李修池 陳歡歡 羅聰 嚴(yán)萍

【摘要】介紹了一種以飛思卡爾的16位單片機(jī)MC9S12DG128和ISD4004系列語音芯片為核心的電池管理語音報(bào)警系統(tǒng)，以電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)為平臺，采用硬件SPI方式通信，實(shí)現(xiàn)了電池管理的電壓檢測報(bào)警、電流過流報(bào)警、溫度檢測及溫度異常報(bào)警、絕緣監(jiān)測報(bào)警、SOC監(jiān)測報(bào)警等功能。為了滿足靈活錄音的需要，設(shè)計(jì)了耳機(jī)插口錄音模式和駐極式話筒錄音模式。測試結(jié)果表明語音系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、精準(zhǔn)地進(jìn)行播報(bào)，且在惡劣環(huán)境中工作穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】MC9S12DG128 語音系統(tǒng) ISD4004 語音錄放 多種方式

在數(shù)字電子技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，語音的應(yīng)用已隨處可見，如微信、銀行排隊(duì)系統(tǒng)和公交站臺播報(bào)系統(tǒng)等。語音是人類信息的主要載體之一，是自然界最動(dòng)聽、和諧的聲音，其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用給人們的生活帶來了極大的方便。在汽車行業(yè)，將語音用于汽車電池管理的意外報(bào)警上，極大地提高了電池管理的安全性和可靠性。以全順系列電動(dòng)汽車整車控制為平臺，設(shè)計(jì)了以MC9S12DG128和ISD4004為核心的語音系統(tǒng)，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電池管理的電壓檢測報(bào)警、電流過流報(bào)警、溫度檢測及溫度異常報(bào)警、絕緣監(jiān)測報(bào)警、SOC監(jiān)測報(bào)警等功能。

1語音系統(tǒng)平臺的介紹

本電動(dòng)汽車電池管理的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其分為主控模塊和子模塊。其中，子模塊與主控模塊通過內(nèi)部低速CAN通訊，每個(gè)子模塊分別負(fù)責(zé)獨(dú)立完成電池的電壓采集、溫度采集、單體均衡保護(hù)、CAN通訊等功能。主控模塊則有兩個(gè)功能，一是對子模塊發(fā)過來的信息進(jìn)行處理（主要完成電池信息的收集處理、SOC的估算、電池故障診斷和電池SOH的估算、電池組的熱管理、故障診斷等），并在以上功能完成后進(jìn)行相應(yīng)的語音報(bào)警；二是與上位機(jī)和整車控制器的通訊，通過外部CAN把電池管理系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、顯示和保存。

2語音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

動(dòng)汽車電池管理選用飛思卡爾的16位單片機(jī)MC9S12DG128作為主模塊的控制器[1]，其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，尤其是內(nèi)部的雙CAN通道，優(yōu)化了電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。MC9S12DG128與語音報(bào)警系統(tǒng)采用硬件SPI方式進(jìn)行通信。由于需要語音播報(bào)的話語時(shí)間較長，故選用可錄音16分鐘的ISD4004-16M芯片。

2.1語音系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

語音報(bào)警系統(tǒng)選用的ISD4004系列芯片[2]采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。ISD4004和MC9S12DG128的通信為SPI同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[3]，其通信時(shí)序如圖2所示。

ISD4004-16M主要用到的引腳有：音頻模擬輸入ANA_IN+、ANA_IN-，音頻模擬輸出AUDIO_OUT，片選信號SS，串行數(shù)據(jù)輸入MOSI，串行數(shù)據(jù)輸出MISO，串行時(shí)鐘SCLK等，其與控制器的接口為SS（PP3）、SCK（PP2）、MOSI（PP1）、MISO（PP0）。通過對MC9S12DG128以上四個(gè)接口的操作就可完成語音的錄入和回放，具體操作時(shí)序如圖3所示。

2.1.1電源轉(zhuǎn)換電路

ISD4004為3V單電源工作，故采用低壓差線性調(diào)壓器LM1117-3.3來給ISD4004供電，其自帶電流限制和熱保護(hù)功能，輸出電流可達(dá)800mA，電路圖如圖4所示。

2.1.2耳機(jī)插口錄音電路

耳機(jī)插口錄音（AUDIO_IN）電路[4]如圖5所示，該電路可以實(shí)現(xiàn)電腦或其他音源通過對錄線將語音錄進(jìn)芯片。錄音時(shí)，只要將耳機(jī)插口（AUDIO_IN）和電腦或其他音源通過對錄線連接即可。當(dāng)選用本方式錄音時(shí)，盡量將音源的音量調(diào)?。≧69為輸入音量調(diào)節(jié)電位器），這樣可以避免錄音時(shí)語音信號失真而得到較好的音質(zhì)。

2.1.3駐極式話筒錄音電路

駐極式話筒錄音（personMIC）電路如圖6所示，其中P24為駐極式話筒。在該錄音電路中，只要對著錄音口說話或播放原音就可以完成普通的現(xiàn)場錄音。錄音時(shí)，語音信號由駐極式話筒輸入，由于其轉(zhuǎn)化成的電信號很微弱，為了提高信號信噪比，更好的抑制噪聲，該電信號需先經(jīng)過三極管Q18放大后再加到ISD4004-16芯片的反向模擬輸入端ANA_IN-。

2.1.4放音電路

本電路[5]可以實(shí)現(xiàn)兩種方式放音，喇叭（SPEAK）放音和耳機(jī)插口（AUDIO_OUT）放音方式。由于語音芯片輸出的語音信號很微弱，無法直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，所以該信號需要通過功率放大電路進(jìn)行放大后再由揚(yáng)聲器發(fā)出清晰的聲音，功率放大模塊選用LM386功率放大器。放音電路如圖7所示，ISD4004芯片的音頻信號輸出引腳為AUDOUT。由于輸出音頻信號里的直流分量若直接加在LM386芯片上會使LM386芯片飽和而不能發(fā)出聲音，所以要先經(jīng)過電容C38隔直流。圖中的R70是輸出音量控制電位器，在1腳和8腳間接電容C47是為了將電壓增益調(diào)至任意值，如圖7，此時(shí)電壓增益為200。本設(shè)計(jì)中喇叭放音方式選用的SPEAK是阻值為8歐，功率為0.5W的喇叭，經(jīng)過多次測試，音質(zhì)很好。

2.2語音系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

語音系統(tǒng)程序主要包括ISD4004初始化、SPI通信、錄音和放音子程序。其功能是使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精確的錄音和播音，并且容易操作，易于批量生產(chǎn)，語音播報(bào)系統(tǒng)總流程如圖8所示。

2.2.1SPI通信初始化

串行外設(shè)接口SPI允許MC9S12DG128和ISD4004進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸從而完成語音播報(bào)。啟用SPI通信時(shí)，需先對SPI控制寄存器的SPI使能位、主/從選擇位、數(shù)據(jù)次序位等進(jìn)行設(shè)置。

2.2.2錄音和放音子程序

在本程序中可實(shí)現(xiàn)兩種方式錄音和放音：分段錄放音和一次性錄放音。ISD4004的初始地址為0X0000，地址的計(jì)算方法如下：ISD4004-16錄音時(shí)間為16min即960s，根據(jù)4004性能，960s被分為2400個(gè)地址，則每個(gè)地址的分辨率為960s/2400＝0.4s，則有以下關(guān)系存在：

add_length[i]=[T[i]/0.4] i∈[1，2399]，T[i]∈[0，960]

add[i+1]=add[i]+add_length[i]

其中，[T[i]/0.4]表示的是大于T[i]/0.4的最小整數(shù)，T[i]為錄第i段語音所需的秒數(shù)，add_length[i]為第i段語音所占用的地址數(shù)，add[i]為第i段語音的起始地址。

（1）分段錄音、分段放音：假設(shè)要對第i+1段語音進(jìn)行錄音，則要確定錄音起始地址。先估算第i段錄音時(shí)間T（要求比實(shí)際錄音時(shí)間稍長），計(jì)算出T/0.4的值，若出現(xiàn)小數(shù)則往上取最小整值，再把該整值加至第i段起始地址，加出的16進(jìn)制數(shù)就是本次錄音起始地址，最后調(diào)用rec（add）進(jìn)行錄音即可，如此循環(huán)直至錄音完畢。放音時(shí)直接根據(jù)錄音起始地址調(diào)用play（add）即可實(shí)現(xiàn)播放任意段音。

（2）一次性錄音，分段放音：首先確定錄音起始地址，再調(diào)用rec（add）一次性錄音完畢，要求每句話之間有較明顯的停頓。第一次放音時(shí)，首先測出第一句話的放音時(shí)間T（要求比實(shí)際錄音時(shí)間長，但不得長于0.4s），然后調(diào)用play（add）進(jìn)行放音，經(jīng)時(shí)間T后停止放音；第二次放音時(shí)，亦先確定放音地址，放音地址的確定如下：先測出前一次（這里即第一次）放音和停頓總時(shí)間T1，計(jì)算T1/0.4的值，若出現(xiàn)小數(shù)則往上取最小整值，則（[T1/0.4]+add）就是第二次放音地址，依此類推，循環(huán)下去，目前所測試系統(tǒng)語音地址映射表如表1所示，相應(yīng)錄、放音程序如表1：

void rec（ucharadd） //錄音程序

{

send_data4004（0xffff，ISDPOWERUP）；delay_nms（30）；

send_data4004（0xffff，ISDPOWERUP）；

delay_nms（60）；

send_data4004（add，RECSET）；//錄音地址為add

delay_nms（5）；

send_data4004（0xffff，RECCUR）；

delay_nms（5）；

}

voidplay（ucharadd） //放音程序

{

send_data4004（0xffff，ISDPOWERUP）；

delay_nms（30）；

send_data4004（add，PLAYSET）；//放音地址為add

delay_nms（5）；

send_data4004（0xffff，PLAYCUR）；

}

2.2.3應(yīng)注意的問題

（1）若選擇耳機(jī)插口錄音方式，錄音過程中應(yīng)控制聲源音量稍小，因?yàn)殡娔X輸出的模擬音頻信號幅度過大會對錄入芯片的語音信號造成失真從而影響音質(zhì)。

（2）若想自動(dòng)或循環(huán)播放其中的某些地址不連續(xù)的語音，必須在前一段放音結(jié)束后延時(shí)一定時(shí)間，才能確保放音正常。

3結(jié)語

在實(shí)驗(yàn)室和嘈雜的工廠中，對制作好的電路板（圖8）進(jìn)行了100多次測試，發(fā)現(xiàn)本語音系統(tǒng)音質(zhì)好，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、清晰的播音，且在惡劣的環(huán)境中工作穩(wěn)定，反應(yīng)良好，并設(shè)計(jì)了獨(dú)立的接口，可以很好的進(jìn)行移植。

參考文獻(xiàn)：

[1]王少卿，霍迎輝.ATmega128在開發(fā)應(yīng)用中應(yīng)注意的問題[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2004，（2）：15-16.

[2]道客巴巴.ISD4004系列語音芯片中文資料.http：//www.doc88.com/p-13075450055.html，2011-12-28.

[3]楊易華，吳效明，岑人經(jīng).基于ISD4004的紅外遙控醫(yī)院語音播報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009，30（10）：17-19.

[4]王立華.通信電纜斷點(diǎn)故障自動(dòng)檢測報(bào)警電路的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2010，31（12）：58-60.

[5]洪耀球、劉浪、李香泉.電動(dòng)汽車參數(shù)檢測及報(bào)警顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19（5）：1197-1198.