佚名 發表於 2010-08-18 11:27:46
0 引言
在現代大多控制系統中，通常使用發光二極體LED、數碼管、液晶顯示器、蜂鳴器等進行狀態/結果顯示和故障報警，如果在顯示報警儀表上採用數字語言技術，使適合用聽覺傳送的信息用語言傳送，就可以發揮聽覺的優勢，彌補完全用視覺信號傳遞信息的不足。近年來隨著語音電路的迅速發展，語音晶片已經以其直觀、生動、與單片機接口方便等優勢，越來越廣泛的應用於單片機控制系統中了，成為現代控制系統中人機聯繫的一個友好界面。
1 語音電路分析
語言處理合成晶片很多，大多採用：語言信號-駐極話筒-電壓-濾波放大-AD轉換數位訊號存儲。放音時採用：數位訊號-DA轉換、輸出，這在實際使用時存在著以下不足：
(1)要使語音不失真地被採樣，要求採樣頻率fs≥8 000 Hz。在小系統中，以這樣的速度採樣語音只能是很短的時間，若要稍長一段時間，勢必佔用很大的存貯空間。
(2)系統構成成本高，由於需要ADC，DAC，專用語音晶片及相關電路。
(3)存在不同程度的失真(信號採樣和恢復)。
(4)使用不靈活，只能錄什麼，放什麼，難以實現字、詞、句的組合。
ISD1420語音晶片是美國ISD公司出品的新型優質單片錄放音電路，採用了直接模擬量存儲技術DAST。主要由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗幹擾濾波器、輸出放大器組成。一個最小的錄放系統僅由一個麥克風、一個喇叭、兩個按鈕、一個電源、少數電阻電容組成。錄音內容存人永久存儲單元，提供零功率信息存儲，這個獨一無二的方法是藉助於美國ISD公司的專利——多電平直接模擬存儲技術(DAST TM)實現的。利用它，語音和音頻信號被直接存儲，以其原本的模擬形式進入EEPROM存儲器及分段輸出，因而失真小，能夠非常真實、自然地再現語音效果，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和「金屬聲」。使用方便，不需專用語音開發工具，成本低廉。直接模擬存儲允許使用一種單片固體電路方法完成其原本語音的再現。不僅語音質量優勝，而且斷電語音保護。因而在現代技術上得到廣泛使用。主要特點如下：
(1)使用方便的單片錄放系統，外部元件最少
(2)重現優質原聲，沒有常見的背景噪音
(3)信息可保存100年，可反覆錄放10萬次
(4)較強的分段選址能力可處理多達160段信息
(5)邊沿/電平觸發放音
(6)無耗電信息存儲，省掉備用電池
(7)具有自動節電模式
(8)錄或放後立即進入維持狀態，僅需0.5μA電流
(9)工作電壓：5 V
(10)工作電流：典型值15 mA，最大值30 mA(16歐姆)
2 系統構成
本語音電路作為火控計算機的一部分，主要是對目標距離進行實時報讀，供指揮人員提供觀察和決策，以選擇最佳時機發出擊發命令。語音電路組成框圖如圖1所示。由火控計算機主機發出RS232電平信號，經電平轉換後，為單片機AT89C52所接收。單片機AT89C52一方面控制高亮度數碼管顯示狀態信息，同時控制語音晶片ISD1420實時報讀目標距離。為指揮人員提供提示。
3 語音信號控制
3.1 語音電路特性
選用語音存儲/再生晶片ISD1420。該電路採用EEP-ROM存儲方法將模擬語音數據直接寫入半導體存儲單元中，具有音質自然、可反覆錄放、抗幹擾、低功耗等許多優點。ISD1420放音時間為20秒;最多可分為160段，每段段長最少125 ms;輸入採樣6.4 kHz;100 000次錄音周期;5 V單電源供電，放音電流15 mA，維持電流0.5μA。完全滿足設計需要。
ISD1420晶片地址引腳(A0～A7)輸入有雙重功能，根據地址中的A6，A7的電平狀態決定A0～A7的功能。如果A6，A7有一個是低電平，A0～A7輸入全解釋為地址位，作為起始地址用。地址位僅作為輸入端，在操作過程中不能輸出內部地址信息。根據PLAYL、PLAYE或REC的下降沿信號，地址輸入被鎖定。如果A6，A7同為高電平時，它們即為模式位(見表1)。
使用操作模式有兩點要注意：
(1)所有初始操作都是從0地址開始，0地址是1420存儲空間的起始端，以後的操作可根據模式的不同。而從不同的地址開始工作。當電路中錄放音轉換或進入省電狀態時，地址計數器復位為0。
(2)當PLAYL、PLAYE或REC變為低電平，同時A6，A7為高電平時，執行對應操作模式。這種操作模式一直執行到下一個低電平控制輸入信號出現為止，這一刻現行的地址/模式信號被取樣並執行。操作模式可以與微控制器一起使用，也可用硬體連線得到所需系統操作。
通過以上介紹可知，160段對應著160個地址，由A0～A7組合產生。要實現分段播放先要進行錄音，錄音可以採用高級的聲音處理軟體一次把聲音灌進語音模塊裡頭也可以採用分段錄音的方法進行分段錄製。在使用ISD1400系列的語音晶片時，應注意在REC和VCC之間接一個0.1 mF的電容，以防止在上電時出現錄音操作而破壞原來錄製的信息。
根據火控計算機系統報讀的需要，放音內容為軍用數字發音：「么、兩、三、四、五、六、拐、八、勾，洞」。我們利用A0～A7引腳的地址功能，通過聲音處理軟體結合ISD1420開發錄放板，一次把聲音灌進語音模塊ISD1420中。這樣每一個數字發音都對應一個內部存儲空間。可以通過調整語音晶片的地址(P2口控制)來選擇合適的數據播放。
由於在戶外使用，要求發出的聲音具有一定的響度，即要求語音電路有較大功率輸出。語音晶片ISD1420內部輸出級帶有放大器，其直接的揚聲器驅動功率為12.2 mW(16Ω負載)，這距離我們的實際需要相差很大，通常1 W以下的揚聲器可用LM386、D2283 D2822、MC34119、TA7368等晶片驅動，1 W～lO w的揚聲器用TDA2003、LA4440晶片驅動，因此後級功放必須保證能在低電壓下輸出大功率信號，以推動揚聲器發聲，在這裡我們選用了LA4440晶片驅動。
3.2 語音電路構成
語音部分電路設計見圖2所示，在該電路中設計了以單片機89C52為核心的語音報讀電路，89C52的P2口用來實現地址選擇，放音時先由軟體給出一個地址，就是一個語音段首址，在這一放音過程中地址是不能變化的;LA4440為音頻功放電路，將ISD1420的音頻輸出放大推動喇叭，通過調整電阻R1的阻值可控制音量大小;語音晶片ISD1420周圍的RC電路主要為了減小噪聲的影響;MAX813L則作為看門狗電路為單片機AT89C52提供上電復位和運行監控。
MAX232將火控計算機主機送過來的RS232電平信號轉換成TTL電平並送到單片機AT89C52，單片機AT89C52對火控計算機主機的狀態信息實時顯示並進行報讀，通過引腳P3.6控制ISD1420的放音，P2口用來調整放音地址。通過按地址分時播放就可以實現分段播放了，而分段播放的最大優點是可以只要一些基本的聲音就可以合成一段話。這樣可以節省語音模塊的空間，提高產品的靈活性，降低生產成本。分段播放可以用在一些發音的基本元素不多，但組合發音變化比較多的地方。
4 軟體設計
AT89C52的軟體設計相對簡單。主要包括與火控計算機主機的串行通訊程序(11.0592 MHz晶振、4800波特率、八位異步方式)，放音控制程序，顯示控制程序及看門狗程序。放音控制程序根據火控計算機系統的要求及實際情況，只對火控計算主機傳送來信息的目標距離量進行實時報讀。目標距離是實施射擊和掌握開火時機的重要依據。它的報讀原則是：「遠距離報讀間隔大一些，近距離報讀間隔小一些，開火報到點上」。報讀時，根據目標快速運動的特點，可以省略報讀字節，提高反應速度和報讀的清晰度。電平控制放音中開始地址和播放時間也是必不可少的，只要控制了這兩個參數就可以確定播出內容。
5 結束語
按上述方法設計出的語音電路報讀電路在某火控系統中得到實際應用，實踐證明運行可靠、準確，具有一定的使用價值。
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