新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 靖大同 吳向前 司志澤
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)無需經(jīng)過D/A、A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)字壓縮和語音合成等復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理過程,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,是目前市場上錄放效果較好的語音電路之一。
本文以ATMEL公司的AT89C51和Winbond公司的ISD4004語音芯片為核心,設(shè)計(jì)了一種電梯語音服務(wù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電梯語音服務(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。
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)過運(yùn)算處理輸出控制信號(hào)控制語音芯片電路實(shí)時(shí)播報(bào)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。
ISD4004語音芯片采用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)語音、音樂、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,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10萬次。器件工作電壓3V,工作電流25~30mA,維持電流1uA,單片錄放語音時(shí)間8~16min,音質(zhì)好,廣泛應(yīng)用于公共汽車語音報(bào)站系統(tǒng)、移動(dòng)及自動(dòng)應(yīng)答電話設(shè)備及語音復(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語音芯片SPI總線接口時(shí)序及命令格式
ISD4000系列語音芯片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語音芯片SPI總線參數(shù)
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。
(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(需通過試聽確定延遲時(shí)間的長短,一般為數(shù)十毫秒)再播放下一段。放音過程如圖6所示。在放音操作過程中,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
(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音信息??梢?,錄音過程與放音過程相似,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SPI接口傳給ISD4004。AT89C51單片機(jī)沒有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;
}
本文介紹基于ISD4004、單片機(jī)AT89S51的電梯語音系統(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),輸出的語音清晰,音色優(yōu)美,對(duì)電梯的安全、穩(wěn)定運(yùn)行無干擾,實(shí)現(xiàn)了電梯語音服務(wù)的智能化和自動(dòng)化。
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