王曉麗 和雪姣 黃志福

(1:吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，長春 130118;2:啟明信息技術(shù)股份有限公司，長春 130122)

在交通發(fā)達(dá)的現(xiàn)代社會，大街小巷行駛著各種機(jī)動車輛都能發(fā)出不同程度的聲音，行走在馬路上的人們已熟悉了各種不同車輛的發(fā)動機(jī)聲音，憑耳朵就能判斷出其行駛的速度與距離.但近年來推出的電動助力汽車，由于使用噪聲很低的無刷電機(jī)，人們幾乎感覺不到它的存在，這在靠近行人時尤其危險.此時如果鳴響喇叭予以提醒，一是不夠文明;二是當(dāng)行人突然聽到喇叭聲臨近會“慌不擇路”，反而易導(dǎo)致事故發(fā)生.而要讓噪聲分貝很低的電動助力汽車使行人感到它的臨近，有意識地去提高電動機(jī)的聲音又覺得不妥.為此，若在電動汽車中裝載上聲音模擬器，專用于播放模擬電動汽車在不同速度下行駛時發(fā)出的聲音，對行人做出避讓提示，既環(huán)保又大大提高了電動汽車行駛的安全性.

1 聲音模擬器的功能及特點

在電動汽車上安裝聲音模擬器，包括機(jī)殼、內(nèi)置足夠功率的揚聲器和記錄了模擬汽車發(fā)動機(jī)聲音的電路線路板，機(jī)殼的上面板上設(shè)有音量調(diào)節(jié)旋鈕和模擬聲指示燈;在機(jī)殼的正側(cè)面設(shè)有電源指示燈，汽車模擬聲按鈕，聲音模擬器的電源取自電動汽車蓄電池，其中，音量調(diào)節(jié)旋鈕還與把手上的霍爾并聯(lián)連接.

當(dāng)電動車的駕駛者看到前面有行人正在同方向行走，或者行人橫過道路未發(fā)現(xiàn)側(cè)后方有電動汽車駛來時，即可打開模擬聲開關(guān)，根據(jù)實際需要而發(fā)出汽車的模擬聲，提醒行人回頭觀望，從而采取避讓措施.

聲模擬器具有3個特點:①聲音柔和;②能夠提醒行人，盡量不產(chǎn)生噪聲污染;③聲音抵消電驅(qū)動系統(tǒng)自身的高頻噪音.

2 聲音模擬器中語音處理系統(tǒng)的功能及特點

該方案中，利用MCU和音頻放大芯片，通過霍爾信號和轉(zhuǎn)動方向盤信號(以下簡稱轉(zhuǎn)把信號)來檢測當(dāng)前的車速，播放模擬電動汽車在不同速度下行駛的聲音，從而對行人做出避讓提示.利用MCU和語音處理軟件實現(xiàn)的聲音處理系統(tǒng)的原理如圖1所示.其中:

圖1 系統(tǒng)原理

(1)HALL信號與轉(zhuǎn)把信號通過A/D轉(zhuǎn)換器輸入MCU;

(2)定時器輸出的PMW頻率為80 K;

(3)電源電壓為48 V;

(4)校準(zhǔn)器為5 V輸出穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓管;

(5)功能模塊輸出電壓為15 V.

該方案具有如下功能及特點:

(1)操作簡單，利用上位機(jī)軟件，可以快速得到需要的音頻數(shù)據(jù)文件;

(2)占用資源少，MCU使用端口少，只需要利用2個8 bit的定時器，以及一個PWM的輸出端口，即可滿足音頻輸出要求［1］;

(3)兼容性強，該音頻放大芯片，可使用的MCU多樣化，軟件音頻庫可以適用于大部分的MCU產(chǎn)品;

(4)擴(kuò)展性好，該方案的MCU也可以同時用于新能源電動汽車的主面板的控制.

3 語音處理系統(tǒng)

3.1 主控MCU資源的使用

由于該方案具有通用性，因此使用ROM較大且資源豐富的通用芯片.該芯片有內(nèi)置8 M振蕩器，最多有55個I/O可供選擇，具有低電壓保護(hù)功能，豐富的通訊接口，多路定時器，以及看門狗功能，該MCU還集成了乘除法器的模塊［2］.主控MCU資源的使用見圖2.其中:

(1)MCU:VDD=2.7 V ～5.5 V ，T A=(－40)～(+85)℃;

(2)8位定時器:需要兩個8位定時器和一個PWM的輸出;

(3)A/D轉(zhuǎn)換功能模塊:前端對模擬信號的采集需要用到A/D端口;

(4)存儲器:128 KM，為了存放音源數(shù)據(jù)，需要較大的ROM空間;

(5)中斷控制:如果需要判斷霍爾信號，需要用到外部中斷信號;

(6)外部震蕩器:為了獲得更高的PWM頻率，使用20 M的外部振蕩器.

圖2 主控MCU資源使用框圖

3.2 音頻放大器

該放大器在8Ω的負(fù)載電阻的情況下可輸出15 W雙通道功率，支持PWM輸入，單電壓范圍從11 V～25 V之間，嵌入過電流和過溫保護(hù)及低電壓保護(hù)等監(jiān)控模塊，具有靜音和播放等待功能，且載波頻率及輸出功率可通過外部電阻調(diào)節(jié).在靜音狀態(tài)和等待狀態(tài)的控制輸入終端加上電壓，可以對靜音狀態(tài)、等待狀態(tài)和正常運行狀態(tài)進(jìn)行控制.

(1)等待狀態(tài). 當(dāng)截斷所有MOSFET(場效應(yīng)晶體管)的輸出并靜音時，等待狀態(tài)所消耗的電流達(dá)到最小值.除了等待狀態(tài)控制電路之外，由于其他所有電路完全停止運行，同時也停止輸出一個脈沖調(diào)整信號，所以不會產(chǎn)生輸出噪音［3］.

(2)靜音狀態(tài). 靜音一個輸入信號和一個輸出信號，與此同時輸出一個脈沖調(diào)整信號.

為了防止因為對放大器的非正常操作而引起的損壞，該放大器嵌入了保護(hù)電路.

(1)過流保護(hù)電路. 過流保護(hù)電路用于檢測輸出功放FET非正常操作時的過大電流，并及時保護(hù)集成電路.能被檢測到的電流值一般為7 A左右.

(2)過溫保護(hù)電路. 過溫保護(hù)電路用于檢測由于非正常操作而引起的過溫現(xiàn)象，并及時對集成電路提供保護(hù).當(dāng)外部節(jié)點的溫度達(dá)到150℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度時，過溫保護(hù)電路開始工作.過溫保護(hù)開始值:150℃;過溫保護(hù)恢復(fù)值:120℃

(3)低壓保護(hù)電路. 低壓保護(hù)電路用于檢測供電電壓非正常操作時引起的低壓現(xiàn)象并給予保護(hù).當(dāng)AC總線上的功率增加或減少，負(fù)載電流改變，供電電壓臨時降低時，低壓保護(hù)電路開始工作.該電路不僅可以防止非正常操作導(dǎo)致的損壞，而且可以將噪聲降低至最小.低壓保護(hù)檢測值:7 V;低壓保護(hù)釋放值:8 V

當(dāng)上述3種保護(hù)電路運行時，音頻放大器的所有FET輸出狀態(tài)都變成“Hi－Z”狀態(tài)，并且輸出終端為“打開”.

(4)恢復(fù). 由一種保護(hù)電路狀態(tài)恢復(fù)為正常運行狀態(tài)是系統(tǒng)自動執(zhí)行的.通常一種保護(hù)電路正在運行，每經(jīng)過一個恒定的時間，系統(tǒng)就會自動執(zhí)行恢復(fù).

如果取消一種保護(hù)狀態(tài)，系統(tǒng)將恢復(fù)到正常運行的狀態(tài);如果該保護(hù)狀態(tài)沒有被取消，那么，這個保護(hù)狀態(tài)通常會繼續(xù)被執(zhí)行.由一種保護(hù)狀態(tài)恢復(fù)為正常運行狀態(tài)的循環(huán)時間取決于與保護(hù)狀態(tài)定時器相連的電容器的電容值，當(dāng)電容值為10 uF(設(shè)定值)時，循環(huán)的時間改變0.7 s.

3.3 上位機(jī)軟件的設(shè)計

上位機(jī)軟件的設(shè)計基于主界面操作簡單，編輯過程方便的兩大特點，在主界面左側(cè)顯示音頻波形，右側(cè)設(shè)置相關(guān)應(yīng)用圖標(biāo)，如“打開文件”、“保存文件”、“開始播放”、“終止播放”、“輸出數(shù)據(jù)”等圖標(biāo)，使操作人員一目了然，因此，加載音頻的操作步驟快捷方便.具體操作如下:

(1)打開軟件，選擇軟件中的“打開文件”圖標(biāo)，找到需要的音頻文件(wav格式);

(2)點擊“輸出數(shù)據(jù)”圖標(biāo)，根據(jù)需要選擇2 bit解碼或者4 bit解碼，以及編輯語言如C語言;

(3)選擇需要保存的路徑，并命名，生成需要的.C文件.

軟件庫源文件的調(diào)用過程具體分為以下3個步驟:

(1)把語音庫添加到工程中;

(2)把生成的語音文件添加到工程中;

(3)利用庫函數(shù)調(diào)用語音文件中的數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)的PWM［4］.

4 用MCU和語音處理軟件實現(xiàn)語音處理系統(tǒng)

上述表明，用MCU和語音處理軟件來實現(xiàn)聲音模擬器中的語音處理系統(tǒng)，因為不需要語音合成集成電路，可減少部件數(shù)量，語音處理系統(tǒng)見圖3.此方案能滿足電動汽車對聲音模擬器的所有要求，即能夠提醒行人注意到車輛的存在，且聲音柔和盡量不產(chǎn)生噪聲污染，聲音抵消電驅(qū)動系統(tǒng)自身的高頻噪聲.

圖3 語音處理系統(tǒng)框圖

5 結(jié)論

本文針對目前電動汽車過于安靜的問題，提出了安裝聲音模擬器的解決方案，重點闡述了聲音模擬器的功能及特點，以及聲音模擬器中語音處理系統(tǒng)的功能、特點和具體實現(xiàn)方法，即用MCU和語音處理軟件來實現(xiàn)聲音模擬器中的語音處理系統(tǒng)，并分別詳細(xì)分析主控MCU資源的使用、音頻放大器性能特征和上位機(jī)軟件的操作流程.該方案的提出，有效地解決了電動汽車過于安靜的問題，使行人在遠(yuǎn)距離就能夠感到有車輛靠近，從而及時發(fā)現(xiàn)車輛，避免或減少電動汽車與行人相撞等交通事故的發(fā)生.

［1］沙占友，昌春來，李春明.語音處理技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電子測量技術(shù)，2000(2):20－24.

［2］李勇華，萬旺根.一種新型語音處理系統(tǒng)［J］.上海大學(xué)學(xué)報，1999(3):33－37.

［3］易小琳，王 鑫，曹 屹.帶噪語音處理系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.計算機(jī)工程，1999(11):46－49.

［4］王大方，殷小貢.數(shù)字語音處理軟件及其接口電路設(shè)計［J］.電訊技術(shù)，2003(2):52－56.