應(yīng)用MSP50C30設(shè)計(jì)電子語(yǔ)音導(dǎo)游機(jī)
關(guān)鍵詞：MSP50C30 MELP算法 語(yǔ)音合成 電子導(dǎo)游機(jī)
1 概述
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，旅游業(yè)也獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，節(jié)假日外出旅游已成為人們的首選，對(duì)大多數(shù)零散游客來(lái)說(shuō)，希望有一種不受制于人的輔助導(dǎo)游手段，迫切需要一種攜帶方便、存儲(chǔ)容量大且不會(huì)機(jī)械磨損的電子語(yǔ)音導(dǎo)游機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)導(dǎo)游機(jī)），但目前市場(chǎng)上已在使用的導(dǎo)游機(jī)，要私體積大，不便于攜帶；要么容量不夠，放音時(shí)間有限，因此制約了其應(yīng)用和推廣。要實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)字放音有兩種方式：一是擴(kuò)大存儲(chǔ)空間，但無(wú)限擴(kuò)大存儲(chǔ)空間必增加系統(tǒng)成本，二是采用語(yǔ)音壓縮方法來(lái)降低數(shù)據(jù)量。其于上述兩種方法，筆者選用了TI公司新近推出的語(yǔ)音合成芯片MSP50C30并采和MELP語(yǔ)音壓縮算法，通過(guò)外接64M位存儲(chǔ)器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行了壓縮存儲(chǔ)和合成。經(jīng)過(guò)這樣處理合成后的語(yǔ)音音質(zhì)良好，放音時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)左右，且該機(jī)體積很小，較好地解決了上面所提到的問(wèn)題。
2 MSP50C30的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
MSP50C30是TI公司1998年推出的一款功能強(qiáng)大的語(yǔ)音合成芯片，其內(nèi)部集成了8位微處理器、雙通道語(yǔ)音合成器、RAM、ROM、I/O端口等功能模塊。其中微處理器利用其專(zhuān)用的61條指令可完成數(shù)字運(yùn)算、邏輯功能和控制功能；語(yǔ)音合成器則利用其內(nèi)部集成的12階格型濾波器，采用LPC壓縮算法來(lái)合成高質(zhì)量的語(yǔ)音。在進(jìn)行語(yǔ)音合成時(shí)，微處理器從內(nèi)部RAM或外部ROM中讀取語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，然后將譯碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)送到語(yǔ)音合成器，語(yǔ)音合成器對(duì)譯碼數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算并合成語(yǔ)音，再通過(guò)D/A變換后送到功放直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。
表1 MSP50C30引腳說(shuō)明
| 管 腳 名 稱(chēng) | 管 腳 說(shuō) 明 |
| DAC+ | D/A輸出 |
| DAC- | D/A輸出 |
| ID0ID7 | 數(shù)據(jù)輸入端口 |
| INIT | 初始化輸入（復(fù)位） |
| OSC IN | 時(shí)鐘輸入，使用內(nèi)部時(shí)鐘接地 |
| OSC OUT | 時(shí)鐘返回，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，作用PBI的I/O口 |
| OA0OA22 | 23位外部存儲(chǔ)器地址線(xiàn)64M bit |
| PA0PA7 | 8位雙向I/O口 |
| PB0PB7 | 8位雙向I/O口 |
| PC0PC7 | 8位雙向I/O口 |
| PD0PD3 | 4位雙向I/O口 |
| VDD | 5V電壓輸入 |
| VSS | 地 |
另外，MSP50C30內(nèi)部集成有晶體振蕩器，可提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘。
MSP50C30引腳圖如圖1所示，管腳說(shuō)明如表1所列。MSP50C30的主要特點(diǎn)如下：
●帶有雙通道可編程LPC-12語(yǔ)音合成器，可實(shí)現(xiàn)立體聲效果；
●內(nèi)含8位微處理器，每秒可執(zhí)行1.2M條指令；
●有61條指令，并具有單周期的乘法指令；
●具有ROM接口，23根地址線(xiàn)可尋址8M字節(jié)；
●帶有28個(gè)軟件可編程雙向I/O口；
●具有內(nèi)嵌和外接兩種靈活的時(shí)鐘方式；
●內(nèi)嵌D/A，共有2種輸出方式；
●含7級(jí)堆棧，具有外部控制的中斷功能；
●可支持10kHz或8kHz語(yǔ)音采樣速率；
●可用軟件配置進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)；
●支持LPC、MELP、CELP、FM、PCM等多種壓縮算法。
MSP50C30與同步芯片相比，其最大優(yōu)點(diǎn)在于具有豐富的I/O接口和高達(dá)64M位的外部尋址能力，是長(zhǎng)時(shí)間放音系統(tǒng)的理想選擇。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
筆者設(shè)計(jì)的語(yǔ)音導(dǎo)游機(jī)的硬件原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)以MSP50C30為核心，外接存儲(chǔ)電路、鍵盤(pán)接口電路、顯示電路、功放電路和DC-DC變換電路，其中MSP50C30完成語(yǔ)音的合成與控制功能。存儲(chǔ)器選用INTEL公司生產(chǎn)的64M位FLASH ROM 28F640J5，其地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)分別與MSP50C30的地址線(xiàn)（A0～A22）和數(shù)據(jù)線(xiàn)（ID0～I(xiàn)D7）直接相連，語(yǔ)音數(shù)據(jù)已事先經(jīng)TI公司提供的專(zhuān)用軟件進(jìn)行壓縮，并通過(guò)編程器燒錄至FLASH ROM中。為便于數(shù)據(jù)更換，電路中還設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)器和編程器的接口，因此可通過(guò)編程并關(guān)的切換將28F640J5與語(yǔ)音合成電路分離，
從而可方便的實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的更換。該導(dǎo)游機(jī)的鍵盤(pán)采用4×4矩陣式鍵盤(pán)，共設(shè)16個(gè)按鍵，其中數(shù)字鍵10個(gè)（0～9），用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字選??；6個(gè)功能鍵用來(lái)實(shí)現(xiàn)播放、暫停、快進(jìn)、快退等功能。鍵盤(pán)矩陣與MSP50C30端口PA0～PA7相接，系統(tǒng)通過(guò)鍵值掃描程序讀取按鍵狀態(tài)。液晶顯示采用3位LCD數(shù)碼顯示器；ED-S812并用MSP50C30的PB0～PB7作為控制數(shù)碼顯示的I/O口，其驅(qū)動(dòng)芯片采用MC14543來(lái)實(shí)現(xiàn)BCD譯碼，交流驅(qū)動(dòng)方波（80Hz～100Hz）通過(guò)74HC14振蕩電路產(chǎn)生。
為便于導(dǎo)游機(jī)的攜帶，系統(tǒng)采用兩節(jié)5#電池供電，由于系統(tǒng)需5V電源，故需設(shè)計(jì)DC-DC變換電路。設(shè)計(jì)時(shí)，選用了MAXIM公司MAX756，該器件的輸入電壓可低至0.7V，通過(guò)管腳2的選擇可輸出3V和5V兩種電壓。
當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，MSP50C30啟動(dòng)鍵值掃描程序，以使其從PA口讀取所按鍵值，并通過(guò)PB口將鍵值送出，
經(jīng)過(guò)MC14543譯碼，可在液晶顯示器上顯示相應(yīng)的數(shù)字。然后MSP50C30通過(guò)內(nèi)部程序查表，送給語(yǔ)音合成器，合成后的語(yǔ)音從DAC+和DAC-腳送出，通過(guò)外部功放電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。系統(tǒng)所需時(shí)鐘由內(nèi)部晶振提供。
4 軟件電路設(shè)計(jì)
4.1 語(yǔ)音合成程序設(shè)計(jì)
MSP50C30采用MELP算法來(lái)合成語(yǔ)音，它是LPC的改進(jìn)算法，其優(yōu)點(diǎn)在于：MELP算法不需要專(zhuān)業(yè)的修音設(shè)備，語(yǔ)音數(shù)據(jù)由專(zhuān)用的壓縮軟件來(lái)完成，而且合成后的語(yǔ)音音質(zhì)良好。對(duì)于語(yǔ)音實(shí)時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它是一種理想的壓縮算法。MELP算法的幀格式與LPC幀格式近似，只是在濁音幀中引入了基音抖動(dòng)參數(shù)和清濁強(qiáng)度參數(shù)來(lái)對(duì)濁音幀的基音周期進(jìn)行修正。若每幀以20ms計(jì)算，則MELP算法最大壓縮率為62×50=3100bit/s（每幀被量化為62bit）。由于采用了變速率編碼方式，從而使平均壓縮率變得更低。另外，用戶(hù)還可根據(jù)自己對(duì)話(huà)音質(zhì)量的要求，按照自己的算法自行設(shè)計(jì)幀格式以產(chǎn)生更好的音質(zhì)。語(yǔ)音合成子程序的流程圖如圖3所示。
4.2 語(yǔ)音控制軟件設(shè)計(jì)
語(yǔ)音控制軟件主要用于完成以下功能：（1）檢測(cè)按鍵次數(shù)，并計(jì)算相應(yīng)的鍵值；（2）在液晶顯示器上顯示鍵值；（3）根據(jù)計(jì)算所得鍵值，選取相應(yīng)的語(yǔ)音段，從外部28F640J5中讀取數(shù)據(jù)傳送給MSP50C30，同時(shí)提供給語(yǔ)音成子程序合成語(yǔ)音；（4）在語(yǔ)音合成過(guò)程中，檢測(cè)功能鍵是否按下，若按下，執(zhí)行相應(yīng)的功能鍵控制子程序。語(yǔ)音控制軟件流程圖如圖4所示。
鍵盤(pán)掃描采用線(xiàn)反轉(zhuǎn)法，其實(shí)現(xiàn)方法是：首先將行線(xiàn)編程為輸出線(xiàn)，列線(xiàn)編程為輸入線(xiàn)，使輸出全部為零電平，則列線(xiàn)中電平由高變低的即為按鍵所在的列；然后將行線(xiàn)編程為輸入線(xiàn)，列線(xiàn)編程為輸出線(xiàn)，使輸出全為零電平，則行線(xiàn)中電平由高變低的即為按鍵所在的行；這樣便可確定鍵值。在鍵值掃描子程序中通過(guò)軟件延時(shí)10ms，是為了消除按鍵所帶來(lái)的抖動(dòng)，以避免產(chǎn)生誤判。鍵值檢測(cè)子程序流程圖如圖5所示。
在鍵值掃描的同時(shí)對(duì)所按數(shù)字鍵進(jìn)行顯示的流程如圖6所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文所介紹的整機(jī)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能可靠，所有器件均采用貼片元件，體積小，攜帶方便。經(jīng)過(guò)聽(tīng)力測(cè)試表明：整機(jī)具有良好的語(yǔ)音質(zhì)量，合成語(yǔ)音保持了較高的清晰度、可懂度及自然度。
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