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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK ISD4004-16M ist ein Ein-Chip-Sprachaufzeichnungs-/-wiedergabesystem. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Mikrocontroller Mithilfe der von Information Storage Devices (ISD; seit 1998 Teil von Winbond Electronics Co.) patentierten Technologie kann das am entsprechenden Eingang des ChipCorder-Chips ankommende analoge Signal in seiner natürlichen Form direkt in einem standardmäßigen nichtflüchtigen EPROM und Flash-Speicher gespeichert werden Zellen. Die Technologie der sogenannten „falschen Differentiation“ besteht darin, dass statt einer von zwei Werten in einer Zelle – 0 oder 1 – einer von 256 Spannungspegeln gespeichert wird. Dies bietet einen erheblichen Kapazitätsvorteil gegenüber der herkömmlichen Methode zur Speicherung eines digitalisierten Signals. Darüber hinaus erfordert diese Technologie zum Aufzeichnen und Speichern von Sprache keine Analog-Digital-Umwandlung, was den Entwurf eines kompletten Geräts auf Basis einer Mikroschaltung erheblich vereinfacht. ChipCorder-Chips für die Sprachaufzeichnung/-wiedergabe können mit stromsparenden Netzteilen betrieben werden. Dadurch eignen sie sich ideal für die Herstellung leichter, tragbarer Produkte, auch batteriebetriebener. Als gemeinsame Merkmale der Familie können wir außerdem den AutoMute-Modus nennen, der für eine Rauschunterdrückung in Pausen sorgt, einen automatischen Übergang in den Standby-Zustand am Ende des Aufnahme-/Wiedergabezyklus (Stromverbrauch im Standby-Modus 0,5 mA), der Verwendung eines nichtflüchtigen Speichers, einstellbare Aufzeichnungsdauer, volle Adressierungsfähigkeit über SPI- oder Microwire-Schnittstelle. Der ISD4004-16M IC tastet mit einer Abtastrate von 4 kHz ab. Sprachproben werden direkt im nichtflüchtigen Flash-Speicher auf dem Chip gespeichert, ohne dass die mit anderen Arten der Sprachaufzeichnung verbundene Digitalisierung und Komprimierung erforderlich ist. Die Nachricht kann ohne Stromversorgung bis zu 100 Jahre lang gespeichert werden (typisch; getestet mit der beschleunigten Entwurfsäquivalentmethode). Darüber hinaus kann das Gerät über 100 Mal neu beschrieben werden. Der direkte analoge Speicher sorgt für natürlich klingende Stimme, Musik und Soundeffekte. Die maximale Aufnahmedauer beträgt 000 Minuten. Das Blockdiagramm von ISD4004-16M ist in Abb. dargestellt. 1. Wie Sie sehen können, enthält die Mikroschaltung einen Taktgenerator, einen Mikrofonverstärker, einen Anti-Aliasing-Filter, ein mehrstufiges Speicherarray, einen Anti-Aliasing-Filter, ein Gerät zur Pausengeräuschdämpfung und einen 3H-Ausgangsverstärker.
Eine vieradrige (SCLK, MOSI, MISO, SS) serielle Peripherieschnittstelle (SPI) sorgt für Steuerung und Adressierung. In einem Mikrocontrollersystem fungiert der Chip als peripheres Slave-Gerät. Der Schreib-/Lesezugriff auf alle internen Register erfolgt über die SPI-Schnittstelle. Das Interrupt-Signal (INT) und das interne Statusregister werden nur zu Lese- und Kommunikationszwecken verwendet. Um Rauschen zu minimieren, sind die analogen und digitalen Schaltkreise im Gerät an separate Strombusse (Ucca bzw. Uccd) angeschlossen. Die Nennversorgungsspannung beträgt 2,85 bis 3,15 V. Die Ausgänge der gemeinsamen Leitungen („Massen“) sind analog (Ussa) und digitale (Ussd) Teile in ISD4004-16M werden ebenfalls separat hergestellt. Die Unterseite des Kristalls ist über den Substratwiderstand mit Uss verbunden. In Miniaturversionen (ungerahmt) wird der Kristall an dem mit der U.S.S. verbundenen Bereich befestigt. oder „schwebend“ bleiben. Das analoge Eingangssignal kann dem Gerät entweder im asymmetrischen Modus (Abb. 2, a) oder differenziell (Abb. 2, b) zugeführt werden. Im ersten Fall wird das Signal an den analogen Eingang + (ANA IN+) angeschlossen, und der Eingang- (ANA IN-) wird über einen Entkopplungskondensator mit dem gemeinsamen Bus Ussa- verbunden. Für eine hochwertige Wiedergabe ist die doppelte Amplitude erforderlich Das Eingangssignal sollte in diesem Modus 32 mV nicht überschreiten, was einer Ausgabe mit doppelter Amplitude von 570 mV entspricht. Der Koppelkondensator am ANA IN+ Eingang bestimmt zusammen mit seiner Eingangsimpedanz von 3 kΩ die Niederfrequenzbandbreite.
Im Differenzmodus werden beide Eingänge verwendet (ANA IN+ und ANA IN-). Um eine optimale Qualität zu erreichen, sollte die doppelte Amplitude des Signals an jedem der Eingänge in diesem Fall 16 mV nicht überschreiten. Die ANA IN-Eingangsimpedanz beträgt 56 kΩ. Von Pin 13 (Abb. 1) wird das im ISD4004-16M-Speicher aufgezeichnete Audiosignal entnommen. Es empfiehlt sich, diesen Pin über einen Entkopplungskondensator mit der Last zu verbinden. Die Lastimpedanz muss mindestens 5 kOhm betragen. Im Betriebsmodus (Einschalten) beträgt der AUD OUT-Pin 1,2 V DC. Bei der Aufnahme ist der AUD OUT-Pin über einen Widerstand von ca. 850 kΩ mit einer internen 1,2-V-Quelle verbunden, die auf die analoge Masse bezogen ist. Die Last kann in diesem Modus angeschlossen werden, die Gleichspannung am Geräteausgang sollte jedoch nicht sinken. Der SS-Pin (Slave Select) wird zur Auswahl eines Slave-Geräts verwendet. Wenn an diesen Pin ein Signal mit niedrigem Pegel angelegt wird, wird der ISD4004-16M als Master ausgewählt, um mit dem Mikrocontroller zusammenzuarbeiten. MOSI ist ein serieller Eingang, über den Daten vom Mikrocontroller übertragen werden. Die Daten in der MOSI-Leitung werden eine halbe Periode vor dem Eintreffen der Taktflanke gesetzt, die ebenfalls vom BISD4004-16M kommt. Die MISO-Ausgabe ist eine serielle Ausgabe des Geräts. Wenn das Gerät nicht ausgewählt ist (SS = 1), befindet sich der Ausgang in einem hochohmigen Zustand. Um Taktimpulse vom Mikrocontroller zu empfangen, die zur Synchronisierung der Datenübertragung zum (und vom) Gerät über die MOSI- und MISO-Busse erforderlich sind, wird der SCLK-Pin verwendet. Während der Flanke des Taktimpulses werden Daten in den ISD4004-16M geschrieben, und wenn diese abfällt, werden die Informationen zum nächsten Bit verschoben. Der INT-Pin (Interrupt) wird abgesenkt und bleibt niedrig (logisch 0), wenn ein Überlauf (OVF) auftritt oder der Marker ein „End of Message“ (EOM) erkannt hat. Dieser Pin ist ein Open-Drain-Ausgang. Jede Operation, die mit einem Überlauf endet oder ein „End of Message“ hat, generiert einen Interrupt, einschließlich eines Befehls zum Aufrufen von Nachrichtenschleifen. Das nächste Mal, dass der Interrupt gelöscht wird, ist, wenn ein neuer SPI-Zyklus initiiert wird. Der Interrupt-Status kann mit dem RINT-Befehl gelesen werden. Das OVF-Überlaufflag zeigt an, dass der analoge Speicher während eines Schreib- oder Wiedergabevorgangs das Ende erreicht hat, und das Ende der Nachricht (EOM) wird im Wiedergabemodus nur gesetzt, wenn das EOM-Signal erkannt wird. Es gibt acht Optionen für die Position der End-of-Message-Flagge in einer Zeile (d. h. es können acht verschiedene Nachrichten darauf geschrieben werden). Der RAC-Ausgang (Address Line Synchronisation) ist ebenfalls Open Drain. Bei der Aufnahme wird ihm ein Signal mit einer Periode von 400 ms zugeführt, wobei das Signal mit einer Frequenz von 4 kHz abgetastet wird. Während des angegebenen Zeitraums wird nur eine Speicherzeile geschrieben (insgesamt gibt es 2400 solcher Zeilen). Dementsprechend erfolgt die Aufzeichnung 350 ms lang, wenn das RAC-Signal hoch ist. Wenn das Ende der Leitung erreicht ist, geht das RAC-Signal für einen Zeitraum von 50 ms auf Low. Das Zyklogramm der Aufzeichnung einer Zeile ist in Abb. dargestellt. 3.
Im „Message Call“-Modus (siehe unten) wird der High-Pegel am RAC-Pin für 218,76 μs und der Low-Pegel für 31,26 μs gehalten. Typische Werte der RAC-Taktpegel sind in der AC-Parametertabelle der Unternehmensdokumentation angegeben. Wenn ein Schreibbefehl zum ersten Mal initiiert wird, bleibt der RAC-Pin für einen weiteren TRACL0-Zeitraum hoch. Dies ist erforderlich, um ein Beispiel herunterzuladen und die internen Systeme des Geräts zu reparieren. Der RAC-Pin kann zur Steuerung der Nachrichtentechnik verwendet werden. Der externe Takteingang verfügt über ein internes Anpassungsgerät. Der ISD4004-16M ist werkseitig so konfiguriert, dass er das Eingangssignal intern mit der mittleren Taktfrequenz innerhalb von ±1 % der Spezifikation abtastet. Die Frequenz wird bei jedem Wert innerhalb des erweiterten industriellen Temperaturbereichs sowie innerhalb des Betriebsspannungsbereichs, wie in der entsprechenden AC-Nennwerttabelle definiert, innerhalb der Toleranz gehalten. Beim Betrieb in industriellen Temperaturbereichen empfiehlt sich eine geregelte Stromversorgung. Wenn eine hohe Genauigkeit erforderlich ist, muss dem Gerät zum Abtasten mit einer Frequenz von 4 kHz ein Taktimpuls mit einer Wiederholrate von 512 kHz über den XCLK-Pin zugeführt werden. Für den normalen Betrieb der eingebauten Anti-Aliasing-Filter bei einer festen Frequenz muss die Taktfrequenz ausreichend stabil sein. Das Tastverhältnis der Taktimpulse ist nicht kritisch, da ihre Frequenz sofort durch 2 geteilt wird. Wenn der XCLK-Eingang nicht verwendet wird, muss Pin 26 mit der gemeinsamen Leitung verbunden werden. Der AM-Pin des ACS dient zur Steuerung der automatischen Rauschunterdrückung. Letzterer reduziert den Signalpegel um 6 dB, wenn er unter den eingestellten Schwellenwert fällt (bei großen Signalen ist die Rauschunterdrückung nicht eingeschaltet). Für den normalen Betrieb des Rauschunterdrückungssystems ist der AM-Anschluss des ATS über einen 1-µF-Kondensator mit dem gemeinsamen Kabel verbunden. Dieser Kondensator wird zu einem internen Spitzensensorelement, das auf die Amplitude (Spitzenwert) des Signals reagiert. Der Spitzenpegel wird mit einem festgelegten Schwellenwert verglichen, um zu bestimmen, wann die Geräuschreduzierung beginnt. Der Kondensator beeinflusst auch die Geschwindigkeit, mit der die Rauschunterdrückung in Abhängigkeit von der Amplitude des Signals variiert. Beim Anschluss des AM-Pins des ATS an den Ucca-Bus ist die Rauschunterdrückung ausgeschaltet. Wie bereits erwähnt, verwendet der ISD4004-16M eine serielle SPI-Schnittstelle. Das Datenübertragungsprotokoll geht davon aus, dass die Schieberegister des Mikrocontrollers durch den Abfall des SCLK-Signals synchronisiert werden. Beim ISD4004-16M werden Daten am MOSI-Pin am Rand des Taktimpulses erfasst. Daten werden vom MISO-Pin empfangen, wenn der Taktimpuls fällt. 1. Alle seriellen Datenübertragungen beginnen mit dem Abfall des Signals am SS-Pin. 2. Dieser Pin wird während der gesamten seriellen Kommunikation auf Low gehalten und geht zwischen Befehlen auf High. 3. Eingangsdaten werden an der ansteigenden Flanke des Taktimpulses erfasst, und Ausgangsdaten werden am Abfall erfasst. 4. Wiedergabe und Aufnahme erfolgen auf niedrigem Pegel am SS-Pin, wenn der entsprechende Betriebscode und die entsprechende Adresse an das ISD4004-16M-Gerät übermittelt werden. 5. Operationscodes und Adressfelder werden durch acht Dienst- und 16 Adressbits dargestellt. 6. Jeder Vorgang, der mit einem End of Message (EOM)- oder Overflow-Signal endet, generiert einen Interrupt, einschließlich des Befehls „Call Message Loop“. Der Interrupt wird beim nächsten Mal durch die Einführung eines neuen SPI-Zyklus gelöscht. 7. Da die Interrupt-Daten verschoben werden, ohne die schiebbaren Bits in MISO zu speichern, werden gleichzeitig die Steuerdaten und Adressen am MOSI-Pin verschoben. Vorsicht ist geboten, da die verschobenen Daten möglicherweise mit dem aktuellen Systembetrieb kompatibel sind. Es ist möglich, Interrupt-Daten zu lesen und innerhalb desselben SPI-Zyklus eine neue Operation zu starten. 8. Der Vorgang beginnt mit dem Setzen des RUN-Bits und endet mit dem Zurücksetzen. 9. Alle Operationen beginnen mit der ansteigenden Flanke des SS-Pins. Während der Wiedergabe wird der Befehl „Nachricht abrufen“ verwendet, der es dem Benutzer ermöglicht, durch Nachrichten zu „springen“, wenn der tatsächliche Standort der betreffenden Nachricht unbekannt ist. In diesem Modus ist die Wiedergabegeschwindigkeit 1600-mal schneller als im normalen Wiedergabemodus. Der Stopp erfolgt, wenn die Markierung „Ende der Nachricht“ anzeigt. Der interne Adresszähler zeigt dann auf die nächste Nachricht. Wenn der Befehl „Call Message“ (MC) verwendet wird, muss das folgende Verfahren befolgt werden, andernfalls ist der Anruf möglicherweise nicht korrekt. Um eine Nachricht korrekt aufzurufen, gehen Sie wie folgt vor. Vor dem Ausführen oder Festlegen des Call Message-Befehls (MC bzw. SETMC) muss ein „Leerlauf“-Stoppbefehl (Dummy) an das Gerät gesendet werden. Ein solcher Befehl besteht aus einer Reihe von Servicebits: „Run“ = 0, „Playback/Record“ = 0, PU („Power on“) = 1, IAB („Skip Address“) = 1, MS („Message Call“) „) = 0. Mit anderen Worten, die Hexadezimalzahl 30 wird als Befehl im Gerät verwendet. Sobald der Dummy-Stopp-Befehl eingegeben wurde, können ein oder mehrere MC-Befehle oder ein SETMC-Befehl ausgeführt werden. Es besteht keine Notwendigkeit, den „Leerlauf“-Stoppbefehl bis zum Ende des nächsten Wiedergabevorgangs zu wiederholen. Die Operationscodes sind in der Tabelle aufgeführt. 1.
Einschaltsequenz. Nach der TPUD-Zeit (typischer Wert bei 4004 kHz Abtastrate – ca. 16 ms) ist der ISD4-50M betriebsbereit. Diese Zeit müssen Sie abwarten, bevor Sie einen Bedienbefehl erteilen. Um beispielsweise ab Adresse 00 abzuspielen, würde die folgende Programmschleife verwendet werden: 1. Ein POWERUP-Befehl wird gesendet, um den Strom einzuschalten. 2. Pause für TPUD (Einschaltverzögerung). 3. Der Befehl SETPLAY mit Adresse 00 wird ausgegeben. 4. Der PLAY-Befehl wird gesendet Dadurch startet das Gerät die Wiedergabe ab Adresse 00 und generiert beim „End of Message“ einen Interrupt. Danach stoppt die Wiedergabe. Schleife zum Implementieren des Schreibmodus: 1. Ein POWERUP-Befehl wird gesendet. 2. Pause für TPUD (Einschaltverzögerung). 3. Der POWERUP-Befehl wird ausgegeben. 4. Der SETREC-Befehl wird mit Adresse 00 gesendet. 5. Der REC-Befehl wird gesendet. Das Gerät beginnt mit der Aufzeichnung einer Nachricht ab Adresse 00 und generiert bei einem Überlauf (Ende des Speicherarrays) einen Interrupt, nach dem die Aufzeichnung stoppt. Ein vereinfachtes Blockdiagramm des SPI-Ports mit einer Beschreibung und Angabe der damit verbundenen Steuerbits ist in Abb. dargestellt. 4, a und b.
Das SPI-Steuerregister ermöglicht die Steuerung von Gerätefunktionen wie Wiedergabe, Aufnahme, Nachrichtenabruf, Ein-/Ausschalten, Start-/Stoppvorgänge und Adressüberspringen. In der Tabelle Abbildung 2 zeigt die Werte in den Bits des SPI-Steuerregisters und die entsprechenden Funktionen.
Zeitdiagramme des Betriebs der ISD4004-16M-Mikroschaltung bei der Übermittlung von Steuerbefehlen (8 Bit) und Adressen (16 Bit) im 24-Bit-Format sind in Abb. dargestellt. 5.
Diagramme in Abb. 6 veranschaulichen einen Aufzeichnungs-/Wiedergabe- und Stoppzyklus.
Alle Zeitangaben finden Sie in der bereits erwähnten Parametertabelle für Wechselstrom. In Abb. Abbildung 7 zeigt ein Diagramm einer möglichen Anschlussoption für die Mikroschaltung ISD4004-16M an den gemeinsamen Mikrocontroller PIC16C62A und den integrierten Leistungsverstärker 3H LM4860M.
Bei der Entwicklung von Geräten mit ISD4004-16M ist zu beachten, dass diese für einen zuverlässigen und störungsfreien Betrieb mit einer stabilisierten Spannung von nicht mehr als 2,85...3,15 V versorgt werden sollten. Es wird empfohlen, die Stromanschlüsse UCCA und UCCD zu platzieren möglichst in unmittelbarer Nähe der Stromquelle. Der analoge Erdungsstift des USSA sollte über eine Leitung mit der geringstmöglichen Impedanz mit der gemeinsamen Stromversorgung verbunden sein, und der digitale Erdungsstift des USSD sollte mit einem separaten Bus mit niedriger Impedanz verbunden sein. Die Sammelschienen, die die analogen und digitalen Eingänge mit der gemeinsamen Leitung der Stromversorgung verbinden, müssen groß genug sein, um einen minimalen Spannungsabfall über sie sicherzustellen. In diesem Fall sollte der Unterschied in der Busimpedanz 3 Ohm nicht überschreiten. Autor: A.Schitikow
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