陳暑生 馬國欣 曾駿君 陸聰 袁玲

（1.華南理工大學 自動化科學與工程學院 2.華南理工大學 電子與信息學院）

1 引言

盲人識字輔助系統(tǒng)由盲人顯示器、智能語音發(fā)聲裝置、SD卡存儲等模塊組成。

盲人顯示器是系統(tǒng)的核心組成部件，包括二維運動控制系統(tǒng)、顆粒物掉落控制裝置、步進電機驅(qū)動電路等組成。通過控制顆粒物掉落裝置在二維平面內(nèi)運動，當某像素點處有字跡時，打開顆粒物掉落裝置的閥門，令顆粒落下，即形成突起，供盲人觸摸，達到盲人識字的功能。

盲人識字輔助系統(tǒng)各部分的功能如下：

(1) 二維運動控制系統(tǒng)是顯示器最重要的部分。通過分別控制兩個維上的步進電機，使顆粒物掉落裝置能夠做二維平面上的運動，作為各個基本像素點。

(2) 顆粒物掉落裝置完成最終的文字突起的任務(wù)。當確認某像素點位置有字跡時，打開閥門，令顆粒物落下。

(3) 步進電機驅(qū)動電路。用來驅(qū)動二維運動平臺上的步進電機。

(4) 智能語音發(fā)聲裝置實現(xiàn)發(fā)聲輔助，達到真正意義上的同步。當盲人觸摸顯示器上的盲文時，將文字的發(fā)聲讀出，幫助記憶、學習。

(5) SD卡用來存儲盲文字庫及學習文檔。

(6) 顆粒物鎖存裝置，利用薄膜將顯示形成顆粒物鎖住，以確保盲人在觸摸顯示器的時候不至于將顆粒物移動。

(7) 顆粒物回收設(shè)備，用于每次顯示完之后的顆粒物清除及回收，以方便下一次顯示。其原理是，由電機控制一個與顯示面板直接接觸的毛刷進行運動，將顆粒物推入回收溝槽。

盲人識字輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 盲人識字輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 盲人顯示器硬件結(jié)構(gòu)

盲人顯示器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 盲人顯示器硬件結(jié)構(gòu)圖

盲人顯示器由兩個步進電機分別控制滑塊在水平面上做二維運動。X方向電機3上的齒輪帶動齒條4直接完成一維運動，其中1為X方向滑動導軌，在電機3作用下滑塊2可以作X方向的運動；Y軸方向上，滑塊2上固定著電機6及蝸桿7，當電機6帶動蝸桿7轉(zhuǎn)動時，會推動滑片8使得滑塊5做Y方向上的運動[1]?；瑝K5的Y方向滑動導軌忽略未畫出，滑塊5上安裝著顆粒物掉落裝置9，下文將作詳細介紹。兩電機配合，可控制滑塊到達二維平面上的任意位置，精度由電機決定。

顆粒物掉落裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?；瑝K上5設(shè)有顆粒物掉落裝置，由顆粒物錐型容器13、步進電機 10、滑片 12等組成。當滑片12移開容器口，相當于閥門打開，則顆粒物向下漏下，形成文字突起[1]?；?12固定于電機10的軸上，可隨之旋轉(zhuǎn)，即閥門的打開及關(guān)閉通過控制步進電機左右轉(zhuǎn)動即可。

圖3 顆粒物掉落裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能語音發(fā)聲模塊設(shè)計

目前的語音合成技術(shù)比較發(fā)達，出現(xiàn)了一些語音合成芯片，只需通過串口將單字或詞語的編號通過串口打進去，即可完成發(fā)音，非常方便。

本系統(tǒng)中，我們采用了SYN6288芯片。SYN6288語音合成芯片的特點：SYN6288通過異步串口（UART）通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實現(xiàn)文本到語音（或TTS語音）的轉(zhuǎn)換；支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE內(nèi)碼格式的文本；具有智能的文本分析處理算法，可正確識別數(shù)值、號碼、時間日期及常用的度量衡符號。

語音發(fā)聲模塊及外圍原理圖如圖4所示，通過串口引腳直接與單片機連接，無需電平轉(zhuǎn)換。

2.3 SD卡模塊設(shè)計

本系統(tǒng)中，SD卡用于存儲盲文字庫或盲人希望閱讀的圖像及文檔。

SD卡有兩個可選的通信協(xié)議：SD模式、SPI模式。SD模式是SD卡標準的讀寫方式，但是在選用SD模式時，往往需要選擇帶有SD卡控制器接口的MCU，或者必須加入額外的 SD卡控制單元以支持SD卡的讀寫[2]。由于單片機上有 SPI接口，在 SPI模式下，通過四條信號線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，因此選用SPI模式進行通信。SD卡模塊原理圖如圖5所示。

圖4 SYN6288語音模塊電路圖

圖5 SD卡模塊原理圖

2.4 步進電機驅(qū)動電路

本系統(tǒng)中，使用L297+L298作為兩相雙極性的步進電機驅(qū)動電路，它采用定電流方式驅(qū)動，每相電流峰值可達2A。L297是步進電機控制器，用來產(chǎn)生兩相雙極性驅(qū)動信號（A、B、C、D），同時可進行電機電流值設(shè)定。L298用來驅(qū)動步進電機的電力輸出，是雙全橋連接方式驅(qū)動，由于電機線圈完全利用，使步進電機可以到達最佳的驅(qū)動[3]。驅(qū)動原理圖如圖 6所示，其中CW/CCW、CLOCK、ENABLE與單片機引腳相連，分別控制正反轉(zhuǎn)、提供脈沖時鐘及使能。

2.5 ATmega32系統(tǒng)模塊設(shè)計

ATmega32是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏輯單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器高至10倍的數(shù)據(jù)吞率[4]。

圖6 步進電機驅(qū)動原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 盲人顯示器軟件設(shè)計

盲人顯示器中，軟件程序設(shè)計主要針對二維運動控制及顆粒物掉落裝置上的閥門打開及關(guān)閉控制。

二維運動控制采用先行掃描，后列掃描的方式。由于本系統(tǒng)中顆粒物掉落裝置上的閥門的控制也采用步進電機來實現(xiàn)，因此閥門的打開與關(guān)閉實際上也是控制步進電機轉(zhuǎn)過小角度，只是轉(zhuǎn)動的方向不同。具體控制流程如圖7所示。

步進電機的控制，程序僅需控制方向及時鐘脈沖，高低電平各代表一種轉(zhuǎn)動方向，每接受一個脈沖電機走一步，即1.8度[3]。

3.2 智能語音發(fā)聲軟件設(shè)計

當需要令SYN6288語音合成芯片發(fā)出文字讀音時，應(yīng)使單片機通過串口發(fā)送特定格式的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包的格式如下，主要是一些約定的字節(jié)以及后續(xù)需要發(fā)音的文字文本。

數(shù)據(jù)格式具體如下：

3.3 SD卡存儲設(shè)計

SD卡的數(shù)據(jù)寫入是以塊為單位，每塊為512字節(jié)，由于單片機片上RAM是2K，可以通過建立一個512字節(jié)的臨時緩存數(shù)組，將數(shù)組一次性寫入SD卡，滿足要求[4]。每讀出512字節(jié)數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要將其處理后用來控制盲人顯示器及語音發(fā)聲模塊。

3.4 主程序設(shè)計

系統(tǒng)開機初始化后，讀取當前SD卡內(nèi)容，控制盲人顯示器將文字顯示出來，供盲人觸摸，并將該文字的讀音發(fā)出。通過簡單的按鍵操作，可以由盲人自行控制上下翻頁，以及文字重復語音播放等。主程序流程圖如圖8所示。

圖7 盲人顯示器工作流程

圖8 主程序工作流程圖

4 結(jié)論

本盲人識字輔助系統(tǒng)可以幫助盲人識字，核心部分在于盲人顯示器，即盲文字跡突起的實現(xiàn)；配合智能語音發(fā)聲模塊，可以在盲人觸摸盲文的同時，將對應(yīng)的發(fā)音報出，達到語音及盲文的絕對同步，真正實現(xiàn)無人看守。同時，利用SD的海量存儲容量，可以將盲文字庫及相關(guān)文檔存入其中，更加便捷，同時方便資料更新。本系統(tǒng)將在盲人識字等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮較為重要的作用，同時，系統(tǒng)所涉及的各項技術(shù)有著廣闊的背景，稍加改造可以應(yīng)用于其它領(lǐng)域。

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