新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 靖大同 吳向前 司志澤

1.引言

隨著城市文明化和現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，對(duì)建筑中電梯的服務(wù)要求也越來(lái)越高，現(xiàn)代電梯技術(shù)已朝著更快、更穩(wěn)、更安全及更人性化的方向迅速發(fā)展。電梯語(yǔ)音報(bào)站器就是體現(xiàn)其人性化設(shè)計(jì)的一個(gè)具體表現(xiàn)。用語(yǔ)音報(bào)告電梯將要到達(dá)或已經(jīng)到達(dá)的樓層信息、電梯的運(yùn)行狀態(tài)、歡迎詞和音樂(lè)等，可避免乘客搭錯(cuò)電梯或樓層、消除人們乘坐電梯的孤獨(dú)感。

ISD4004是Winbond公司的ISD4000系列語(yǔ)音芯片。它采用了“直接模擬量存儲(chǔ)”（DAST）專利技術(shù)，信號(hào)無(wú)需經(jīng)過(guò)D/A、A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字壓縮和語(yǔ)音合成等復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，減少了失真，使其聲音存儲(chǔ)效果較以前產(chǎn)品有大幅度提高，實(shí)際試聽(tīng)主觀評(píng)價(jià)可以達(dá)到磁帶錄音機(jī)的水平，是目前市場(chǎng)上錄放效果較好的語(yǔ)音電路之一。

本文以ATMEL公司的AT89C51和Winbond公司的ISD4004語(yǔ)音芯片為核心，設(shè)計(jì)了一種電梯語(yǔ)音服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電梯語(yǔ)音服務(wù)的智能化和自動(dòng)化，以適應(yīng)各種對(duì)服務(wù)要求比較高的電梯中。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由信號(hào)采集與隔離電路、單片機(jī)及其外圍電路、語(yǔ)音芯片電路和電源電路四大部分組成。電梯的樓層信號(hào)經(jīng)過(guò)采集隔離處理后送至單片機(jī)，單片機(jī)分析、判斷、提取出有效信息，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理輸出控制信號(hào)控制語(yǔ)音芯片電路實(shí)時(shí)播報(bào)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

2.1 ISD4004語(yǔ)音芯片介紹及接口電路

ISD4004語(yǔ)音芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含內(nèi)部時(shí)鐘、采樣時(shí)鐘、平滑濾波器、自動(dòng)靜噪、音頻放大器、高密度多電平Flash ROM存儲(chǔ)器及防混疊濾波器等，通過(guò)串行通信接口(SPI或Microwire總線協(xié)議)與微控制器(如MCS-51芯片)相連，所有操作均由微控制器控制。內(nèi)部采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)Flash ROM存儲(chǔ)器中，因此能逼真、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)等聲響效果，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”。采樣頻率可為4.0kHz、8.0kHz。頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，音質(zhì)則有所下降。片內(nèi)信息存于Flash ROM中，可在斷電情況下保存100年（典型值），反復(fù)錄放10萬(wàn)次。器件工作電壓3V，工作電流25~30mA，維持電流1uA，單片錄放語(yǔ)音時(shí)間8~16min，音質(zhì)好，廣泛應(yīng)用于公共汽車語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)、移動(dòng)及自動(dòng)應(yīng)答電話設(shè)備及語(yǔ)音復(fù)讀機(jī)等電子產(chǎn)品中。

2.1.1 SPI端口控制寄存器位及ISD4004控制命令

ISD4004工作于SPI串行接口。SPI串行接口是高速同步串行口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的全雙工四線同步雙向串行總線。SPI協(xié)議是一個(gè)同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動(dòng)作。因此，對(duì)ISD4004而言，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。

2.1.2 ISD4004語(yǔ)音芯片SPI總線接口時(shí)序及命令格式

ISD4000系列語(yǔ)音芯片SPI總線參數(shù)如表1所示，ISD4004芯片支持8位、16位命令格式，傳輸時(shí)序及8、16位命令格式如圖2、3、4所示。

從SPI總線時(shí)序可以看出：其SPI總線時(shí)序與SPI總線接口存儲(chǔ)器EEPROM 25C01/02/04兼容。在接收控制命令時(shí)，先接收LSB(這要求SPI總線控制器先輸出LSB)；空閑時(shí)，SCLK為低電平，在SCLK上升沿鎖存MOSI引腳上的信息，如表1所示。

表1 ISD4004語(yǔ)音芯片SPI總線參數(shù)

2.2 ISD4004外圍接口電路

I S D 4 0 0 4 外圍接口電路主要由ISD4004、麥克X1及相關(guān)外圍電路構(gòu)成。聲音信號(hào)由X1轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)電容C31耦合，三極管Q4放大后由IN-引腳進(jìn)入ISD4004，由ISD4004采樣和保存。錄音播放電路主要由ISD4004、LM386等構(gòu)成。聲音信號(hào)由ISD4004的AUDOUT引腳輸出，經(jīng)電容耦合送入LM386芯片，放大后由VOUT引腳輸出并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。如圖5所示，ISD4004外圍接口電路。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 放音過(guò)程

(1)執(zhí)行上電操作命令(POWER UP)；(2)延遲等待，直到上電結(jié)束(當(dāng)采樣頻率為8 kHz時(shí)，上電延遲時(shí)間約為25 ms)；(3)執(zhí)行“SET PLAY”命令，設(shè)置放音段起始地址；(4)執(zhí)行“PLAY”命令，從當(dāng)前地址開始放音，遇到段結(jié)束標(biāo)志EOM或存儲(chǔ)器末尾標(biāo)志OVF時(shí)停止放音，同時(shí)INT引腳輸出低電平，指示當(dāng)前段播放結(jié)束。

當(dāng)需要播放兩段或兩段以上時(shí)，如果段與段之間間隔很小時(shí)，可在上一段播放結(jié)束后，延遲一段時(shí)間(需通過(guò)試聽(tīng)確定延遲時(shí)間的長(zhǎng)短，一般為數(shù)十毫秒)再播放下一段。放音過(guò)程如圖6所示。在放音操作過(guò)程中，執(zhí)行“STOP”或“STOP WRDN”命令時(shí)，將終止當(dāng)前放音操作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳輸時(shí)序

圖3 8位命令格式

圖4 16位命令格式

圖5 ISD4004外圍接口電路

圖6 放音流程

圖7 錄音流程

3.2 錄音過(guò)程

(1)執(zhí)行上電操作命令(POWER UP)；(2)延遲等待，直到上電結(jié)束(當(dāng)采樣頻率為8 kHz時(shí)，上電延遲時(shí)間TPUD約為25 ms)；(3)再執(zhí)行上電命令(POWER UP)；(4)延遲兩倍上電等待時(shí)間(即延遲2×TPUD時(shí)間；(5)執(zhí)行“SET REC”命令，設(shè)置錄音段的起始地址。

執(zhí)行“REC”命令，從當(dāng)前地址開始錄音，直到出現(xiàn)存儲(chǔ)器末尾標(biāo)志OVF信號(hào)。

在錄音過(guò)程中，未錄到存儲(chǔ)器末尾時(shí)，就執(zhí)行“STOP”或“STOP WRDN”命令，將終止當(dāng)前錄音操作，并產(chǎn)生EOM標(biāo)志。因此，可利用這一特性在芯片上錄制多段語(yǔ)音信息?？梢?jiàn)，錄音過(guò)程與放音過(guò)程相似，只是每次錄音操作操作只能錄一段，如圖7所示。

程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)ISD4004的操作。ISD4004有許多操作命令如表4所示，這些命令通過(guò)SPI接口傳給ISD4004。AT89C51單片機(jī)沒(méi)有SPI接口，因此需要程序模擬SPI接口。下面重點(diǎn)給出ISD4004芯片初始化程序及程序模擬SPI接口向ISD4004發(fā)送單字節(jié)指令。

初始化ISD4004芯片，代碼如下：

void Ini_ISD(void)

{

ISD_OneCode(POWERUP);

Delay50ms();

ISD_OneCode(POWERUP);

Delay50ms();

Delay50ms();

}

程序模擬SPI接口向ISD4004發(fā)送單字節(jié)指令，代碼如下：

void ISD_OneCode(uchar CCode)

{

ISD_CS=0;

//單字節(jié)指令

ISD_WriteSpi(CCode);

//適用于：POWERUP,STOPPLAY,STOP REC,PLAY,REC

ISD_CS=1;

}

4.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹基于ISD4004、單片機(jī)AT89S51的電梯語(yǔ)音系統(tǒng),經(jīng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，功耗小，音量可調(diào)，輸出的語(yǔ)音清晰，音色優(yōu)美，對(duì)電梯的安全、穩(wěn)定運(yùn)行無(wú)干擾，實(shí)現(xiàn)了電梯語(yǔ)音服務(wù)的智能化和自動(dòng)化。

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