ISD4004-16M - однокристальная система записи/воспроизведения речи. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Микроконтроллеры

 Комментарии к статье

По технологии, запатентованной компанией Information Storage Devices (ISD; с 1998 г. входит в состав фирмы Winbond Electronics Со), аналоговый сигнал, поступающий на соответствующий вход микросхемы ChipCorder, может быть сохранен в его естественной форме непосредственно в стандартном энергонезависимом СППЗУ (EEPROM) и ячейках Flash-памяти. Технология так называемого "ложного дифференцирования" заключается в том, что вместо хранения в ячейке одного из двух значений - 0 или 1 - сохраняется один из 256 уровней напряжения. Это дает существенное преимущество в емкости по сравнению с обычным способом хранения оцифрованного сигнала. К тому же такая технология записи и хранения речи не требует аналого-цифрового преобразования, что существенно упрощает схему законченного устройства на основе микросхемы.

Микросхемы ChipCorder для записи/воспроизведения речи могут работать от источников питания малой мощности. Это делает их идеально пригодными для создания легких портативных изделий, в том числе и с батарейным питанием.

Дополнительно, в качестве общих черт семейства, можно назвать режим AutoMute, обеспечивающий ослабление шума во время пауз, режим автоматического перехода в состояние ожидания по завершении цикла записи/воспроизведения (потребляемый ток в ждущем режиме 0,5 мА), использование энергонезависимой памяти, регулируемую продолжительность записи, возможность полной адресации через SPI или Microwire интерфейс.

Микросхема ISD4004-16M производит выборку с частотой дискретизации 4 кГц. Речевые выборки сохраняются непосредственно в энергонезависимой Flash-памяти на чипе без преобразования в цифровую форму и сжатия, характерных для других видов записи речи. Сообщение может храниться до 100 лет (типовое значение; испытания проводились по ускоренной методике расчетного эквивалента) без подачи электропитания. Кроме того, устройство может быть перезаписано свыше 100 000 раз. Прямая аналоговая память обеспечивает естественное звучание воспроизводимого голоса, музыки и звуковых эффектов. Максимальная длительность записи - 16 мин.

Структурная схема ISD4004-16M изображена на рис. 1. Как видно, в состав микросхемы входят генератор тактовых импульсов, микрофонный усилитель, фильтр защиты от наложения спектров, многоуровневый массив памяти, сглаживающий фильтр, устройство ослабления шумов в паузе и выходной усилитель 3Ч.

Четырехпроводный (SCLK, MOSI, MISO, SS) последовательный периферийный интерфейс (Serial Peripheral Interface - SPI) обеспечивает управление и адресацию. В системе с микроконтроллером микросхема работает как периферийное подчиненное устройство. Доступ для записи/чтения ко всем внутренним регистрам осуществляется через интерфейс SPI. Сигнал прерывания (INT) и внутренний регистр состояния используются только для чтения и установления связи.

Для минимизации шумов аналоговые и цифровые цепи в устройстве подключены к разделенным шинам питания, соответственно Ucca и Uccd- Номинальное напряжение питания - 2,85...3,15 В. Выводы общих проводов ("земель") аналоговой (Ussa) и цифровой (Ussd) частей в ISD4004-16M также выполнены раздельно. Нижняя часть кристалла подключена к Uss через сопротивление подложки. В миниатюрных модификациях (бескорпусных) кристалл присоединяется к области, связанной с Uss. или может оставаться "плавающим".

Аналоговый входной сигнал можно подавать в устройство либо в асимметричном режиме (рис. 2, а), либо дифференциальном (рис. 2, б). В первом случае сигнал подводят к аналоговому входу+ (ANA IN+), а вход- (ANA IN-) через разделительный конденсатор соединяют с шиной общего провода Ussa- Для высококачественного воспроизведения двойная амплитуда входного сигнала в этом режиме не должна превышать 32 мВ, что соответствует двойной амплитуде 570 мВ на выходе. Разделительный конденсатор на входе ANA IN+ вместе с полным входным сопротивлением этого входа, равным 3 кОм, определяет полосу пропускания по низшим частотам.

В дифференциальном режиме используют оба входа (ANA IN+ и ANA IN-). Для получения оптимального качества двойная амплитуда сигнала на каждом из входов в этом случае не должна превышать 16 мВ. Полное сопротивление входа ANA IN- составляет 56 кОм.

С вывода 13 (рис. 1) снимают звуковой сигнал, записанный в память ISD4004-16M. С нагрузкой этот вывод рекомендуется соединять через развязывающий конденсатор. Полное сопротивление нагрузки должно быть не менее 5 кОм. В рабочем режиме (при включенном питании) постоянное напряжение на выводе AUD OUT равно 1,2 В. При записи выход AUD OUT через резистор сопротивлением приблизительно 850 кОм соединяется с внутренним источником 1,2 В относительно аналоговой "земли". Нагрузка в этом режиме может быть подключена, но при этом не должно снижаться постоянное напряжение на выходе устройства.

Вывод SS (Slave Select) служит для выбора ведомого устройства. При подаче на этот вывод сигнала с низким уровнем ISD4004-16M выбирается ведущим для совместной работы с микроконтроллером.

MOSI - последовательный вход, по которому осуществляется передача данных из микроконтроллера. Данные в MOSI-строке устанавливаются за полпериода до прихода фронта синхроимпульса, также поступающего BISD4004-16M.

Вывод MISO - последовательный выход из устройства. Если устройство не выбрано (SS = 1), выход находится в высокоимпедансном состоянии.

Для приема синхроимпульсов от микроконтроллера, необходимых для синхронизации передачи данных в устройство (и из него) через шины MOSI и MISO, служит вывод SCLK. Данные записываются в ISD4004-16M во время действия фронта синхроимпульса, а при его спаде происходит сдвиг информации к следующему биту.

Сигнал на выводе INT (Прерывание) понижается и остается на низком уровне (лог. 0), если происходит переполнение (OVF) или маркер обнаружил "Конец сообщения" (ЕОМ). Этот вывод является выходом с открытым стоком. Каждая операция, которая заканчивается переполнением или имеет "Конец сообщения", генерирует прерывание, включая команду вызова циклов сообщения. В следующий раз прерывание будет очищено тогда, когда инициализирован новый цикл SPI. Состояние прерывания может читаться командой RINT.

Флаг переполнения OVF указывает, что аналоговая память в течение операции записи или воспроизведения достигла конца, а "Конец сообщения" (ЕОМ) устанавливается только в режиме воспроизведения, когда обнаруживается сигнал ЕОМ. Имеется восемь опций позиции флага "Конец сообщения" в одной строке (т. е. в ней может быть записано восемь разных сообщений).

Выход RAC (синхронизация адресной строки) также выполнен с открытым стоком. При записи на него подается сигнал с периодом 400 мс, когда происходит выборка сигнала с частотой 4 кГц. За указанный период производится запись только в одну строку памяти (всего таких строк 2400). Соответственно запись осуществляется в течение 350 мс, когда сигнал RAC имеет высокий уровень. При достижении конца строки сигнал RAC принимает низкий уровень на время, равное 50 мс. Циклограмма записи одной строки представлена на рис. 3.

В режиме "Вызов сообщения" (см. далее) высокий уровень на выводе RAC удерживается 218,76 мкс, а низкий уровень - 31,26 мкс. Типовые значения уровней синхросигналов RAC приведены в таблице параметров по переменному току фирменной документации.

Когда команда записи инициализирована впервые, на выводе RAC остается высокий уровень в течение дополнительного периода TRACL0. Это требуется для загрузки выборки и фиксации внутренних систем устройства. Вывод RAC может использоваться для управления техникой сообщения.

Вход внешних синхроимпульсов имеет внутреннее согласующее устройство. Приборы ISD4004-16M сконфигурированы на заводе для внутренней выборки входного сигнала на центральной частоте синхронизации с допускаемым отклонением ±1 % от указанной в технических характеристиках. Частота в пределах допуска поддерживается при любом значении в пределах расширенной промышленной температуры, а также в интервале рабочих напряжений, как определено в соответствующей таблице параметров по переменному току. При работе в индустриальном интервале температур рекомендуется регулируемое электропитание.

Если требуется высокая точность, то для выборки с частотой 4 кГц в устройство через вывод XCLK необходимо подавать синхроимпульсы с частотой следования 512 кГц. Для нормальной работы встроенных сглаживающих фильтров на фиксированной частоте тактовая частота должна быть достаточно стабильной. Скважность синхроимпульсов не критична, поскольку их частота сразу же делится на 2. Если же вход XCLK не используется, вывод 26 должен быть соединен с общим проводом.

Вывод AM САР используется для управления автоматическим шумопонижением. Последнее уменьшает уровень сигнала на 6 дБ, если он становится ниже установленного порога (при больших сигналах шумопонижение не включается).

Для нормальной работы системы шумопонижения вывод AM САР соединяют с общим проводом через конденсатор емкостью 1 мкФ. Этот конденсатор становится элементом внутреннего пикового датчика, который реагирует на амплитуду (пиковое значение) сигнала. Пиковый уровень сравнивается с установленным порогом, чтобы определить начало включения шумопонижения. Конденсатор также влияет на скорость, с которой шумопонижение изменяется по времени атаки в зависимости от амплитуды сигнала. При соединении вывода AM САР с шиной Ucca шумопонижение выключается.

Как отмечалось, ISD4004-16M использует последовательный SPI интерфейс. Протокол передачи данных предполагает, что сдвиговые регистры микроконтроллера синхронизированы по спаду сигнала SCLK. В ISD4004-16M данные фиксируются на выводе MOSI по фронту синхроимпульса. Получение данных с вывода MISO происходит по спаду синхроимпульса.

1. Все последовательные передачи данных начинаются по спаду сигнала на выводе SS.

2. Низкий уровень на этом выводе поддерживается в течение всей последовательной связи и переходит на высокий уровень между командами.

3. Входные данные фиксируются по фронту синхроимпульса, а выходные - по спаду.

4. Воспроизведение и запись производятся при низком уровне на выводе SS при подаче соответствующего кода операции и адреса в устройство ISD4004-16M.

5. Коды операций и поля адреса представлены восемью служебными и 16 адресными разрядами.

6. Каждая операция, заканчивающаяся сигналом "Конец сообщения" (ЕОМ) или "Переполнение", генерирует прерывание, включая команду "Вызов цикла сообщения". Прерывание очищается в следующий раз введением нового цикла SPI.

7. Поскольку данные прерывания сдвигаются без сохранения выдвигаемых разрядов в MISO, одновременно сдвигаются данные управления и адреса на выводе MOSI. Рекомендуется соблюдать осторожность, так как сдвинутые данные могут быть совместимыми с текущей системной операцией. Возможно чтение данных прерывания и запуск новой операции в пределах того же самого цикла SPI.

8. Операция начинается с установленного бита "Прогон" (RUN) и заканчивается его сбросом.

9. Все операции начинаются по фронту сигнала на выводе SS.

Команда "Вызов сообщения", позволяющая пользователю "перескакивать" через сообщения, если неизвестно фактическое местоположение интересующего, используется при воспроизведении. В этом режиме скорость прохода в 1600 раз больше, чем в обычном режиме воспроизведения. Остановка происходит тогда, когда маркер указывает "Конец сообщения". После этого внутренний счетчик адреса укажет на следующее сообщение. Если используется команда "Вызов сообщения" (МС), необходимо выполнить нижеуказанную процедуру, в противном случае вызов может быть не точным.

Процедура правильного вызова сообщения заключается в следующем. Перед выполнением или установкой команды "Вызов сообщения" (соответственно МС или SETMC) в устройство должна быть послана одна "холостая" (фиктивная) команда Stop. Такая команда состоит из набора служебных бит: "Прогон" = 0, "Воспроизведение/Запись" = 0, PU ("Включение питания") = 1, IAB ("Пропуск адреса") = 1, МС ("Вызов сообщения") = 0. Иными словами, шестнадцатиричное число 30 используется в устройстве как команда. После ввода команды "фиктивный" Stop могут выполняться одна или более команд МС или команда SETMC. Необходимости повторения команды "холостой" Stop до окончания следующей операции воспроизведения нет. Операционные коды представлены в табл. 1.

Последовательность включения питания. ISD4004-16M готова к работе через время TPUD (типовое значение при частоте дискретизации 4 кГц - приблизительно 50 мс). Необходимо подождать это время перед выдачей операционной команды. Например, для воспроизведения с адреса 00 должен использоваться следующий цикл программы:

1. Посылается команда POWERUP на включение питания.

2. Пауза на время TPUD (задержка включения питания).

3. Подается команда SETPLAY с адресом 00.

4. Посылается команда PLAY

В результате устройство начинает воспроизведение с адреса 00, и когда наступает "Конец сообщения", генерирует прерывание. После этого воспроизведение прекращается.

Цикл для осуществления режима записи:

1. Посылается команда POWERUP.

2. Пауза на время TPUD (задержка включения питания).

3. Подается команда POWERUP.

4. Посылается команда SETREC с адресом 00.

5. Посылается команда REC.

Устройство начинает записывать сообщение с адреса 00, и когда наступает переполнение (конец массива памяти), генерирует прерывание, после чего запись прекращается.

Упрощенная структурная схема порта SPI с описанием и указанием связанных с ним управляющих разрядов представлена на рис. 4, а и б.

Регистр управления SPI обеспечивает управление такими функциями устройства, как воспроизведение, запись, вызов сообщения, включение и выключение питания, начало и остановка операций, пропуск адреса. В табл. 2 представлены значения в разрядах регистра управления SPI и соответствующие им функции.

Временные диаграммы работы микросхемы ISD4004-16M при подаче управляющих команд (8 разрядов) и адреса (16 разрядов) форматом в 24 разряда изображены на рис. 5.

(нажмите для увеличения)

Диаграммы на рис. 6 иллюстрируют цикл записи/воспроизведения и останова.

(нажмите для увеличения)

Все временные показатели можно найти в уже упоминавшейся таблице параметров по переменному току.

На рис. 7 показана схема возможного варианта подключения микросхемы ISD4004-16M к распространенному микроконтроллеру PIC16C62A и интегральному усилителю мощности 3Ч LM4860M.

(нажмите для увеличения)

При разработке устройств с использованием ISD4004-16M следует помнить, что для надежной и безотказной работы ее следует питать стабилизированным напряжением, не выходящим за пределы 2,85...3,15 В. Выводы питания UCCA и UCCD, насколько это возможно, рекомендуется располагать в непосредственной близости от источника питания.

Вывод аналоговой "земли" USSA должен быть связан с общим проводом источника питания линией с максимально низким полным сопротивлением, а цифровая "земля" USSD - отдельной шиной с низким импедансом. Шины, соединяющие аналоговый и цифровой входы с общим проводом источника питания, должны быть достаточно большого сечения, чтобы гарантировать минимальное падение напряжения на них. При этом разность полного сопротивления шин не должна превышать 3 Ом.

Автор: А.Шитиков

Смотрите другие статьи раздела Микроконтроллеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Дети, растущие рядом с природой, обретают крепкие кости 02.03.2026

Влияние окружающей среды на здоровье человека становится все более очевидным, особенно в детском возрасте. Новое исследование, опубликованное в журнале JAMA Network Open, показывает, что близость к природе напрямую связана с крепостью костей у детей. Ученые установили, что у детей, чьи дома окружены природными территориями в радиусе 1000 метров на 25% больше обычного, риск развития крайне низкой плотности костей снижается на 65%. Для проведения исследования были проанализированы данные более 300 детей, проживающих в городских, пригородных и сельских районах Фландрии в Бельгии. Плотность костной ткани у детей в возрасте от четырех до шести лет оценивалась с помощью ультразвуковых методов. Такой подход позволил безопасно и точно измерить состояние костей на ранних этапах формирования скелета. При анализе учитывались ключевые факторы, влияющие на рост и развитие детей: возраст, вес, рост, этническая принадлежность и уровень образования матери. На основании этих параметров исследоват ...>>

Самовосстанавливающаяся инфраструктура будущего 02.03.2026

Современные мосты и бетонные конструкции по всему миру сталкиваются с проблемой устаревания и износа. Многие сооружения, построенные до 1980-х годов, постепенно теряют свою несущую способность, что требует дорогого ремонта или полной замены. Недавние разработки ученых из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий (Empa) предлагают инновационное решение - систему укрепления бетонных конструкций с помощью "умной стали", способной самостоятельно устранять трещины и повреждения. В основе новой технологии лежит арматура из сплава на основе железа с эффектом памяти формы (Fe-SMA). Этот материал обладает уникальным свойством: при нагревании до 190-200 °C стержни стремятся вернуться к своей первоначальной конфигурации. В бетонной конструкции это создает внутреннее напряжение, которое затягивает трещины и выравнивает деформированные элементы, существенно повышая прочность и долговечность сооружений. Актуальность разработки объясняется критическим состоянием инфрастр ...>>

Поцелуи полезны для здоровья 01.03.2026

Вопрос о том, как социальные связи и близость с партнером отражаются на здоровье человека, привлекает внимание не только психологов, но и специалистов в области микробиологии. Новое исследование показывает, что совместное проживание с любимым человеком может оказывать значительное влияние на микробиом кишечника и общее самочувствие. Доктор Наоми Миддлтон, клинический психологи и эксперт по здоровью кишечника, объяснила, что все аспекты совместной жизни - поцелуи, совместное питание, физическая близость и даже просто пребывание рядом - тесно связаны с поддержанием сбалансированной кишечной микрофлоры. Она подчеркивает, что здоровье экосистемы кишечника во многом определяется социальными взаимодействиями и повседневной близостью с другими людьми. По словам Миддлтон, длительное совместное пребывание с партнером может способствовать увеличению микробного разнообразия в кишечнике, а также снижать воспалительные процессы, связанные со стрессом. Такой эффект обусловлен тем, что микробио ...>>

Случайная новость из Архива Визуальные стимулы усиливают звук 20.02.2018 Новое исследование показало, что визуальные стимулы (например, отслеживание движений губ человека во время разговора) помогают мозгу воспринимать звуки, усиливая их. Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) обнаружили, что визуальная информация связана со слуховой на более фундаментальном уровне, чем полагалось ранее, вне зависимости от каких-либо сознательных или управляемых вниманием процессов. При восприятии одновременно двух этих видов информации, как сообщается в пресс-релизе на сайте NeuroscienceNews, слуховая кора - область мозга, ответственная за интерпретацию услышанного, - может усиливать звуки, которые как-либо коррелирует с тем, на что человек смотрит. Как отмечает ведущий автор работы доктор Дженнифер Бизли (Dr Jennifer Bizley), хотя слуховой кортекс сфокусирован на обработке звуков, практически четверть его нейронов реагирует на свет - это открытие было сделано еще десять лет назад и до сих пор ученые пытались понять причину такого строения данной мозговой области. В исследовании 2015 года Бизли вместе с коллегами обнаружила, что людям проще различить два звука, если они пытаются сфокусироваться на том, что происходит с визуальным стимулом во времени. В новой же работе специалисты предъявляли испытуемым одинаковые слуховые и визуальные стимулы, отслеживая при этом нейронную активность. Оказалось, что когда один из звуковых потоков изменял амплитуду параллельно с переменами в визуальном стимуле, большее число нейронов в слуховой коре реагировало на данный звук. "Смотря на другого человека, мы слышим его лучше не только потому, что можем распознавать движения губ, - отмечает Бизли. - Наше исследование показало, что это имеет преимущество и на более низком, базовом уровне, так как соответствие движений и звуков во времени сообщает слуховой коре, на какие из звуков реагировать с большей силой". По словам исследователей, результаты работы могут быть полезны при разработке специальных техник для людей с нарушением слуха. Кроме того, предполагается, что исследование также может помочь разработчикам слуховых или кохлеарных аппаратов.

Другие интересные новости:

▪ Глаза подскажут, какое число загадано

▪ Системная плата MSI B650M Project Zero

▪ Новая концепция интернета от AllSeen Alliance

▪ Аудиосистема Sony с поддержкой CarPlay

▪ Доктор в кармане

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Студенту на заметку. Подборка статей

▪ статья Съемка: Советы начинающим телевизионщикам. Искусство видео

▪ статья Чем занимаются жители высочайшего в мире города? Подробный ответ

▪ статья Валериана греческая. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Переговорное устройство Директор-Секретарь. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Одушевленная монета, отвечающая на вопросы. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026