116的命令字为一8位字节。

三、芯片的应用

1.硬件接口说明

由于采用I2C总线,因此5116与具备此类总线的CPU（如80C552等）的接口非常简单。

通过设置不同的从地址（A1、A0）,可将多达4片5116同时挂到总线上,这样一来总的录放音时间最长可达69分钟。

由于芯片内部集成了放大、驱动和自动增益控制等电路,因此只需外接MIC和扬声器就可实现语音录放,无需其它外围器件。

2.软件设计要点

录音、放音——录音时应首先对CF0和CF1进行设置,以打开相应的通路、设置采样频率等。

如果是对MIC信号进行录音（假设采样频率为4.0KHz）,CF0、CF1应设置为：

CF0<15:0>=0010 0100 0010 0001B (2421H)

CF1<15:0>=0000 0001 0100 1100B (014CH)

如果对ANA IN信号进行录音（假设采样频率为6.4KHz）,CF0、CF1则应设置为：

CF0<15:0>=0100 0100 0000 1011B (440BH);

CF1<15:0>=0000 0000 1100 0101B (00C5H)。

然后是向芯片发录音命令,可使用 RECD @ADDR命令（91H）,此时应依次向芯片发送：

芯片地址（8位）→录音命令（91H）→录音起始地址（高8位）→录音起始地址（低8位）。

放音时,先将CF0和CF1（假设采样频率为4.0KHz）设置为：

CF0<15:0>=0010 0100 0010 0010B (2422H)

CF1<15:0>=0101 1001 1101 1101B (59DDH)

然后依据放音命令PLAY @ADDR （A9H）的要求依次向5116发：

芯片地址（8位）→放音命令（A9H）→放音起始地址（高8位）→放音起始地址（低8位）。

需要指出的是,由于5116在录放语音时,只能寻址到行,因此上述关于录音和放音的起始地址只有高11位（即ADDR<15:5>）有意义。

写数据、读数据及擦除 —— 5116允许将其存储器的部分页用于储存数字量（页数多少可依据需要决定）。在储存数字量时（写数据）时,最小可寻址的单位是“块”（64位）。由于5116有2048页、每页有32个块,故需要16位的地址（高11位为页地址,低5位为块地址）来指定块。

如果页中的任意一个块已经被写入过,则在改写该块前应先擦除该页（注意：擦除是以页为单位进行的）。一般的作法是：先读取整个页并将其放在RAM中,然后更改相应块的位、擦除页,最后一步是重写整个页。

写数据时,可采用下列I2C命令次序：

发芯片地址→发写命令（C9H）→地址高8位→地址低8位→数据（8位€?次）。

数据时,由于要先向芯片写"读数据命令,故相对写数据要复杂一些。具体可采用下列I2C命令次序：

发芯片地址（位R/W =0）→发读命令（E1H）→地址高8位→地址低8位→发芯片地址（位R/W =1）→读数据（8位€?次）。

源自《世界电子元器件》第1期