1.1 總體設(shè)計(jì)

語(yǔ)音測(cè)距系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)以下功能：運(yùn)動(dòng)靶車入庫(kù)時(shí)，超聲波模塊(集成溫度補(bǔ)償)即實(shí)時(shí)測(cè)量靶車與庫(kù)區(qū)極限位置之間的距離，操作者按下遙控器，語(yǔ)音播報(bào)模塊激活，開(kāi)始播報(bào)測(cè)量數(shù)據(jù)。

溫度測(cè)量采用1-Wire 器件DS18B20實(shí)現(xiàn)，語(yǔ)音播報(bào)的核心器件是華邦公司出品的ISD1730，單片機(jī)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(yǔ)音芯片ISD1700是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，本文著重介紹ISD1730的性能特點(diǎn)、電路設(shè)計(jì)及編程要點(diǎn)。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(yǔ)音錄放芯片，內(nèi)部含有自動(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置放大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)等電路;可處理多達(dá)255段語(yǔ)音信息，可以多段錄音并由片內(nèi)專門的存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)管理;采樣率可在4KHz至12KHz間調(diào)節(jié)，支持獨(dú)立按鍵和SPI兩種操作模式;帶負(fù)載能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)小型揚(yáng)聲器;具有4 種預(yù)設(shè)音效，錄音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)控制，本文將ISD1730置于SPI工作模式，根據(jù)芯片手冊(cè)，ISD1730可直接驅(qū)動(dòng)8Ω阻抗揚(yáng)聲器或普通耳機(jī)，但為增強(qiáng)帶負(fù)載能力，保證語(yǔ)音傳輸距離，在ISD1730的后置環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了功率放大電路—LM386，見(jiàn)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(dòng)阻抗16Ω的揚(yáng)聲器。

圖2 ISD1730語(yǔ)音錄放系統(tǒng)

1.3 超聲波測(cè)距單元

結(jié)合庫(kù)區(qū)的實(shí)際，本文采用分立元件，自行設(shè)計(jì)超聲波測(cè)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(kù)區(qū)工作的需要。圖4是設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距模塊實(shí)物。

圖3 超聲波測(cè)距單元原理圖

1.4 其他單元

其余單元功能如下，LCD單元用來(lái)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)調(diào)試。矩陣鍵盤單元用來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵輸入;紅外遙控單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的觸發(fā)，一體化紅外接收頭與單片機(jī)Int0連接，當(dāng)用戶按下遙控器按鍵時(shí)，Int0產(chǎn)生中斷，單片機(jī)發(fā)出語(yǔ)音播報(bào)指令。

2 軟件編程

2.1 ISD1730軟件設(shè)計(jì)

2.1.1 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(lán)色LED，用以指示語(yǔ)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

2.1.2 ISD1730編程要點(diǎn)

ISD1730采用flash作為存儲(chǔ)器，內(nèi)存地址0x00~0xff，其中0x00~0x0f為音效存儲(chǔ)單元。實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)，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(yǔ)音儲(chǔ)存單元

0x10,0x13,0x14,0x17, //語(yǔ)音"0"、"1"起始地址和結(jié)束地址

0x18,0x1b,0x1c,0x1f, //語(yǔ)音"2"、"3"起始地址和結(jié)束地址

0x20,0x23,0x24,0x27, //語(yǔ)音"4"、"5"起始地址和結(jié)束地址

0x28,0x2b,0x2c,0x2f, //語(yǔ)音"6"、"7"起始地址和結(jié)束地址

0x30,0x33,0x34,0x37, //語(yǔ)音"8"、"9"起始地址和結(jié)束地址

0x40,0x43,0x44,0x47, //語(yǔ)音"百"、"十"起始和結(jié)束地址

0x48,0x4b,0x4c,0x4f, //語(yǔ)音"點(diǎn)"、"米"起始和結(jié)束地址

};

ISD1730的語(yǔ)音錄制有5種采樣頻率可選，采樣頻率越高，語(yǔ)音品質(zhì)越好，但可錄制的時(shí)間越短，采樣頻率取決于芯片ROSC管腳的外接電阻，錄音時(shí)長(zhǎng)、采樣頻率與振蕩電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 錄音時(shí)長(zhǎng)、采樣頻率與振蕩電阻阻值的對(duì)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(cè)，采樣頻率為8kHz時(shí)，每一內(nèi)存單元可錄制125ms語(yǔ)音，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要錄制16段語(yǔ)音，程序規(guī)劃每一語(yǔ)音片斷占用4個(gè)內(nèi)存單元，即每一語(yǔ)音片斷占用0.5s時(shí)長(zhǎng)。

2.2 超聲波測(cè)距編程要點(diǎn)

距離測(cè)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(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)算收到回波的時(shí)長(zhǎng)，再根據(jù)超聲波傳播速度計(jì)算得到測(cè)量距離，在此注意增加延時(shí)函數(shù)，確保測(cè)量完成。

超聲波傳播速度易受溫度影響，因此需增加溫度測(cè)量以修正超聲波傳播速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量距離的補(bǔ)償。讀取溫度時(shí)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(gè)16位的數(shù)，其高5位是相同的，代表符號(hào)，低11位，是溫度的二進(jìn)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(fù)溫度，則從溫度寄存器讀出的是補(bǔ)碼，應(yīng)將補(bǔ)碼取反加1得到原碼。

DS18B20的小數(shù)位可以這樣理解：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出讀取溫度寄存器命令后，DS18B20會(huì)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(gè)4位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，則溫度小數(shù)部分的精度為1/16=0.0625。

3 應(yīng)用與測(cè)試

將本系統(tǒng)安裝在運(yùn)動(dòng)靶車上，靶車入庫(kù)時(shí)，按下遙控器，揚(yáng)聲器持續(xù)播報(bào)靶車與極限位置之間的距離，當(dāng)距離達(dá)到要求時(shí)，即控制靶車停止運(yùn)行。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，操作者用本系統(tǒng)在庫(kù)區(qū)外即可完成距離測(cè)量，測(cè)量距離最遠(yuǎn)可達(dá)4米，效果令人滿意。