帶有語(yǔ)音功能的人行通道智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足人行通道智能化管理的要求，基于高性能的STM32處理器和凌陽(yáng)SPCE061A微控制器設(shè)計(jì)了一套帶有語(yǔ)音功能的人行通道智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完善、工作可靠，并帶有語(yǔ)音播報(bào)功能，實(shí)現(xiàn)了人員流動(dòng)有效智能化的管理。詳細(xì)敘述了設(shè)計(jì)原理和軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：STM32；SPCE061A；智能管理；語(yǔ)音播報(bào)

    當(dāng)今社會(huì)的高速發(fā)展加快了城市化的進(jìn)程，隨之帶來(lái)的人口密度壓力與日俱增，為了緩解這一現(xiàn)象，保證公共場(chǎng)所高密度人群高效、有序的流動(dòng)；人行通道智能管理概念應(yīng)運(yùn)而生，其對(duì)保證社會(huì)的平穩(wěn)高效發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用新一代高性能ARM處理器STM32為核心控制器，設(shè)計(jì)了一種智能型的人行通道智能管理與控制系統(tǒng)，并具有語(yǔ)音提示功能，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在人行通道中給予自動(dòng)的語(yǔ)音提示。為大型公共場(chǎng)所的出人人員提供文明、有序的通行方式，為有效地管理人員流動(dòng)提供了方便。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要包括核心控制模塊、語(yǔ)音模塊、信號(hào)輸入模塊、電機(jī)控制模塊、人機(jī)交互模塊、通道方向指示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和電源管理模塊。且具有性能可靠的安全保護(hù)和報(bào)警裝置。系統(tǒng)組成如圖1的框圖所示。

    (1)STM32核心控制模塊：實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理與協(xié)調(diào)控制。
    (2)語(yǔ)音模塊：實(shí)現(xiàn)在人行通道中給予自動(dòng)的語(yǔ)音播報(bào)提示。
    (3)信號(hào)輸入模塊：輸入信號(hào)主要包括刷卡信號(hào)、光電傳感器的定位信號(hào)、閘門定位信號(hào)、上位機(jī)通信控制信號(hào)等。
    (4)人機(jī)交互模塊：包括鍵盤和液晶顯示。鍵盤顯示用來(lái)完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置以及動(dòng)作方式指示等。
    (5)電機(jī)控制模塊：實(shí)現(xiàn)通道閘門的開放和關(guān)閉操作。
    (6)通道方向指示模塊：由LED點(diǎn)陣顯示進(jìn)出通道方向。
    (7)串行通信模塊：采用串行RS 485接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的多機(jī)控制。
    (8)電源系統(tǒng)模塊：主要包括正常工作電源、電源切換和蓄電池三個(gè)部分。整個(gè)電源系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)運(yùn)作，可以實(shí)現(xiàn)閘門斷電擺臂自動(dòng)擺開、上電自動(dòng)閉合，符合消防設(shè)計(jì)要求。
    本系統(tǒng)分為兩個(gè)主要模塊：一部分為STM32微處理器的核心控制，另一部分為SPCE061A單片機(jī)控制的語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。
    STM32微處理器核心控制的工作過(guò)程為：刷卡信號(hào)、光電傳感器的定位信號(hào)、閘門定位信號(hào)、上位機(jī)通信控制等信號(hào)輸入，經(jīng)STM32采集后，控制電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)作，如遇到非正常情況，將啟動(dòng)報(bào)警和故障自檢功能，并且能夠使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防夾、防沖功能，避免意外傷害。人機(jī)交互模塊可編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
    SPCE061A語(yǔ)音模塊的工作過(guò)程為：將要播放的信息先存入SPCE061A單片機(jī)中，當(dāng)行人的刷卡信號(hào)使閘門向左開或者向右開等控制操作時(shí)，STM32微處理器同時(shí)把這一信號(hào)送到SPCE061A中，使SPCE061A驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播報(bào)相應(yīng)的信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 核心微處理器STM32F103
    本設(shè)計(jì)方案采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32F103微處理器，此處理器基于32位的Cortex-M3 RISC CPU，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)基于滿足高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。Cortex-M3在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)，讓STM32受益無(wú)窮；Thumb-2指令集帶來(lái)了更高的指令效率；通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對(duì)中斷響應(yīng)比以往也更迅速。此芯片的快速反應(yīng)能力、低功耗以及穩(wěn)定性，ST-M32F103對(duì)電機(jī)控制有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，完全符合本設(shè)計(jì)的要求。圖2為STM32微處理器最小系統(tǒng)原理圖。

2．2 SPCE061A語(yǔ)音控制器
    SPCE061A是16位μ’nSPTM微處理器，內(nèi)置2KB SRAM；內(nèi)置32KB FLASH；可編程音頻處理；使用凌陽(yáng)音頻編碼SACM_S240方式(2.4Kb／s)，能容納210 s的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；7通道10位電壓模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模／數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)等功能。圖3為音頻輸出模塊。

2．3 電機(jī)系統(tǒng)
2．3．1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    機(jī)系統(tǒng)電路是設(shè)計(jì)的重要部分，采用24 V直流減速電機(jī)，且需對(duì)電機(jī)進(jìn)行雙向可調(diào)速控制，因此功率驅(qū)動(dòng)電路采用MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管IRF-9540和IRF540雙極性H橋型開關(guān)電路。由于采用的驅(qū)動(dòng)電路屬于大功率驅(qū)動(dòng)電路，因此驅(qū)動(dòng)電路和控制電路之間需要電氣隔離，采用光電耦合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電路中開關(guān)管有開通和關(guān)斷時(shí)間，存在互補(bǔ)的橋臂直通短路問(wèn)題，這時(shí)會(huì)造成開關(guān)管發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀開關(guān)管。因此增加
了組合門電路和軟件彌補(bǔ)修正死區(qū)時(shí)間的辦法。
2．3．2 PWM控制
    PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制，通常配合橋式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡(jiǎn)單，且調(diào)速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。利用STM32的定時(shí)器PWM模式產(chǎn)生所需要的PWM波。

3 語(yǔ)音合成
    語(yǔ)音的合成采用SPCE061A把想要的聲音錄制下來(lái)固然可以得到相應(yīng)的音頻文件，但是受到錄音環(huán)境和麥克風(fēng)品質(zhì)的限制，用這種方法得到的聲音文件噪音大，不清晰，而且所占用的存儲(chǔ)空間大，不能長(zhǎng)時(shí)間的錄制。基于上述原因本系統(tǒng)采用另一種方法獲得聲音文件。基本方式如下：首先使用軟件把要表達(dá)的信息由文字變?yōu)槁曇粑募?；其次?duì)得到的音頻文件進(jìn)行修飾，比如音量的大小，語(yǔ)速快慢等；然后將音頻文件壓縮下載到單片機(jī)，這樣獲得的語(yǔ)音文件品質(zhì)高而且節(jié)省存儲(chǔ)空間。該方法的操作流程如圖4所示。

    訊飛語(yǔ)音軟件是一款可以將文本信息直接轉(zhuǎn)換為音頻信息的智能軟件。一般，語(yǔ)音轉(zhuǎn)換需要龐大的語(yǔ)音數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)，而訊飛語(yǔ)音軟件只給用戶提供一個(gè)客戶端，如圖5所示，利用這個(gè)客戶端和已將文本通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺(tái)的服務(wù)器，后臺(tái)負(fù)責(zé)把客戶上傳的文本轉(zhuǎn)換為聲音再把聲音文件傳給客戶。這樣，不必下載龐大復(fù)雜的轉(zhuǎn)換軟件就可以在短時(shí)間內(nèi)把文字轉(zhuǎn)換成想要的聲音文件。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    主程序流程圖如圖6所示。在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了模塊化的方法，首先設(shè)計(jì)主控程序，然后設(shè)計(jì)分模塊。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化，對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，各個(gè)模塊檢測(cè)正常后系統(tǒng)等待行人的刷卡信號(hào)。當(dāng)有人刷卡時(shí)控制器會(huì)根據(jù)信號(hào)分析行人是要進(jìn)入還是要離開，如果有中斷，控制器會(huì)根據(jù)中斷進(jìn)行命令解析并控制電機(jī)動(dòng)作；如果沒(méi)有中斷，系統(tǒng)就會(huì)直接進(jìn)行信號(hào)解析并控制電機(jī)動(dòng)作。