基于FPGA的ISD語音芯片的設計開發

【摘　要】　簡述了ISD語音芯片，重點介紹了基于現場可編程門陣列（FPGA）開發設計ISD語音芯片的實現方法。
??? 關鍵詞：FPGA，Verilog HDL，層次設計方法，直接地址操作

1　引　言

　　FPGA（現場可編程門陣列）的出現，改變了數字系統設計方法、增強了設計的靈活性，同時，在基于芯片的設計中可以減少芯片數量，縮小系統體積，降低能源消耗，提高系統的性能指標和可靠性，在實時監控方面有廣泛的應用。
　　ISD語音芯片采用DAST（直接模擬存儲技術），直接存儲模擬信號，因而減少了失真，提高了錄、放音質量，本文所用的ISD2560系列具有抗斷電、音質好、使用方便、錄放時間長等優點。然而，在產品應用中，大多數系統只利用了ISD芯片提供的無需地址的工作模式（共有6種），這些操作模式實時性差、地址控制精度不高、操作不靈活。本文從另一個角度論述了基于FPGA的ISD語音芯片的設計開發。

2　ISD語音芯片

　　ISD語音芯片目前有ISD1000、ISD1100、ISD1200／1400、ISD2500、ISD3340和ISD4000系列，本設計采用的是2500系列中的ISD2560芯片。ISD2560具有10個地址輸入端，尋址能力可達1024位，前600個地址用于直接存取語音，地址600～767未使用，地址768～1024為工作模式選擇用，因此最多能分600段；設有OVF（溢出）端，便于多個器件級聯；單片存儲時間為60秒，直接存儲模擬語音信號。
　　ISD芯片的地址以信息段為基本組成單元，只要在分段錄、放音操作前（不少于300ns），給地址A0～A9賦值，錄音及放音功能均會從設定的起始地址開始，錄音結束由停止鍵操作決定，芯片內部自動在該段的結束位置插入結束標志（EOM）；而放音時芯片遇到EOM標志即自動停止放音。

3　硬件構成及實現方案

　　利用FPGA的可編程特性實現對ISD2560芯片的直接地址操作，從而實現按地址位錄音、放音的功能，提高芯片存儲空間的利用率，并能自由選擇存儲地址；本文選擇XILINX（全球最大的可編程器件供應商）的Spartan XL系列芯片，利用VerilogHDL語言編程設計，采用層次設計方法實現。
　　Verilog HDL是一種硬件描述語言，用于從算法級、門級到開關級的多種抽象設計層次的數字系統建模。數字系統能夠按層次描述，并可在相同描述中顯式地進行時序建模。
3．1　設計思路
　　ISD2560芯片存儲時間是60秒，內部有480K字節的EPROM存儲單元，劃分為600個地址單元，可以算出對于每一個地址單元的存儲空間是480K÷600＝800字節，對應的錄放時間是100ms；同時，ISD2560內部的地址位從0～599對應這600個地址單元，其它地址位則在操作模式或按鍵模式中使用。可見，芯片內部上下段之間在存儲空間上不　　連續，但在地址上具有連續性。所以，ISD芯片內部的地址可采用定時計數器的方法獲得，并可采用直接地址法提取此地址段，實現實時控制、自由存儲。3．2　系統總體結構設計（頂層設計）
　　基于FPGA的ISD2560語音芯片的設計開發主要完成兩個功能：（1）觸發或停止FPGA內部定時計數器計數，并將計數結果存入FPGA的內部存儲器中；（2）利用直接地址法，提取用于ISD芯片錄、放音所需地址。
　　本系統是基于XILINX FOUNDATION 3．0平臺開發的，其框圖如圖1所示，其中：
　　RECORD模塊用于處理錄音和停止錄音的操作，產生觸發或停止定時計數器的信號以及錄音時片選信號；
　　TIME模塊利用FPGA的內部時鐘模塊最高頻率產生頻率為10Hz的信號作為計數器的時鐘；為了提高系統的精確性，也可以通過外加時鐘的辦法實現。
　　COUNTER模塊為定時計數器，它利用周期為100ms的時鐘脈沖，根據錄音長短算出ISD芯片地址位，并發送到存儲器，其Verilog HDL語言編程實現如下：

??? P／R模塊產生整個電路錄、放音的選擇信號；PLAYADDR模塊完成放音地址的產生；
　　PLAY模塊將在放音時產生一個由高到低的脈沖作為片選信號；
　　ROM10模塊完成了存儲器的功能，存儲10位ISD芯片地址，并按照PLAYADDR產生的地址直接提取ISD芯片地址，其Verilog HDL語言編程實現如下：
??? module roml (addr,play,addrl,result,dataout,

??? U7模塊由P／R模塊的輸出信號來選擇輸出。

3．3　系統實現
??? 工作時序如下：
　　錄音：PD低電平，P／R低電平，CE低電平，開始錄音，CE變高電平，錄音停止。放音：PD低電平，P／R變高電平，給CE一個由高到低的脈沖，開始放音，到第一個EOM處放音停止。放音時，若給CE低電平，則芯片持續放音，直到芯片存儲空間末尾。如圖2所示（圖2為經綜合后的時序仿真結果）。
3．4　FPGA的實現
　　本設計選用XILINX公司FPGA產品S05XLPG84。整個設計采用Verilog HDL語言描述，在XILINXFOUNDATION 3．0平臺上完成了系統的仿真、綜合、映射、布局。在后仿真結果正確后，通過器件編程（即通過編程電纜將設計下載到實際芯片中）進行系統調試，直至最后實現。
　　在實踐過程中，我們還設計了譯碼器，將地址碼譯成LED碼，從而通過三個LED顯示地址位。可見，實際應用中還可以根據實際需要做進一步的設計開發，滿足復雜操作或實時系統應用的要求。