基于FPGA的ISD语音芯片的设计开发

【摘　要】　简述了ISD语音芯片，重点介绍了基于现场可编程门阵列（FPGA）开发设计ISD语音芯片的实现方法。
    关键词：FPGA，Verilog HDL，层次设计方法，直接地址操作

1　引　言

　　FPGA（现场可编程门阵列）的出现，改变了数字系统设计方法、增强了设计的灵活性，同时，在基于芯片的设计中可以减少芯片数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能指标和可靠性，在实时监控方面有广泛的应用。
　　ISD语音芯片采用DAST（直接模拟存储技术），直接存储模拟信号，因而减少了失真，提高了录、放音质量，本文所用的ISD2560系列具有抗断电、音质好、使用方便、录放时间长等优点。然而，在产品应用中，大多数系统只利用了ISD芯片提供的无需地址的工作模式（共有6种），这些操作模式实时性差、地址控制精度不高、操作不灵活。本文从另一个角度论述了基于FPGA的ISD语音芯片的设计开发。

2　ISD语音芯片

　　ISD语音芯片目前有ISD1000、ISD1100、ISD1200／1400、ISD2500、ISD3340和ISD4000系列，本设计采用的是2500系列中的ISD2560芯片。ISD2560具有10个地址输入端，寻址能力可达1024位，前600个地址用于直接存取语音，地址600～767未使用，地址768～1024为工作模式选择用，因此最多能分600段；设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联；单片存储时间为60秒，直接存储模拟语音信号。
　　ISD芯片的地址以信息段为基本组成单元，只要在分段录、放音操作前（不少于300ns），给地址A0～A9赋值，录音及放音功能均会从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音。

3　硬件构成及实现方案

　　利用FPGA的可编程特性实现对ISD2560芯片的直接地址操作，从而实现按地址位录音、放音的功能，提高芯片存储空间的利用率，并能自由选择存储地址；本文选择XILINX（全球最大的可编程器件供应商）的Spartan XL系列芯片，利用VerilogHDL语言编程设计，采用层次设计方法实现。
　　Verilog HDL是一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述中显式地进行时序建模。
3．1　设计思路
　　ISD2560芯片存储时间是60秒，内部有480K字节的EPROM存储单元，划分为600个地址单元，可以算出对于每一个地址单元的存储空间是480K÷600＝800字节，对应的录放时间是100ms；同时，ISD2560内部的地址位从0～599对应这600个地址单元，其它地址位则在操作模式或按键模式中使用。可见，芯片内部上下段之间在存储空间上不　　连续，但在地址上具有连续性。所以，ISD芯片内部的地址可采用定时计数器的方法获得，并可采用直接地址法提取此地址段，实现实时控制、自由存储。3．2　系统总体结构设计（顶层设计）
　　基于FPGA的ISD2560语音芯片的设计开发主要完成两个功能：（1）触发或停止FPGA内部定时计数器计数，并将计数结果存入FPGA的内部存储器中；（2）利用直接地址法，提取用于ISD芯片录、放音所需地址。
　　本系统是基于XILINX FOUNDATION 3．0平台开发的，其框图如图1所示，其中：
　　RECORD模块用于处理录音和停止录音的操作，产生触发或停止定时计数器的信号以及录音时片选信号；
　　TIME模块利用FPGA的内部时钟模块最高频率产生频率为10Hz的信号作为计数器的时钟；为了提高系统的精确性，也可以通过外加时钟的办法实现。
　　COUNTER模块为定时计数器，它利用周期为100ms的时钟脉冲，根据录音长短算出ISD芯片地址位，并发送到存储器，其Verilog HDL语言编程实现如下：

    P／R模块产生整个电路录、放音的选择信号；PLAYADDR模块完成放音地址的产生；
　　PLAY模块将在放音时产生一个由高到低的脉冲作为片选信号；
　　ROM10模块完成了存储器的功能，存储10位ISD芯片地址，并按照PLAYADDR产生的地址直接提取ISD芯片地址，其Verilog HDL语言编程实现如下：
    module roml (addr,play,addrl,result,dataout,

    U7模块由P／R模块的输出信号来选择输出。

3．3　系统实现
    工作时序如下：
　　录音：PD低电平，P／R低电平，CE低电平，开始录音，CE变高电平，录音停止。放音：PD低电平，P／R变高电平，给CE一个由高到低的脉冲，开始放音，到第一个EOM处放音停止。放音时，若给CE低电平，则芯片持续放音，直到芯片存储空间末尾。如图2所示（图2为经综合后的时序仿真结果）。
3．4　FPGA的实现
　　本设计选用XILINX公司FPGA产品S05XLPG84。整个设计采用Verilog HDL语言描述，在XILINXFOUNDATION 3．0平台上完成了系统的仿真、综合、映射、布局。在后仿真结果正确后，通过器件编程（即通过编程电缆将设计下载到实际芯片中）进行系统调试，直至最后实现。
　　在实践过程中，我们还设计了译码器，将地址码译成LED码，从而通过三个LED显示地址位。可见，实际应用中还可以根据实际需要做进一步的设计开发，满足复杂操作或实时系统应用的要求。

4　结束语

　　本文介绍了一种基于FPGA的ISD语音芯片的设计开发过程，所设计的电路在实际应用中取得
很好的效果、能够明确语音段在存储器中的精确地址，了解语音存储器中语音信息的存储情况，且外围电路元件少、体积小、易于再次开发或改进电路。

参考文献

1　J．Bhasker著．Verilog HDL硬件描述语言．北京：机械工业出版社，2000，7
2　张　亮编著．数字电路设计与Verilog HDL．北京：人民邮电出版社，2000，10