【摘 要】针对ISD语音芯片的特点，以单片微机和ISD语音芯片为核心，设计一种电梯语音服务系统，实现电梯语音服务的智能化和自动化，以适应各种对服务要求比较高的电梯，具有较高的实用价值。
【关键词】ISD4004;语音系统;接口电路;放音
0.前言
近年来，语音电路发展极为迅速，在单片机系统中的应用越来越广。 语音接口作为输出口时，主要用于报告运行状态、运行结果、提示系统操作过程及故障报警。 随着城市文明化和现代化建设步伐的加快，对建筑物中电梯的服务要求也越来越高，人们越来越追求智能化、人性化的乘梯环境。 在电梯语音服务方面，目前主要是传统的人工服务，即通过电梯管理员告知乘客所要到达的楼层以及其他相关的服务信息。 本文以单片微机和 ISD 语音芯片为核心，设计一种电梯语音服务系统，实现了电梯语音服务的智能化和自动化，以适应各种对服务要求比较高的电梯中。
1.器件功能介绍
ISD4004 语音芯片采用 CMOS 技术 ，内含晶体振荡器 、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储陈列等，因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。 芯片设计是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通过串行通信接口(SPI 或 Micwire)送入。 采样频率可为 4.0kHz、5.3kHz、6.4kHz、8.0kHz 频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。片内信息存于闪烁存储器中，可在断电情况下保存 100 年(典型值)反复录 10 万次。 器件工作电压 3V，工作电流 25～30mA，维持电流 1uA，单片录放语音时间 8～16min，音质好，适用于移动电话机及其它便携式电子产品中。引脚描述 ISD4004 系列芯片引脚图如图 1 所示。
同相模拟输入(ANA IN+)—这是录音信号的同相输入端，输入放大器可用单端或差分驱动。 单端输入时，信号由耦合电容输入，最大幅度为峰峰值 32mV，耦合电容和本端的 3kΩ 输入阻抗决定了芯片频率的低端截止频率。
在差分驱动时，信号最大幅度为峰峰值 16mV。
反相模拟输入(ANA IN-)—差分驱动时，这是录音信号的反相输入端。 信号通过耦合电容输入，最大幅度为峰峰值 16mV，本端的标称输入阻抗为 56kΩ，单端驱动时， 本端通过电容接地。 两种方式下，ANAIN+和 ANA IN-端的耦合电容值应相同。
音频输出(AUD OUT)—提供音频输出，可驱动5Ω 的负载。
片选(SS)—此端为低，即选中 ISD4004 系列。
串行输入(MOSI)—此为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端，供 ISD 输入。
串行输出(MISO)—串行输出端，ISD 未选中时，本端呈高阻态。
串行时钟(SCLK)—ISD 的时钟输入端，由主控制器产生，用于同步 MOSI 和 MISO 的数据传输。数据在 SCLK 上升沿锁存到 ISD，在下降沿移出 ISD。誗中断(INT)—本端为漏极开路输出，ISD 在任何操作(包括快进)中检测到 EOM 或 OVF 时， 本端变低并保持。 中断状态在下一个 SPI周期开始清除，中断状态也可用 RINT 指令读取。
行地址时钟(RAC)—漏极开始输出。 每个 RAC 周期表示 ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004 系列中的存储器有 2400 行)。8kHz 采样频率的器件，RAC 周期为 200ms，其中 175ms 保持高电平，低电平为25ms。 快进模式下，RAC 为 218.75ms 高电平，31.25ms 为低电平，该端可用于存储管理技术。
外部时钟(XCLK)—本端有内部下拉元件，芯片内部的采样时钟在出厂前已调校，误差在+1%内，在不外接时钟时，此端必须接地。
自动静噪 (AM CAP)—1μF 电容构成内部峰值检测电路的一部分，检测出的峰值电平与内部设定的阈值作比较，决定自动静噪电路的工作与否。 大信号时自动静噪电路不衰减，静音时衰减 6dB。 同时，1μF 电容也影响自动静噪电路时信号幅度的响应速度，本端接 VCCA则禁止自动静噪。
2.电梯语音系统的设计
2.1 系统原理电路 本系统是指安装在电梯内的放音电路， 不包含录音部分。 在实际应用中，将对方需要播音的内容事先录制到语音芯片中(每一层楼对应一段语音服务，按楼层从低到高的顺序录音)，电梯运行时，本系统便可实现自动的语音播报服务。 各楼层信号通过信号采集系统从电梯控制面板中引出，经过隔离系统，进入单片机。电源部分从电梯内部引入 220V 交流电源，通过电源模块和电压调节模块分别为单片机和语音芯片提供 5V 和 3V 电压。 语音芯片输出的音频信号通过功放电路输出至外部。 系统总体结构如图 2 所示。
2.2 单片机与 ISD 芯片接口电路 该电梯语音系统的控制和放音部分主要由 AT89C51 单片机和 ISD4004 语音芯片构成， 其中单片机和语音芯片的接口设计如图 3 所示:
从图 3 中可以看出，单片机和 ISD4004 之间的连线较少。 P1.0 接ISD4004 的片选引脚/SS, 控制 ISD4004 是否选通;P1.1 接 ISD4004 的MOSI 串行输入引脚， 语音芯片从该引脚读入放音的地址;P1.2 接 ISD的串行输出引脚 MISO，单片机从该引脚接收从语音芯片传来的信号;单片机 AT89C51 的 P1.3 接 ISD4004 的串行时钟输入端 SCLK， 作为ISD 的时钟输入，用于同步 MOSI 和 MISO 的数据传输;P1.4 接 ISD 芯片的中断引脚/INT,接收从语音芯片发来的 EOM 信号，获得语音段结束信息控制其放音或快进操作;ISD4004 音频信号输出引脚 AUDOUT 通过一滤波电容输出至外部功放。
本系统是针对播报 20 层楼的情形设计的， 通过信号采集系统从电梯控制面板内主要取出了三类信号:楼层信号，上下行信号，关门信号。 其中 F1 至 F20 便是楼层信号，UP 和 DOWN 分别为上行和下行信号，CLOSE 为关门信号，这些信号经过隔离处理后进入单片机。
3.软件设计
按照前面的分析和硬件原理图，软件部分的任务主要是找出将要进行语音播报服务的楼层和在找到楼层后在合适的时候进行放音。软件流程包括以下步骤
(1)初始化，取定当前楼层;
(2)扫描电梯面板，并量化存储用户选取的所有目标楼层信息;
(3)为存储的目标楼层数据排序;
(4)判断是否存在有效的目标楼层信息 ，若判断结果为否 ，则返回步骤(2);
(5)若步骤(4)中的判断结果为是 ，检测是否有关门信号 ，若检测结果为否，则返回步骤(2);
(6)若(5)中检测的结果为是，判断电梯是上行还是下行;
(7)保存判断所述的电梯最近目标楼层;
(8)调用选音播放子程序;
(9)保存已经播放语音的电梯最近目标楼层为当前楼层。
对于 ISD4004 而言，由于两次要放音的内容在存储器里不一定是相邻的两段，所以涉及到对语音芯片的分段提取语音的控制，而不只是简单的放音操作。 对于这种情况，如果在知道每一语音段首地址的情况下，可以直接采用“发送该段首地址并从当前地址开始放音”的命令来实现，由于在实际录音过程中，录音设备不一定提供每一语音段的物理地址(一般只是显示对应的段数)，所以在提取楼层对应的语音段的问题上，就必须采取另外的方法，在这里我们是采取控制语音芯片连续快进的方式来实现的。 因此，选音播放子程序包括下列步骤:
(1)根据电梯最近目标楼层设置快进次数计数器;
(2)从首地址处开始快进一次(本系统一楼不要求语音服务);
(3)向语音芯片发送从当前语音段地址开始快进的命令;
(4)检测是否到达电梯最近目标楼层的语音段地址，若否则返回步骤(3);
(5)若步骤(4)中的检测结果为是，则播放语音。
4.结束语
本文介绍基于 ISD4004 单片机的电梯语音系统,经测试，整个系统工作稳定，功耗小，音量可调，输出的语音清晰，音色优美，实现了电梯语音服务的智能化和自动化。
【参考文献】
[1]高红亮，周晟，陈炜，一种智能电梯语音系统的设计：《可编程控制器与工厂自动化》.
[2]杨海东,陈高平，ISD4004-16M 语音芯片的循环录放电路设计，《单片机与嵌入式系统应用》,2004 年第 12 期.
