適用于靶車停車入庫的語音測距系統(tǒng)設(shè)計

　　總體設(shè)計

　　語音測距系統(tǒng)要求實現(xiàn)以下功能：運動靶車入庫時，超聲波模塊（集成溫度補償）即實時測量靶車與庫區(qū)極限位置之間的距離，操作者按下遙控器，語音播報模塊激活，開始播報測量數(shù)據(jù)。

　　溫度測量采用1-Wire 器件DS18B20實現(xiàn)，語音播報的核心器件是華邦公司出品的ISD1730，單片機選用51系列AT89S51。除此之外，還有LCD顯示、矩陣鍵盤、紅外遙控等單元，其中語音芯片ISD1700是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，本文著重介紹ISD1730的性能特點、電路設(shè)計及編程要點。圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

　　ISD1730是一種高集成度、高性能、高音質(zhì)的語音錄放芯片，內(nèi)部含有自動增益控制、麥克風(fēng)前置放大器、揚聲器驅(qū)動等電路;可處理多達255段語音信息，可以多段錄音并由片內(nèi)專門的存儲系統(tǒng)來管理;采樣率可在4KHz至12KHz間調(diào)節(jié)，支持獨立按鍵和SPI兩種操作模式;帶負載能力強，可直接驅(qū)動小型揚聲器;具有4 種預(yù)設(shè)音效，錄音數(shù)據(jù)存儲在FLASH 內(nèi)，不經(jīng)任何壓縮，因此有較好的音質(zhì)。

　　為便于單片機控制，本文將ISD1730置于SPI工作模式，根據(jù)芯片手冊，ISD1730可直接驅(qū)動8Ω阻抗揚聲器或普通耳機，但為增強帶負載能力，保證語音傳輸距離，在ISD1730的后置環(huán)節(jié)設(shè)計了功率放大電路—LM386，見圖2所示，功率放大電路能提供50倍以上的增益，可以驅(qū)動阻抗16Ω的揚聲器。

　　圖2 ISD1730語音錄放系統(tǒng)

　　超聲波測距單元

　　結(jié)合庫區(qū)的實際，本文采用分立元件，自行設(shè)計超聲波測距電路，如圖3所示。超聲波探頭中心頻率為40kHz，方向角60度，工作溫度-20—70℃，能滿足庫區(qū)工作的需要。圖4是設(shè)計的超聲波測距模塊實物。

　　圖3 超聲波測距單元原理圖

　　其他單元

　　其余單元功能如下，LCD單元用來顯示實驗數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)調(diào)試。矩陣鍵盤單元用來實現(xiàn)按鍵輸入;紅外遙控單元負責(zé)整個系統(tǒng)的觸發(fā)，一體化紅外接收頭與單片機Int0連接，當用戶按下遙控器按鍵時，Int0產(chǎn)生中斷，單片機發(fā)出語音播報指令。

　　軟件編程

　　ISD1730軟件設(shè)計

　　SPI相關(guān)命令

　　SPI模式下，ISD1730相關(guān)命令如表1所示。注意芯片管腳2連接一只藍色LED，用以指示語音芯片工作狀態(tài)，為使能此LED，所有的指令碼bit4必須置1。

　　表1 ISD1730相關(guān)命令

　　ISD1730編程要點

　　ISD1730采用flash作為存儲器，內(nèi)存地址0x00~0xff，其中0x00~0x0f為音效存儲單元。實現(xiàn)語音播報，需預(yù)先錄制距離數(shù)據(jù)，下列數(shù)組可以作為數(shù)據(jù)緩存：

　　unsigned char code voic_mem［］={ //定義語音儲存單元

　　0x10，0x13，0x14，0x17， //語音“0”、“1”起始地址和結(jié)束地址

　　0x18，0x1b，0x1c，0x1f， //語音“2”、“3”起始地址和結(jié)束地址

　　0x20，0x23，0x24，0x27， //語音“4”、“5”起始地址和結(jié)束地址

　　0x28，0x2b，0x2c，0x2f， //語音“6”、“7”起始地址和結(jié)束地址

　　0x30，0x33，0x34，0x37， //語音“8”、“9”起始地址和結(jié)束地址

　　0x40，0x43，0x44，0x47， //語音“百”、“十”起始和結(jié)束地址

　　0x48，0x4b，0x4c，0x4f， //語音“點”、“米”起始和結(jié)束地址

　　};

　　ISD1730的語音錄制有5種采樣頻率可選，采樣頻率越高，語音品質(zhì)越好，但可錄制的時間越短，采樣頻率取決于芯片ROSC管腳的外接電阻，錄音時長、采樣頻率與振蕩電阻的對應(yīng)關(guān)系見表2。

　　表2 錄音時長、采樣頻率與振蕩電阻阻值的對應(yīng)關(guān)系

　　圖2的接法設(shè)定采樣頻率為8kHz，根據(jù)ISD1730技術(shù)手冊，采樣頻率為8kHz時，每一內(nèi)存單元可錄制125ms語音，實驗時需要錄制16段語音，程序規(guī)劃每一語音片斷占用4個內(nèi)存單元，即每一語音片斷占用0.5s時長。

　　超聲波測距編程要點

　　距離測量與換算在 INT1 中斷服務(wù)子函數(shù)中完成，該子函數(shù)啟動計數(shù)器計算收到回波的時長，再根據(jù)超聲波傳播速度計算得到測量距離，在此注意增加延時函數(shù)，確保測量完成。

　　超聲波傳播速度易受溫度影響，因此需增加溫度測量以修正超聲波傳播速度，從而實現(xiàn)對測量距離的補償。讀取溫度時應(yīng)注意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將溫度低8位和高8位轉(zhuǎn)換為1個16位的數(shù)，其高5位是相同的，代表符號，低11位，是溫度的二進制數(shù)，其中高7位是溫度整數(shù)，低4位是溫度小數(shù);如果是負溫度，則從溫度寄存器讀出的是補碼，應(yīng)將補碼取反加1得到原碼。

　　DS18B20的小數(shù)位可以這樣理解：單片機發(fā)出讀取溫度寄存器命令后，DS18B20會返回9組數(shù)據(jù)，其中第一組數(shù)據(jù)的低4位代表溫度小數(shù)部分，換言之，即是把1度分解為16個4位二進制數(shù)來表示，則溫度小數(shù)部分的精度為1/16=0.0625。

　　應(yīng)用與測試

　　將本系統(tǒng)安裝在運動靶車上，靶車入庫時，按下遙控器，揚聲器持續(xù)播報靶車與極限位置之間的距離，當距離達到要求時，即控制靶車停止運行。經(jīng)實際測試，操作者用本系統(tǒng)在庫區(qū)外即可完成距離測量，測量距離最遠可達4米，效果令人滿意。