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單聲道/立體聲錄放芯片MSM9841及其在數(shù)字語音錄放機(jī)中的應(yīng)用
摘要：MSM9841是日本OKI（沖）電氣半導(dǎo)體公司研制的單聲道/立體聲語音控制處理大規(guī)模集成芯片。文中介紹了該芯片的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、工作原理及其在數(shù)字語音錄放機(jī)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：錄放機(jī) MSM9841 FIFO
1 引言
MSM9841是日本OKI（沖）電氣半導(dǎo)體公司研制的帶有1kbitFIFO（先進(jìn)先出）存儲器的單聲道/立體聲語音控制處理大規(guī)模集成芯片。它可以很方便的同外部系統(tǒng)或非半導(dǎo)體存儲器進(jìn)行接口，且具有多種錄放模式。由于該芯片采用了較新的ADPCM2算法，因而可以保證非常高的語音回放質(zhì)量。MSM9841的錄音和回放功能可以由微處理器通過8/16bit的總線接口來進(jìn)行控制。MSM9841采用56腳QFP封裝，電源電壓為2.7V～5.5V，振蕩頻率為4.096MHz時(shí)的代樣頻率有以下值可供選擇：4.0 kHz、6.4 kHz、8.0 kHz、12.8 kHz、16.0 kHz、32.0 kHz（僅用于回放）；振蕩頻率為5.6448 MHz時(shí)，采樣頻率可以選擇22.05 kHz或44.1 kHz（僅用于回放）。MSM9841具有8/16bit總線接口和DMA接口且內(nèi)含低通濾波器、14bitA/D和D/A轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為16 kHz或更低；具有由用戶定義（256/512/1024bit）的FIFO存儲功能（當(dāng)使用8 kHz采樣頻率，4bitADPCM2/ADPCM算法，非立體聲模式時(shí)，其緩沖時(shí)間為32ms）；支持4種錄放壓縮算法，即4/5/6/7/8bit ADPCM2算法、4bit ADPCM算法、16 bit PCM算法和8bit非線性PCM算法；通過控制命令可實(shí)現(xiàn)8級音量控制（0dB～21dB）。
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2 引腳排列及功能
MSM9841的引腳排列如圖1所示，各引腳的功能如下：
D15～D8：對于8 bit總線接口，這些管腳可以通過命令被定義到外部存儲器的輸入輸出接口。否則，這些管腳只能定義為輸入管腳。對于16 bit總線接口，這些管腳可用作外部存儲器或微處理器的雙向數(shù)據(jù)總線。
D7～D0：到外部存儲器或微處理器的雙向數(shù)據(jù)總線。
WR：寫允許，低有效。
RD：讀允許，低有效。
CS：讀寫功能允許，低有效（低電平時(shí)，允許讀寫功能操作）。
D/C：當(dāng)該管腳為高電平時(shí)，語音數(shù)據(jù)可以從D0～D15引腳輸入或輸出。當(dāng)該管腳為低電平時(shí)，D0～D7引腳用于輸入控制命令或輸出狀態(tài)。
BUSY：當(dāng)處于錄音、回放、暫停狀態(tài)時(shí)，該管腳輸出低電平。
圖2
EMP：當(dāng)FIFO存儲器中無數(shù)據(jù)時(shí)該管腳輸出高電平，通過命令可使該管腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>
MID：當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)超過FIFO存儲空間的一半時(shí)，該管腳輸出高電平。在回放期間，MID為高電平時(shí)開始語音合成。通過命令可使MID由高電平變成低電平。當(dāng)不使用FIFO時(shí)，該管腳可為語音的輸入/輸出提供一個(gè)同步信號。
FUL/DREQR：當(dāng)FIFO存儲空間已滿時(shí)，該管腳輸出高電平。在回放期間，該管腳為高電平，F(xiàn)IFO中不能寫入數(shù)據(jù)。FUL/DREQR輸出的高電平可由命令輸入來將其改變成低電平。當(dāng)選擇DMA轉(zhuǎn)換和立體聲回放時(shí)，DREQR輸出高電平信號表示需要DMA轉(zhuǎn)換。DREQR輸出的高電平亦可由命令輸入平將其改變成低電平。
CH/DACKR：當(dāng)選擇立體聲回放且CH為高電平時(shí)，EMP、MID或FUL管腳輸出右移FIFO的狀態(tài)。當(dāng)CH為低電平時(shí)，EMP、MID或FUL管腳輸出左移FIFO的狀態(tài)。在錄音和單聲道回放時(shí)需將該管腳設(shè)置為低電平。當(dāng)選擇DMA轉(zhuǎn)換和立體聲回放時(shí)，該管腳為DACKR功能。在這種情況下，輸入DMA轉(zhuǎn)換應(yīng)答信號到DACKR。當(dāng)DACKR為低電平時(shí)，IOW信號被接受。DACKR輸出的低電平可由命令輸入來將其改變成高電平。
DREQL：當(dāng)選擇DMA轉(zhuǎn)換和立體聲回放時(shí)，DREQL輸出高電平表示需要DMA轉(zhuǎn)換。DREQL輸出的高電平可由命令輸入來將其改變成低電平。
DACKL：當(dāng)DMA控制器允許DMA轉(zhuǎn)換時(shí)，可輸入一個(gè)信號到DACKL端。如果DACKL為低電平，IOW和IOR信號將被接受。當(dāng)選擇立體聲回放時(shí)，可給DACKL端輸入左移FIFO的DMA轉(zhuǎn)換應(yīng)答信號。DACKL端的低電平可由命令輸入將其改變成高電平。如果不使用DMA轉(zhuǎn)換，應(yīng)將該腳置為高電平。
IOW：在DMA轉(zhuǎn)換時(shí)，該管腳為將外部數(shù)據(jù)寫入MSM9841的寫脈沖輸入管腳。如果不使用DMA轉(zhuǎn)換，將該引腳置為高電平。
IOR：在DMA轉(zhuǎn)換時(shí)，該管腳可作為MSM9841的讀脈沖輸入管腳。如果不使用DMA轉(zhuǎn)換，應(yīng)將該引腳置為高電
平。
圖3
ADSD：當(dāng)使用外部ADC時(shí)，該管腳為16bit串行數(shù)據(jù)輸入管腳，如果不使用外部ADC，則應(yīng)將該引腳置為低電平。
DASD：當(dāng)使用外部DAC時(shí)，該管腳為16 bit串行數(shù)據(jù)輸出管腳。
SIOCK：當(dāng)使用外部ADC或DAC時(shí)，該管腳為16 bit串行數(shù)據(jù)輸入/輸出的同步時(shí)鐘管腳。
XT，XT：外部振蕩器連接管腳，當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，可將外部時(shí)鐘輸入到該管腳。
VCK：錄音和回放時(shí)的輸出采樣頻率。當(dāng)用外部ADC或DAC時(shí)，VCK管腳的信號被用作同步信號。
RESET：復(fù)位管腳，低有效。
TESTO、TESTI：測試管腳，將該引腳置為低電平。
SG：模擬地輸出管腳。
MIN,LIN：內(nèi)部OP放大器的反相輸入端，同相輸入端內(nèi)部已連到信號地。
MOUT,LOUT：MOUT為內(nèi)部放大器到MIN的輸出端，LOUT為內(nèi)部放大器到LIN的輸出端。
AOUTL：內(nèi)部LPF（低通濾波器）左路模擬信號輸出端。它是回放信號波形輸出端，將該管腳連到放大器后可驅(qū)動揚(yáng)聲器。
AOUTR：內(nèi)部LPF（低通濾波器）右路模擬信號輸出端。它是回放信號波形輸出端，將該管腳連到放大器后可驅(qū)動揚(yáng)聲器。
DVDD：數(shù)字電源。在該管腳和數(shù)字地之間應(yīng)接一個(gè)0.1μF電容。
DGND,AGND：數(shù)字地和模擬地。
AVDD：模擬電源。在該管腳和模擬地之間應(yīng)接一個(gè)0.1μF電容。
3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
MSM9841的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由微處理器、定時(shí)控制器、音量控制器、ADPCM2/ADPCM/PCM分析器、ADPCM2/ADPCM/PCM/非線性PCM合成器、直接存儲器訪問接口、FIFO、ADC、DAC、LPF等部件構(gòu)成。
對MSM9841可采用二進(jìn)制編碼命令進(jìn)行控制，從而完成錄音、回放、停止、暫停、音量調(diào)節(jié)、DMA轉(zhuǎn)換、設(shè)置使用內(nèi)部或外部D/A、A/D、信號輸出模式選擇等功能。該控制命令的長度為8bit。
4 以MSM9841為核心的錄放機(jī)
基于MSM9841的錄放機(jī)電路如圖3所示，該錄放機(jī)采用雙CPU模式，以單片機(jī)AT89C52作為錄放音模塊的主控單元。鍵盤和液晶顯示模塊以AT89C2051作為主控單元，通過串口與錄放音模塊變換指令與數(shù)據(jù)。由于本錄放機(jī)未采用DMA方式，故MSM9841的DMA控制管腳均接高電平。MSM9841中D/C管腳的電平高低可決定數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)類型。當(dāng)D/C為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)總線上的信號為系統(tǒng)控制命令；當(dāng)D/C為高電平時(shí)，總線上的信號為語音數(shù)據(jù)。由于AT89C52是8位單片機(jī)，而MSM9841支持16位或8位數(shù)據(jù)總線，所以，在系統(tǒng)工作時(shí)，首先要利用MSM9841的控制命令將其設(shè)置為8位數(shù)據(jù)總線模式。
錄放機(jī)音頻輸出端采用音頻功率放大器LM386，其電路連接如圖4所示。當(dāng)電源電壓為+5V時(shí)，LM386輸出功率為300mW左右。MSM9841內(nèi)部有2個(gè)運(yùn)算放大器，可用于放大麥克風(fēng)的語音信號，每個(gè)運(yùn)算放大器對外提供反向輸入端和輸出端，而同向輸入端則在芯片內(nèi)部與模擬地相連。兩個(gè)運(yùn)算放大器可以級連，通過調(diào)節(jié)外部電阻阻值即可獲得所需的放大倍數(shù)。通過下式可調(diào)節(jié)VLO，以使其處于LOUT管腳所允許的電壓范圍內(nèi)：
VLO=(R4/R3)VMO=(R2R4/R1R3)VIN(V)
當(dāng)供電電壓為5V時(shí)，LOUT引腳所允許的電壓范圍為1～4V.LOUT管腳在芯片內(nèi)部與輸入低通濾波器相連，可用于去掉超過1/2采樣頻率的輸入頻率分量。這樣，就可滿足數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)所適用的奈奎斯特定理，然后送ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。放大電路通過隔直電容與麥克風(fēng)相連，隔直電容主要用于去掉低電平交流信號（約2～20mV）中的直流信號。整個(gè)音頻輸入電路如圖5所示。
整個(gè)刻錄機(jī)系統(tǒng)采用4片2M×8 bit的DRAM MSM5116800作為語音存儲介質(zhì)，在較高質(zhì)量的8kbps的采樣速率下，若采用4 bit的ADPCM2算法，4片MSM5116800能夠記錄的語音長度大約是4×1.024×2000×8/（8×4）=2048s。2M×8 bit的DRAM的地址總線共20位，分為高位地址（即A0～A8和A9R～A11R共12位構(gòu)成行地址Row address）和低位地址（即A0～A8共9位構(gòu)成的列地址Column address）,兩者通過分時(shí)復(fù)用共用9根地址線A0～A8，每片DRAM的尋址范圍為000000H～7FFFFFH，各片DRAM通過不同的CAS信號線來區(qū)別。DRAM有多種不同的讀寫模式和存儲單元數(shù)據(jù)刷新模式，在本系統(tǒng)中，由于所需要的數(shù)據(jù)率非常低，所以可采用最基本的讀寫模式，即先發(fā)送完整的地址信號（包括行地址和列地址），然后讀寫；而刷
新模式則采用cas-before-ras方式，并將刷新脈沖穿插到讀寫時(shí)序中間。
該系統(tǒng)通過接收鍵盤指令來完成錄放音的操作。錄音時(shí)，首先利用二進(jìn)制命令對MSM9841進(jìn)行初始化，具體內(nèi)容包括：設(shè)置語音合成方式為4 bit的ADPCM2算法；選擇采用內(nèi)部ADC；設(shè)置總線寬度為8位；不采用DMA方式；配置FIFO的大小，F(xiàn)IFO最大可配置為1024 bit；設(shè)置輸出數(shù)據(jù)的模式；設(shè)定采樣頻率為8.0 kHz。此采樣頻率可使語音音質(zhì)大大優(yōu)于電話的音質(zhì)。提高采樣頻率還可使音質(zhì)進(jìn)一步得到改善，但錄音時(shí)間也就相應(yīng)縮短；反之，較低的采樣頻率會增加錄音時(shí)間，但會降低音質(zhì)。
初始化完成之后即可發(fā)出控制命令10H（采樣頻率為8.0 kHz）來啟動錄音操作。在錄音的過程中當(dāng)FIFO中的語音數(shù)據(jù)超過FIFO存儲空間一半時(shí)，MID引腳將變?yōu)楦唠娖�，并產(chǎn)生外部中斷信號送至MCU（微處理器）的INT1端以使MCU產(chǎn)生中斷響應(yīng)，此時(shí)，MCU開始讀取FIFO中的語音數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)存到DRAM之中，讀取過程中還要查詢EMP端的狀態(tài)，以免FIFO讀空。
與錄音相同，放音時(shí)首先進(jìn)行同樣的初始化，然后發(fā)控制命令20H（采樣頻率為8.0 kHz）啟動放音操作。MCU開始從DRAM中讀取要播放的語音數(shù)據(jù)并寫入FIFO中，當(dāng)FIFO中的語音數(shù)據(jù)裝滿時(shí)，F(xiàn)UL引腳將變?yōu)楦唠娖剑a(chǎn)生外部中斷信號送至MCU的INTO端以使MCU產(chǎn)生中斷響應(yīng)，此時(shí)應(yīng)停止向FIFO寫入數(shù)據(jù)。
在MCU錄、放音的過程中，可根據(jù)鍵盤指令向MSM9841發(fā)出暫�；蛲Ｖ姑�，以暫�；蚪Y(jié)束錄、放音操作。同時(shí)利用液晶顯示器來顯示當(dāng)前正在執(zhí)行的操作及操作結(jié)果。通過鍵盤和液晶進(jìn)行人機(jī)交流可方便的實(shí)現(xiàn)多段語音的錄放操作以及音量調(diào)節(jié)等功能。
5 結(jié)束語
基于MSM9841的錄放機(jī)在使用較為滿意8kbps的比特率時(shí)，其錄放音時(shí)間大約為34分鐘。若需延長錄放音時(shí)間，可對存儲部分進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)使用廉價(jià)的DRAM作為語音存儲介質(zhì)，因此成本較低。整機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、人機(jī)交互界面友好、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而具有較好的應(yīng)用前景。如果將存儲部分的DRAM換成FLASH或鐵電存儲器，該機(jī)還可被廣泛地應(yīng)用于公交車報(bào)站系統(tǒng)、錄音電話、自動語音服務(wù)臺等領(lǐng)域。
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