Звуковые микросхемы компании Aplus
Игорь Очеретянко, инженер по применению, ООО "GRAND Electronic"
На данный момент, достаточно много электронных устройств используют не только визуальную индикацию своей работы, но и голосовую. Звуковые команды, подаваемые устройством, часто упрощают работу с ним и вызывают дополнительный интерес у потребителя. На сегодняшний день, на рынке электронных компонент достаточно узкий выбор звуковых микросхем. Поэтому, мы хотим представить Вам нового, для большинства разработчиков, производителя – компанию Aplus. Ее продукция имеет ряд преимуществ по сравнению с известными всем аналогами: простота в использовании, высокая функциональность, надежность в работе при достаточно низкой стоимости.
Компания Aplus Integrated Circuits основана в июле 1992г. и специализируется на производстве микросхем для хранения аудиоданных. Номенклатура компании поделена на категории: однократно программируемые микросхемы (OTP), масочные (mask), перезаписываемые (recording). Каждая категория поделена на серии, различающиеся некоторыми функциональными возможностями. Продукция компании Aplus отличается высокой степенью интеграции, что требует минимальное количество внешних компонентов, уменьшает габариты конечного устройства, упрощает и удешевляет разработку. Например, для включения любой однократно программируемой микросхемы достаточно всего трех внешних компонентов: резистора и двух конденсаторов. В широкой номенклатуре компании можно найти чипы для записи звука от 10сек до 182мин. Рассмотрим более детально каждую категорию и все входящие в них серии микросхем:
Однократно программируемые микросхемы хранения и воспроизведения звука компании Aplus разделены на три серии: aP89xx, aP89xxA и API4000. Сначала рассмотрим серии aP89xx и aP89xxA(таб.1).
Таблица 1. Характеристики серии aP89xx и aP89xxA
Микросхемы серии aP89xxA отличается от aP89xx лишь расширенным напряжением питания и являются полностью взаимозаменяемыми при питании от источника 2.6-3.6В. Для микросхем aP89xxA напряжение питания может колебаться в диапазоне 2.6…5В. Все серии имеют встроенную однократно-программируемую память EPROM соответствующего объема, что и определяет максимальное время записи звука. Длительность записи, указанная в таблице, рассчитана для частоты дискретизации 6КГц при 4-х битном алгоритме сжатия ADPCM.
Записывать данные можно без сжатия(режим PCM) или с сжатием(режим ADPCM). При использовании алгоритма записи данных ADPCM происходит компрессия данных в 2 раза, что позволяет сэкономить половину памяти. Если надо обеспечить высокое качество звука – естественно, следует использовать алгоритм записи PCM(без сжатия). Для записи человеческого голоса с хорошим качеством можно смело использовать функцию компрессии - ADPCM.
Архитектура микросхемы позволяют всю внутреннюю память занять одним звуковым фрагментом или несколькими маленькими. Использование коротких звуковых отрывков, содержащих несколько слов, позволяет комбинировать звуковые фрагменты и таким образом «увеличить» общее время воспроизведения. В зависимости от объема встроенной памяти микросхемы могут содержать разное количество звуковых групп (см. табл. 1).
aP89ххх/aP89ххA в автономном режиме.
Микросхемы данной серии имеют два режима включения: автономный и микропроцессорный режимы. Рассмотрим более детально работу в каждом режиме: схему включения и принцип управление звуковыми данными. Начнем с более простого режима – автономного.
Принципиальная схема включения микросхемы aP89ххх/aP89ххA в автономном режиме приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема включения микросхемы
Рис. 2. Принципиальная схема включения микросхемы aP89042/aP8942A в микропроцессорном режиме.
Транзистор Т является однокаскадным усилителем выходного сигнала. Он подключен к выходу 8-и битного ЦАП. VOUT1,2 – выходы ШИМ-сигнала для подключения динамика или пьезокерамического излучателя. S1-S8 – кнопки задающие номер воспроизводимого звукового блока. С помощью резистора Rosc можно задавать частоты дискретизации от 5кГц до 25кГц, что прямым образом влияет на качество звука.
В этом режиме можно воспроизвести до 12/32/254 различных звуковых фрагментов используя разные комбинации нажатия клавиш S1….S8. Перечень этих комбинаций можно найти в документации на данную микросхему на сайте производителя. Также, есть возможность последовательного прослушивания всех записанных звуковых файлов, нажимая кнопку SBT.
Теперь разберемся с микропроцессорным режимом. Для начала рассмотрим принципиальную схему включения(рис.2). В этом режиме можно воспроизводить до 12/32/254 различных треков в зависимости от типа используемой микросхемы. К управляющему микроконтроллеру подключаются адресные выходы(таб. 2).
Таблица 2. Подключение адресных выводов.
В зависимости от установленных микроконтроллером значений, «0» или «1», на выходах воспроизводится соответствующий звуковой фрагмент. Таблицу комбинаций можно найти на сайте Aplus в документации на данную микросхему. В микропроцессорном режиме выход SBT не позволяет последовательно прослушать треки – на него подается строб для фиксации данных на входах S1-S8.
Однократно записываемые микросхемы имеют три выхода OUT1, OUT2, OUT3, которые программируются на выдачу различных сигналов при воспроизведении звуковых фрагментов. Всего существует четыре варианта выходных сигналов, параметры которых задаются при программировании микросхемы.
Микросхемы данного типа имеют функцию плавного включения и выключения(Ramp). Если для воспроизведения применяется выход COUT, то плавный запуск должен быть включен. Эта функция подавляет щелчки в начале и конце воспроизведения. При использовании выходов VOUT1 и VOUT2 опция плавного запуска не нужна. Опция плавного включения/выключения задается при программировании микросхемы. Более детально о конфигурировании выходных сигналов и плавном запуске звуковых файлов описано ниже, при рассмотрении .
Все микросхемы этих серий производятся в корпусах DIP и SOP. Выводы однотипных микросхем с разными корпусами функционально полностью совпадают. Исключение составляют только микросхемы с расширенным объемом памяти(aP89085, aP89170, aP89341) – одинаковые выводы в DIP и SOP корпусах выполняют разные функции. Также, для этих микросхем нет аналогов в серии aP89xxА(расширенный диапазон напряжения питания). Внутренняя архитектура и принцип работы, описанные выше, полностью подходят для микросхем с расширенной памятью. Кроме того, они имеют еще один режим включения – последовательный микропроцессорный режим (рис.3).
Рис. 3. Принципиальная схема включения микросхемы aP89085/aP89170/aP89341 в последовательном микропроцессорном режиме.
Последовательный микропроцессорный режим предназначен для простого объединения с процессором или микроконтроллером. В данном режиме используются адресные входы S1-S3, а выходы OUT1, OUT2, OUT3 применяются для контроля и обратной связи. Вход S1 сигнализирует звуковой микросхеме о том, что на вход S3 будет подан управляющий сигнал. Команды, подаваемые на вход S3, содержат 8 или 16 бит данных. Первые 8 бит содержат команду микросхеме, а вторые 8, если они есть – адрес звуковой группы. На вход S2 идет тактовый сигнал для тактирования команд по фронту импульса. Подробное описание управляющих команд можно найти в документации на микросхемы с расширенным объемом памяти на сайте Aplus.
Рис. 4. Модуль серии API4000Mх.
Теперь рассмотрим последнюю серию из рассмотренной категории – модули API4000Mx(рис.4). Они состоят из 8-и битового микроконтроллера API4000, который имеет встроенный усилитель выходной мощности, 4-х канальный звуковой генератор и модуль для сжатия данных. При сжатии информации используется 4-х битный алгоритм ADPCM. Встроенной энергонезависящей памяти микроконтроллер не имеет. Поэтому в модуле, кроме самого контроллера API4000, есть микросхема Flash-памяти, в которой и хранятся все звуковые данные. Для ее подключения микроконтроллер имеет 8-и битовую параллельную шину. Максимальный объем внешней памяти, который поддерживает этот чип API4000, составляет 128Мбит. Данную серию составляют три модуля с разным объемом внешней памяти. Характеристики модулей приведены в таблице 3.
Таблица 3. Характеристики микросхем серии API4000.
Для управления данной микросхемой применяется две изложенные выше схемы включения: автономная или процессорная.
Для всех однократно записываемых микросхем имеются демонстрационные платы с разными возможностями, которые позволяют быстро запустить уже записанную микросхему. Наиболее простые – демонстрационные платы: DB20A – для микросхем серии aP89xxA, DB20P – для серии aP89xx и AP89XS-DB24P – для микросхем aP89085/aP89170/aP89341. Демонстрационные платы этого типа всего лишь позволяет последовательно воспроизвести все записанные треки. В комплекте с демонстрационной платой идет соответствующая звуковая микросхема с записанными звуковыми фрагментами. Более сложные отладочные платы: DBTR20A(для микросхем aP89xxA), DBTR20(для микросхем aP89xx) и aP89XX-DBAMP(aP89085/aP89170/aP89341) - они позволяют запускать звуковые микросхемы в автономном и микропроцессорном режимах. Детальную документацию по каждой демонстрационной/отладочной плате можно найти на сайте производителя в разделе однократно программируемых микросхем.
Перезаписываемые звуковые микросхемы разделены на две серии: однокристальные и двухчиповые (с подключением внешнего управляющего микроконтроллера). Обе серии имеют встроеную Flash-память рассчитаную на 100 тыс. циклов перезаписи и способна хранить данные 100 лет. Все чипы имеют различные объемы памяти, что напрямую влияет на длительность звучания записанного звукового фрагмента(таб.4). В отличии от однократно записываемых микросхем - микросхемы данного типа записываются через микрофон, без применения программатора. Одночиповые микросхемы имеют питающее напряжение 4,5…6,5В, а двухчиповые 2,9…3,3В, что позволяет использовать общее питание с управляющим микроконтроллером. Перезаписываемые микросхемы автоматически переходят в режим сна, в котором энергопотребление не превышает 1мкА. Эта функция очень полезна для устройств с батареечным питанием. Частота дискретизации в микросхемах APR9301 и APR9600 варьируются от 4.5КГц до 8КГц сопротивлением резистора подключенного к выводу «OscR». Таблицу соответствия можно найти в документации на микросхему. Для воспроизведения звука с максимальным качеством все перезаписываемые микросхемы имеют усилитель выходной мощности, микрофонный усилитель, фильтры входного и выходного сигналов.
Таблица 4. Параметры перезаписываемых микросхем.
Как видим, микросхема APR9600 может содержать разное количество звуковых фрагментов. Количество звуковых групп зависит от схемы включения данной микросхемы. Для установки нужного количества звуковых групп на выводы 24(Msel1) и 25(Msel2) подаются сигналы «0» или «1». В документации на данную микросхему можно найти таблицу соответствия поданных сигналов и полученного количества групп. Также, чип APR9600 имеет функцию воспроизведения случайного трека. Для запуска этой функции есть специальная схема включения. Все схемы включения с подробной технической информацией можно найти в соответствующей документации на сайте производителя.
Микросхемы APR6008 и APR6016 имеют большой объем памяти и позволяют записать много звуковых фрагментов. В связи с этим автономный режим включения слишком громоздкий и выбор нужного трека становится очень сложным. Поэтому при разработке данного чипа было решено, что для его управления будет использоваться только микроконтроллер, подключенный по интерфейсу SPI. Частота дискретизации может составлять от 4КГц до 8КГц. Автономный режим включения эти микросхемы не поддерживают. Схему включения и управляющие команды можно найти на сайте Aplus .
Оценить работу однокристальной звуковой микросхемы можно с помощью отладочной платы изготовленной масочным способом (рис.5). Такой подход позволяет снизить себестоимость отладки без потери качества и функциональности. Для двухчиповых микросхем есть
более сложная отладочная плата, что обусловлено способом включения
микросхемы.
Рис. 5. Отладочная плата для однокристальной перезаписываемой микросхемы.
Компания Aplus может изготовить под заказ любые типы своих микросхем масочным способом. К примеру, на рисунке 5 можно видеть микросхему APR9600 изготовленную таким методом. При изготовлении микросхемы, на определенной стадии производства, в ее память можно сразу записать нужные звуковые фрагменты. Это позволяет избавиться от необходимости ее программирования в дальнейшем. Платы, на которые будут наноситься микросхемы, могут изготавливаться компанией Aplus или доставлены от заказчика. Конечно, данная технология производства микросхем выгодна при серийном производстве изделий в больших объемах. В этом случаи такого рода микросхемы позволяют существенно снизить стоимость изделия, уменьшить габаритные размеры, избавиться от функции программирования чипов.
Для программирования однократно записываемых микросхем применяется специальный программатор (рис.6). С компьютером программатор соединяется через LPT порт. Питание подается от внешнего источника или через USB кабель. Следует помнить о том, что нельзя одновременно подключать к программатору USB кабель и внешний источник питания, поскольку это может привести к выходу из строя USB порта на компьютере. После подачи питания на программаторе засветится красный светодиод, сигнализирующий наличие напряжения. Для программирования микросхем с разными корпусами применяются соответствующие переходники.
Рис. 6. Программатор для однократно записываемых микросхем.
Подключив программатор к ПК необходимо скачать с сайта Aplus и установить программное обеспечение «aP89W20 Voice OTP Development System». Это приложение позволяет быстро и удобно записывать любую однократно записываемую микросхему. Данное ПО совмещает в себе две функции: компилятор, позволяющий сконфигурировать записываемые звуковые группы, и модуль записи. Компилятор группирует все файлы и заданные настройки микросхемы в проектный файл с расширением *.DPM, который компилируется и прошивается в память микросхемы. Программа «aP89W20 Voice OTP Development System» позволяет выполнять такие функции:
• Выбрать звуковые файлы, которые мы хотим записать в память микросхемы;
• Выбрать формат хранения данных (с сжатием или без него);
• Прослушать все треки, перед записью;
• Создать и настроить звуковые группы;
• Установить параметры работы выходов OUT1, OUT2, OUT3;
• Проверить готовность микросхемы к записи;
• Считать данные с уже записанной микросхемы;
• Записать микросхему;
• Проверить записанную микросхему на наличие ошибок записи;
После запуска программы на плате программатора некоторое время будет мерцать зеленый светодиод, сигнализирующий о подключении приложения к контроллеру на плате. Внимательно рассмотрим вкладку для редактирования треков(рис. 7). Прежде чем записывать данные на микросхему нужно выбрать звуковые файлы, создать и сконфигурировать звуковые группы, задать все параметры работы микросхемы, а после этого скомпилировать наш проект. Для этого надо сделать такие манипуляции в окне компилятора:
Рис. 7. Приложение «aP89W20 Voice OTP Development System».
1. В верхнем выпадающем меню выбираем из списка микросхему, которую мы установили в программатор и хотим записать. В этом примере применяется микросхема aP89170.
2. В дереве папок находим каталог содержащий файлы, которые мы хотим записать в память микросхемы. Следует помнить, что можно записать только файлы с расширением *.wav или *.voc. Эти файлы должны быть моно и иметь 8-и битную кодировку с частотой дискретизации от 5кГц до 25кГц. В указанном примере тестовые файлы «test, xxKHz.wav» были сконвертированы под данные требования с помощью программы SUPER (Simplified Universal Player Encoder & Renderere). Все тестовые файлы содержат одну и ту же звуковую фразу и отличаются только частотой дискретизации.
Двойным щелчком добавляем треки из списка файлов содержащихся в выбранном каталоге, в список выбранных файлов, которые в будущем будут записаны в память микросхемы. Но, прежде чем добавлять файлы в список нужно отметить, в каком формате мы хотим их записывать: PCM(без сжатия) или ADPCM(с сжатием). Для примера, файл «test, 48KHz.wav» записанный без сжатия занимает 64%-35%=29% памяти микросхемы. Если этот же файл записывать со сжатием, то он займет 96%-81%=15%.
3. Устанавливаем параметры воспроизведения файлов. Меню настроек находится в верхней правой части окна и для каждой микросхемы оно индивидуальное. В данном случаи, в меню есть пункты:
• Rump – функция плавного включения/выключения. В зависимости от того, какой выход для воспроизведения применяется (Cout или Vout) нужно поставить соответствующую галочку;
• Output Option: OUT1, OUT2, OUT3 – с помощью этой опции задаются параметры выходных сигналов. Существует четыре варианты выходного сигнала: LED1, LED2, BUSY, STOP. Форму этих сигналов можно найти в соответствующей документации. Существует четыре комбинации выходных сигналов. Например, первая комбинация, стоящая по умолчанию: LED1 LED2 BUSY. Это означает, что на выход OUT1 будет подан на период воспроизведения звукового фрагмента сигнал LED1, на выходе OUT2 - LED2 и соответственно, на OUT3 будет подан сигнал BUSY;
• Denounce – задержка для подавления дребезга контактов (16мс или 65мкс на частоте дискретизации 8КГц).
4. После этого переходим к созданию звуковых групп. Для этого дважды щелкните в поле таблицы звуковых групп(рис.7). После этого появится окно настроек имеющее такие параметры(рис.8):
• Trig Level – параметр задает условие запуска воспроизведения звукового файла: EDGE(по фронту) или LEVEL(по уровню);
• Unholdable – задается режим удерживания/не удерживания. Установив значение «Unholdable» - звуковой фрагмент будет продолжать воспроизведение после перехода пускового сигнала с значения «1» в «0». «Holdable» - воспроизводящийся звуковой фрагмент будет немедленно прерван, как только пусковой сигнал станет равен «0». (Например, если подать «1» на вывод последовательного воспроизведения треков (SBT), то трек будет звучать до тех пор, пока на SBT не установить «0». Установка значения «0» моментально прерывает воспроизведение.);
• Trigger – этим параметром задается перезапускаемый/не перезапускаемый режим (Retrigger/Non-Retrigger);
• Stop – этот параметр разрешает/запрещает подавать выходной сигнал STOP на выход OUT1 или OUT3;
• В нижнем выпадающем меню можно выбрать номер, под каким записать звуковую группу в таблице.
Рис. 8. Окно настройки параметров звуковой группы.
5. Однократным щелчком выделяем одну из созданных звуковых групп. Затем, добавляем двойным кликом в списке выбранных файлов звуковые треки. В какой последовательности мы будем добавлять треки - в такой очередности они и будут воспроизводиться при запуске данной звуковой группы. Добавленные файлы будут появляться в таблице звуковых блоков. Двойным щелчком на нужной строке в области таблицы звуковых блоков можно задавать значение одного из выходных сигналов – BUSY. По умолчанию стоит значение «1». Для примера, на рисунке 9 изображено две звуковые группы для голосового сигнала пешеходного светофора. Они будут воспроизводить фразы: «Переход через улицу Васильковская разрешен»(группа SW1) и «Переход через улицу Васильковская запрещен»(группа SW2);
Рис. 9. Комбинирование звуковых фрагментов в звуковые группы.
6. Нажимаем на кнопку «Compile». После компилирования будет предложено сохранить все настройки в DPM файле. Сохраняем этот файл, поскольку он нам понадобится для записи микросхемы. Нажав кнопку «Load DPM» можно загрузить один из скомпилированных файлов и внести в него нужные нам изменения, после чего его нужно заново скомпилировать.
Изначально кнопка «Compile» не активна. Для ее активации необходимо зарегистрировать программу. Для этого надо перейдите во вкладку «About», чтобы ввести соответствующие данные в полях «Customer NО» и «Password» (номер пользователя и пароль активации программы). Регистрационные данные Вы можете получить в офисе компании GRAND Electronic или через службу поддержки компании Aplus Integrated Circuits. После ввода регистрационных данных в соответствующие поля программы «aP89W20 Voice OTP Development System» ее необходимо перезапустить. Теперь функция компиляции становится доступной.
После компиляции необходимо зайти во вкладку «Writer». В этой вкладке мы увидим с правой стороны такие кнопки:
• Load – открыть DPM файл для записи в память микросхемы звуковые данные с установленными настройками;
• Blank Check – проверить чистая или записанная микросхема установлена в программатор;
• Read OTP – считать данные с микросхемы;
• Verify OTP – проверка микросхемы на наличие ошибок при записи;
• Write OTP – записать микросхему;
Также, в этом окне есть опция «Security». Задействовав эту функцию, мы защитим содержимое микросхемы после записи от считывания и копирования.
Для записи звуковых микросхем рекомендуется выполнять все операции в такой последовательности:
1. После установки микросхемы в программатор проверить чистая ли она (кнопка Blank Check);
2. Загрузить скомпилированный DPM файл (кнопка Load);
3. Записать данные в память микросхемы (кнопка Write OTP);
4. Проверить записанные данные на наличие ошибок (кнопка Verify OTP);
В случаи зависания индикатора при записи или проверке микросхемы нужно внести изменения в файл параметров программы «aP89W20 Voice OTP Development System». Для этого нужно зайти в каталог, куда установлена программа, и найти файл «ap89W20.INI». В нем записано значения для четырех параметров. Нас интересуют два значения:
• PortMap – (по умолчанию 0000h). Задается адрес LPT порта. Если Ваш компьютер имеет встроенный порт, то Вам подойдет значение по умолчанию. Но, если Вы будете использовать ноутбук или ПК не имеющий встроенного LPT порта, то придется использовать переходник(USB-LPT, PCMCIA-LPT,…). В следствии чего, программа может не найти порт, поскольку он будет находиться по другому адресу. В этом случаи надо будет задать параметру PortMap адрес Вашего LPT порта в шестнадцатеричном коде.
• SPPTimer – (по умолчанию 3). Задает параметр, определяющий скорость обмена данными между компьютером и программатором. Это значение меняется в пределах от 1 до 10. Чем большее значение установить – тем меньше будет скорость обмена данными, в результате чего снизится вероятность возникновения ошибки, но увеличится время записи и проверки микросхем.
В комплекте с программатором идет плата программатора и LPT кабель. USB кабель или блок питания надо приобретать отдельно, если такового в наличии нет. Программное обеспечение «aP89W20 Voice OTP Development System» скачивается с сайта. Пользовательский номер и пароль («Customer NО» и «Password») предоставляет поставщик или служба поддержки компании Aplus Integrated Circuits.
Рис. 10. Копирайт для одновременной прошивки
8-и микросхем.
При серийном применении звуковых микросхем очень полезен будет копирайт, который позволяет одновременно записать до 8-и микросхем(рис.10). Для работы с копирайтом предварительно, на программаторе, записывается эталонная микросхема. В дальнейшем, с нее будут копируются все остальные микросхемы установленные в копирайт. Копирайт работает автономно, без помощи ПК. Для его работоспособности надо только внешний источник питания на 6В.
Существует три типа копирайта: для 16-и, 20-и и 24-х выводных микросхем. Поскольку микросхем в корпусе SOP-28 имеют четыре незадействованных выводов, то для их программирования применяется специальные переходники на DIP-24.
На складе компании ООО «GRAND Electronic» есть образцы для большей части номенклатуры однократно записываемых и перезаписываемых звуковых микросхем компании Aplus. Для упрощения и удешевления Ваших разработок, мы можем БЕСПЛАТНО записать на приобретенные Вами образцы микросхем требуемые звуковые файлы. Такой подход позволяет оценить работу микросхем и качество воспроизводимого аудио сигнала без временных и финансовых затрат на приобретение программатора. Для того, чтобы мы смогли предоставить однократно записываемую микросхему с уже записанным звуковым фрагментом – нам необходимо получить конфигурационный *.DPM файл. Для этого Вам надо связаться с офисом компании «GRAND Electronic» для получения номера пользователя и пароля активации приложения «aP89W20 Voice OTP Development System». После этого, выслать скомпилированный *.DPM файл на электронной адрес почты, указанный Вам при получении регистрационных данных для ПО. Также, возможен вариант, что мы сами сделаем проектный *.DPM файл и запишем его в нужную микросхему. Для этого нам необходимо получить звуковой файл/файлы в формате *.wav или *.voc, моно с 8-и битной кодировкой и частотой дискретизации от 5кГц до 25кГц.
Вся продукция компании Aplus изготовлена по бессвинцовой технологии в соответствии всем международным нормам, в подтверждение чему есть соответствующие сертификаты качества. Более детальную информацию, касающимся продукции компании Aplus Integrated Circuits, можно получить на сайте производителя. Также, Вы можете получить ответы на все вопросы касающиеся звуковых микросхем в офисе компании «GRAND Electronic» .
|
