徐娟娟，趙建平

(曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院，山東 曲阜 273165)

0 引言

近幾年，盜車團(tuán)伙、汽車偷盜案件越來(lái)越多，給人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。市面上隨之出現(xiàn)了各種各樣的汽車防盜器，語(yǔ)音提醒應(yīng)用在汽車遠(yuǎn)程防盜系統(tǒng)上充分體現(xiàn)了產(chǎn)品的人性化。語(yǔ)音芯片U6295已經(jīng)形成了一定的市場(chǎng)規(guī)模，但編程和應(yīng)用方面較為復(fù)雜，尋找這一芯片的替代品已經(jīng)迫在眉睫。廣州唯創(chuàng)電子開(kāi)發(fā)的WT588D語(yǔ)音模塊在硬件上兼容U6295語(yǔ)音芯片產(chǎn)品，使用電壓范圍廣，體積小，靜態(tài)電流低，外圍電路簡(jiǎn)潔，有更大的應(yīng)用價(jià)值。

防盜系統(tǒng)控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103R8T6單片機(jī)，其功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性好。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能:如果有異常情況(車劇烈震動(dòng)、車門或者前后備箱被非法打開(kāi)、有人進(jìn)入車內(nèi))發(fā)生時(shí)，汽車在聲光報(bào)警的同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音提醒，并發(fā)送短信告知車主;如果有人盜車，車主可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送指令讓汽車斷油斷電。語(yǔ)音模塊中可以錄入自己或者家人的語(yǔ)言，這樣聽(tīng)起來(lái)更加形象逼真。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 汽車遠(yuǎn)程防盜系統(tǒng)總體框架

汽車遠(yuǎn)程防盜系統(tǒng)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、信息采集模塊、語(yǔ)音模塊、GSM模塊、控制電路和電源模塊幾個(gè)部分。一旦有偷盜汽車的行為，多路傳感器(紅外線傳感器、震動(dòng)傳感器、薄型壓力開(kāi)關(guān))采集到信號(hào)，送入到STM32F103R8T6。單片機(jī)根據(jù)送入的信號(hào)，啟動(dòng)語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音提醒[1]，并將信息通過(guò)GSM模塊發(fā)送到車主手機(jī)。單片機(jī)如果接收到車主發(fā)送的斷油斷電指令，則啟動(dòng)控制模塊進(jìn)行斷油斷電。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.2 STM32F103R8T6單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32F103R8T6單片機(jī)，晶振，JTAG接口和復(fù)位電 路 組 成。STM32F103R8T6增強(qiáng)型單片機(jī)使用高性能的ARM Cortex－M3，32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置64 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)的 SRAM，64個(gè)增強(qiáng) IO端口，3個(gè)通用16位定時(shí)器。多達(dá)兩個(gè) I2C和 SPI、3個(gè) USART，方便GSM模塊和GPS模塊的接入。STM32F103R8T6采用64管腳的LQFP封裝，供電電壓在2.0 V到3.6 V，省電模式保證低功耗的要求，性價(jià)比高。單片機(jī)采用8 MHz和32.768 KHz的外部晶振，復(fù)位電路設(shè)計(jì)成按鍵復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位的方式。電路圖如圖2所示。

圖1 防盜系統(tǒng)總體框圖

1.3 WT588D語(yǔ)音模塊

WT588D語(yǔ)音模塊采用WT588D－20SS作為核心控制電路，內(nèi)部包含WT588D－20SS外圍所需的SPI－FLASH、震蕩電路、復(fù)位電路。支持2M－32Mbit的SPI－Flash存儲(chǔ)器，系統(tǒng)語(yǔ)音提醒有DAC/PWM兩種輸出方式，PWM輸出可直接推動(dòng)0.5 W/8 Ω揚(yáng)聲器，推挽電流充沛。模塊可設(shè)置為按鍵控制模式、一線串口控制模式或者三線串口控制模式，外圍電路簡(jiǎn)單。完全支持6～20 kHz的音頻加載[2]，并且可以將加載的音頻音質(zhì)完整無(wú)損的播放出來(lái)，對(duì)于同樣容量的存儲(chǔ)器，采樣率越大，錄音時(shí)間越短。語(yǔ)音模塊的內(nèi)部電路如圖3所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路

圖3 WT588D模塊內(nèi)部電路圖

本系統(tǒng)選用容量為32 Mbit存儲(chǔ)器容量的語(yǔ)音模塊，用8 kHz(音頻常用的采樣率)采樣時(shí)，錄音時(shí)間長(zhǎng)達(dá)790 s，滿足語(yǔ)音提醒的要求。報(bào)警系統(tǒng)中，語(yǔ)音提醒需要較高分貝，為了驅(qū)動(dòng)大功率的揚(yáng)聲器，輸出用DAC接功放的形式，電路圖如圖4所示，R21和C18并聯(lián)到地接功放。功率放大器選用TDA2030，額定功率達(dá)14 W，價(jià)格實(shí)惠，應(yīng)用廣泛。語(yǔ)音模塊與單片機(jī)的連接采用三線串口控制模式，和標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI不同，WT588D只接收單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)、指令和時(shí)鐘信號(hào)，而不需要發(fā)送數(shù)據(jù)。在這種三線串口模式下，P01為 DATA數(shù)據(jù)口，P02為片選 CS，P03為 CLK時(shí)鐘，分別與單片機(jī)的 SPI1_MOSI、SPI1_NSS、SPI1_SCK連接。WT588D語(yǔ)音模塊占用單片機(jī)的一個(gè)SPI端口，豐富的其他端口可以控制其他外設(shè)。模塊供電電壓2.8 V－3.6 V，選用3.3 V，此時(shí)，短接VCC和VDD。BUSY忙信號(hào)輸出端，當(dāng)輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮，此時(shí)為放音狀態(tài)。WT588D模塊應(yīng)用范圍廣，幾乎可以涉及到所有的語(yǔ)音場(chǎng)所，如報(bào)站器、報(bào)警器、鬧鐘、智能家

電等各種自動(dòng)控制場(chǎng)所，工藝上達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求。

圖4 WT588D的外圍電路圖

1.4 信息采集模塊和GSM模塊

信息采集部分采用6路薄型壓力開(kāi)關(guān)采集車門和前后備箱的狀態(tài)分別送入單片機(jī)的PC0～PC3、PA0和PA1口。用振動(dòng)傳感器來(lái)感知車是否發(fā)生了劇烈震動(dòng)，若有異常情況，震動(dòng)傳感器輸出低電平信號(hào)，送入單片機(jī)PC5口。將采集的信息傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。若有人進(jìn)入了車內(nèi)，紅外線傳感器能夠檢測(cè)到這一信息，經(jīng)過(guò)處理，送進(jìn)單片機(jī)PB0管腳。

GSM模塊選用華為的EM310，EM310 GSM支持串行接口，通過(guò)UART接口與外界進(jìn)行串行通信，和 STM32F103單片機(jī)的RXD0和TXD0連接，AT指令輸入［3］。UART支持可編程的數(shù)據(jù)寬度、可編程的數(shù)據(jù)停止位、可編程的奇偶校驗(yàn)或者沒(méi)有校驗(yàn)。最高支持115.2 kbit/s波特率，最低支持 300 bit/s的波特率，默認(rèn)支持9 600 bit/s的速率，支持波特率掉電保存。GSM模塊有標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡接口(3 V，1.8 V)，GSM 模塊連接電路圖如圖5。

圖5 GSM模塊的連接框圖

1.5 汽車斷油控制電路和系統(tǒng)電源模塊

系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況，由單片機(jī)處理后，通過(guò) GSM模塊發(fā)送到車主手機(jī)，車主發(fā)送指令控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)了被盜。在汽油噴射系統(tǒng)的電源線上加裝常閉型汽車斷電繼電器，控制汽油噴射系統(tǒng)的供電電源[4]。電路圖如圖6所示，R43、R44起到限流的作用，當(dāng) CONT2為高電平時(shí)，Q5導(dǎo)通，繼電器打開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)了斷油斷電。正常情況下，CONT2輸出低電平，Q5截止，繼電器閉合，汽車可以供油供電。繼電器線圈由導(dǎo)通變截止時(shí)，會(huì)感生出較大的自感電動(dòng)勢(shì)，容易擊穿三極管，因此在繼電器兩端反向并聯(lián)二極管IN4007，吸收該電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)三極管。

汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)供電，供電電壓為12 V，單片機(jī)、語(yǔ)音模塊和GSM模塊所需電壓為3.3 V，需要設(shè)計(jì)由12 V電壓轉(zhuǎn)為3.3 V的電源電路，選用LM2596固定輸出穩(wěn)壓芯片，輸出電流達(dá)3 A，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，電源電路設(shè)計(jì)可參考LM2596數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖6 控制斷油電路

2 軟件設(shè)計(jì)

防盜系統(tǒng)中的軟件部分主要包括單片機(jī)初始化、對(duì)GSM模塊的控制、繼電器的驅(qū)動(dòng)和語(yǔ)音模塊的控制幾個(gè)部分，此處介紹語(yǔ)音模塊的軟件設(shè)計(jì)。

表1 語(yǔ)音文件在WT588D模塊中對(duì)應(yīng)的地址

圖7 控制時(shí)序圖

首先，將語(yǔ)音寫進(jìn)語(yǔ)音模塊。在電腦上的WT588D VioceChip軟件上新建一個(gè)工程文檔，在工程文檔里加載語(yǔ)音提醒語(yǔ)句，WT588D語(yǔ)音模塊有220個(gè)可控地址位，每個(gè)地址加載一段語(yǔ)音，如果想重復(fù)播放可以加載兩遍同樣的語(yǔ)音，也可以通過(guò)編寫程序設(shè)置重復(fù)播放。表1是部分語(yǔ)音文件對(duì)應(yīng)在語(yǔ)音模塊中的地址。把軟件上相應(yīng)的選項(xiàng)設(shè)置為三線串口控制方式，DAC音頻輸出，BUSY端設(shè)置為高(無(wú)語(yǔ)音播放時(shí)BUSY為高，發(fā)光二極管不亮)。然后將裝有語(yǔ)音的工程文檔編譯成 BIN文件后，使用WT588D Mini Download下載器，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線，將工程信息下載到WT588D模塊中。

然后，由程序控制單片機(jī)發(fā)送地址數(shù)據(jù)。按照SPI通信標(biāo)準(zhǔn)，復(fù)位信號(hào)在發(fā)碼前先拉低5 ms，然后拉高等待17 ms，工作時(shí)RESET一直高電平。片選信號(hào)CS拉低5 ms以喚醒WT588D語(yǔ)音芯片。單片機(jī)從EEPROM中讀取要發(fā)送數(shù)據(jù)的地址送到語(yǔ)音芯片。語(yǔ)音模塊接收數(shù)據(jù)低位在先，上升沿觸發(fā)。時(shí)鐘周期為 300 us。數(shù)據(jù)成功接收后，語(yǔ)音播放忙信號(hào)BUSY輸出在1 ms后做出響應(yīng)。

00H～DBH為地址指令，D0～D7表示一個(gè)地址。比如有人打開(kāi)了車門，單片機(jī)檢測(cè)到這一信息后，就把第2段語(yǔ)音的地址00000001發(fā)送到語(yǔ)音芯片，00000001即對(duì)應(yīng)時(shí)序圖中的D0～D7。接收到語(yǔ)音地址，語(yǔ)音芯片就可以進(jìn)行相應(yīng)的語(yǔ)音提醒。另外，E0H～E7H為音量調(diào)節(jié)命令，F(xiàn)2H為循環(huán)播放命令，F(xiàn)EH為停止播放命令?？刂茣r(shí)序圖如圖7所示。

使用IAR MDK軟件編寫程序，控制器根據(jù)檢測(cè)到的情況向語(yǔ)音芯片發(fā)送地址數(shù)據(jù)。單片機(jī)控制語(yǔ)音模塊的程序流程如圖8所示。

圖8 單片機(jī)控制語(yǔ)音模塊的程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試，以按鍵代替異常情況發(fā)生。系統(tǒng)在檢測(cè)到有不同按鍵按下時(shí)，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的進(jìn)行語(yǔ)音提醒，并且能夠?qū)⑦@一情況發(fā)送到用戶手機(jī)，使整個(gè)防盜系統(tǒng)更加人性化、智能化。

[1]余皓，蘇全.語(yǔ)音控制機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動(dòng)化，2007，29(5):129－131.

[2]李琳，王茂海.基于AT89C2051單片機(jī)和WT588D－U語(yǔ)音模塊的語(yǔ)音報(bào)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011，28(15):525 －526.

[3]劉成巖，孫晶華.EM310無(wú)線模塊與PIC單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11(9):46－48.

[4]尹東至.基于GSM/GPS的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢.武漢理工大學(xué).2007.