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一款語音導覽系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

作者: 時間:2016-12-05 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展、城鄉(xiāng)居民收入不斷提高和閑暇時間大量增加,旅游消費進入一個快速發(fā)展的新階段。為了解決旅游發(fā)展過程中交通的問題,基于固定軌道的旅游列車應(yīng)景而生。本文研究設(shè)計了一種景點旅游列車輔助語音自動導覽系統(tǒng)。

目前,景點語音導覽主要有以下幾種方式:一種是通過全球定位系統(tǒng)(GPS)的用戶終端接收工作衛(wèi)星的導航信息,從而解算出車輛的經(jīng)緯度信息,進而計算出實時坐標,將其與景點坐標相比較,當車輛駛?cè)刖包c一定距離范圍內(nèi)時,不用人工干預(yù),系統(tǒng)自動播報景點語音信息;另一種是對車輪軸的轉(zhuǎn)角脈沖進行計數(shù),將計數(shù)值和預(yù)置值對比,即可確定播放時刻,達到準確播放景點語音信息的目的;第三種方案是利用無線射頻識別技術(shù),在每一個景點范圍內(nèi)設(shè)置一個具有惟一ID 的射頻發(fā)射器,采用間歇工作方式發(fā)射信號,當旅游列車即將到達景點時,車載系統(tǒng)接收到射頻發(fā)射器信號并解碼出景點的ID 號,由系統(tǒng)控制自動播放對應(yīng)編號的景點語音信息。由于景點自然環(huán)境的復雜性,第一種方式難以滿足系統(tǒng)要求;第二種方式簡單可靠,但旅游軌道車輛運行方向存在不確定性,其相對位置往返變化,系統(tǒng)的自動化程度較低且復雜度較高。本文采用第三種方案實現(xiàn)景點語音自動導覽系統(tǒng)。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/326395.htm

本文首先介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),然后,給出了系統(tǒng)各主要功能模塊的具體設(shè)計,并重點研究了基于ARM3核的STM32F103RBT6芯片與語音芯片ISD4004之間的SPI 通信控制和實現(xiàn)技術(shù),給出了系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)結(jié)果。

最后,給出了有一定工程應(yīng)用參考價值的結(jié)論。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計如圖1 所示。本設(shè)計利用旅游列車軌道固定的特點,在軌道沿線景點預(yù)先安裝固定ID的RFID,綜合考慮到作用距離、數(shù)據(jù)通信方式、可靠性、使用壽命和維護成本,選用產(chǎn)品433 MHz有源標簽GAO C124061[1].其存儲ID 字長32 b.由于在野外自然環(huán)境中,出現(xiàn)碰撞的可能性極低,所以,RFID 閱讀器只需要正確可靠地獲得RFID的ID值,與固定景點所對應(yīng),用以觸發(fā)中斷,開始播放該景點的語音信息。

圖1 中,MCU 采用STM32F103RBT6 芯片[2],該芯片是基于ARM Cortex?M3內(nèi)核高性能、低成本、低功耗嵌入式應(yīng)用MCU.本設(shè)計選擇這款的原因是看重其性價比:128 KB FLASH、20 KB SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、RTC、51個可用I/O腳等一系列性能特征,能完全滿足本系統(tǒng)性能要求??偨Y(jié)下來,STM32具有價格低、功能強、使用簡單、開發(fā)方便等幾個很有利的優(yōu)勢。ISD4004為語音錄放存儲芯片[3],根據(jù)外部控制和外圍電路輔助,可隨機對其進行語音錄入和語音播放。系統(tǒng)MCU 通過RFID 閱讀器獲得旅游列車沿途RFID的固定ID,根據(jù)ID號所對應(yīng)的預(yù)設(shè)語音數(shù)據(jù)存儲位置的起始地址信息,通過對ISD4004內(nèi)置的SPI端口進行控制,實現(xiàn)景點語音選段自動播放。

2 主要模塊電路設(shè)計

2.1 ISD4004控制電路設(shè)計

ISD4004系列語音芯片工作電壓為+3 V,單片錄放時間8~16 min,音質(zhì)好。芯片采用CMOS 技術(shù),內(nèi)含時鐘、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平非易失性存儲器陣列。芯片設(shè)計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù),每個采樣值直接存儲在片內(nèi)非易失性存儲器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲[4?5].芯片ISD4004 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要引腳功能如圖2所示。

ISD4004 內(nèi)部器件控制單元設(shè)置非常便于其與STM32序列芯片的SPI進行通信設(shè)置。增設(shè)STM32多個I/O 口來作為對應(yīng)語音芯片的片選端,即可實現(xiàn)多片ISD4004 擴展。STM32 與多片ISD4004 的接口電路如圖3所示。

STM32 和ISD4004 通過SPI 模塊進行通信,兩者MOSI、MISO腳對應(yīng)相互連接,實現(xiàn)STM32和ISD4004之間數(shù)據(jù)串行傳輸(MSB 位在前)。通信總是由主設(shè)備STM32 發(fā)起。STM32 通過MOSI 腳把數(shù)據(jù)發(fā)送給ISD4004,ISD4004 通過MISO 引腳回傳數(shù)據(jù)給STM32.

全雙工通信的數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入是用同一個時鐘信號同步的;時鐘信號由主設(shè)備STM32通過SCK腳提供[6?7].

擴展為多片語音芯片后,語音信息的存儲空間大大增加,便于擴充景點的語音信息量。

2.2 語音錄放控制電路設(shè)計

語音錄放控制電路如圖4 所示。通過MCU 的I/O控制端來控制串聯(lián)調(diào)整管Q3 或開關(guān)管Q1,實現(xiàn)系統(tǒng)放音或者錄音。I/O 端輸出高電平時實現(xiàn)錄音,輸出低電平時實現(xiàn)放音

2.3 RFID讀卡器接口電路

RFID 讀卡器模塊使用了Philips 的高集成ISO14443A 讀卡芯片MFRC500[8].RFID 讀卡器是一個相對獨立的功能模塊,其輸出可通過中斷狀態(tài)信息和串口與外部連接。因此,系統(tǒng)利用STM32F103RBT6 的SPI2接口實現(xiàn)與RFID讀卡器接口之間的數(shù)據(jù)通信,從而自動獲得景點位置信息,以控制選擇對應(yīng)景點導覽語音的播放。讀卡器中斷狀態(tài)直接與STM32F103 的PD口I/O引腳連接;SPI2接口電路形式同圖3類似。

3 主要功能軟件設(shè)計

3.1 軟件初始化

3.1.1 外設(shè)時鐘的使能

本設(shè)計中涉及的外設(shè)時鐘可以通過APB2 外設(shè)時鐘使能寄存器來使能。當外設(shè)時鐘沒有啟用時,軟件無法讀出外設(shè)寄存器的值,返回的數(shù)值始終為0.設(shè)計中用到的PA 口、PB 口、PD 口的時鐘分別通過APB2ENR寄存器的第2、3、5 位來設(shè)置,SPI1 的時鐘通過APB2ENR的第12位來設(shè)置。

3.1.2 I/O口的初始化

本設(shè)計涉及的I/O 口包括:用于控制片選擴展的PA.3、PB.0口,需設(shè)置成開端輸出模式;用于實現(xiàn)按鍵控制的PA.15(錄音鍵)、PA.0(強制停止鍵)等需設(shè)置為上拉輸入模式;用于實現(xiàn)SPI通信的PA.5、PA.6、PA.7 口,它們分別對應(yīng)SPI1的SCK、MISO、MOSI口,應(yīng)由軟件設(shè)置這三個口為復用I/O口即第二功能;用于檢測放音結(jié)束時語音芯片INT端低電平輸出的PA.8和PD.2設(shè)置為上拉輸入模式。

3.1.3 外部中斷的初始化

外部中斷初始化中主要完成的工作是設(shè)置I/O口與中斷線的對應(yīng)關(guān)系、開啟與該I/O口對應(yīng)的線上中斷/事件以及設(shè)置中斷的觸發(fā)條件、配置中斷分組并使能中斷。本設(shè)計中,將強制停止鍵連接到的PA.0 口對應(yīng)的中斷觸發(fā)條件設(shè)置為上升沿觸發(fā),對應(yīng)的中斷優(yōu)先級最高;其余按鍵連接的I/O口對應(yīng)的中斷觸發(fā)條件都設(shè)置為下降沿觸發(fā)。把所有的中斷都分配到第二組,把所有按鍵的次優(yōu)先級設(shè)置成一樣,而搶占優(yōu)先級不同。其中,幾個放音鍵連接的I/O口對應(yīng)的中斷共用一個中斷服務(wù)程序,也就是多個中斷線上的中斷共用一個中斷服務(wù)函數(shù),在該中斷服務(wù)程序里先對進入中斷的信號進行區(qū)分(通過中斷輸入I/O口上的電平判斷),再分別處理。

3.1.4 SPI模塊的初始化

本設(shè)計中,通過對CR1寄存器的設(shè)置,將SPI1模塊設(shè)置成全雙工模式、軟件NSS管理、主機模式、8 b MSB數(shù)據(jù)格式,并且把SPI1的波特率設(shè)置成了最低(281.25 kHz,為系統(tǒng)時鐘的256分頻),其中最重要的是SPI模塊輸出串行同步時鐘極性和相位的配置,SPI主模塊和與之通信的外設(shè)備時鐘相位和極性應(yīng)該一致[7].最后,發(fā)送0xff啟動傳輸。

根據(jù)ISD4004 不同相位下的SPI 總線傳輸時序和SPI操作時序關(guān)系[3?4],要想實現(xiàn)STM32和ISD4004之間的SPI通信,須將其控制位CPHA和CPOL都設(shè)置為[4]1.

3.2 SPI控制功能軟件實現(xiàn)

3.2.1 SPI1讀寫字節(jié)函數(shù)

在讀數(shù)據(jù)時,接收到的數(shù)據(jù)被存放在一個內(nèi)部的接收緩沖器中;在寫數(shù)據(jù)時,在被發(fā)送之前,數(shù)據(jù)將首先被存放在一個內(nèi)部的發(fā)送緩沖器中。對SPI_DR寄存器的讀操作,將返回接收緩沖器的內(nèi)容;寫入SPI_DR寄存器的數(shù)據(jù)將被寫入發(fā)送緩沖器中。

SPI_SR是16位狀態(tài)寄存器,它的最低位為RXNE,該位為0則接收緩沖為空,為1則接收緩沖非空;SPI_SR的次低位為TXE,該位為0說明發(fā)送緩沖非空,為1則發(fā)送緩沖為空。不斷地查詢發(fā)送/接收緩沖區(qū)是否為空,進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序發(fā)送和接收。

3.2.2 發(fā)送指令函數(shù)

首先,語音芯片ISD4004有如下操作規(guī)則[4]:

(1)串行外設(shè)接口,SPI協(xié)議設(shè)定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK下降沿動作,在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù),在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。

(2)上電順序,器件延時TPUD(8 kHz采樣時,約為25 ms)后才能開始操作。因此,用戶發(fā)完上電指令后,必須等待TPUD,才能發(fā)出下一條操作指令。例如,從00處放音,應(yīng)遵循如下時序:

① 發(fā)POWER UP命令;

② 等待TPUD(上電延時);

③ 發(fā)地址值為00的SET PLAY命令;

④ 發(fā)PLAY命令。

器件會從00地址開始放音,當出現(xiàn)EOM時,立即中斷,停止放音。

如果從00處錄音,則按以下時序:

① 發(fā)POWER UP指令;

② 等待TPUD(上電延時);

③ 發(fā)POWER UP命令;

④ 等待2倍TPUD;

⑤ 發(fā)地址值為00的SET REC命令;

⑥ 發(fā)REC命令。

器件便從00地址開始錄音,一直到出現(xiàn)OVF(存儲器末尾)時,錄音停止。

3.3 中斷服務(wù)程序

錄音中斷服務(wù)程序流程如圖5 所示。它實現(xiàn)的功能是在一次長按錄音鍵時,將一個景點的語音信息錄入ISD4004中以預(yù)先設(shè)定的起始地址存儲空間中,松開錄音鍵后,本景點語音內(nèi)容錄音停止。每個景點的導覽語音存儲的位置,以其起始地址為標示。起始地址的安排根據(jù)每段語音的長度決定。每個景點語音錄音時需保持錄音按鍵鎖下不松開,直至本段景點語音錄音結(jié)束。

景點語音播放中斷服務(wù)程序流程如圖6 所示。系統(tǒng)在獲得RFID讀卡器的中斷申請之后,根據(jù)讀卡器接口協(xié)議[8],MCU經(jīng)SPI2接口接收到讀卡器傳來的數(shù)據(jù)信息,分析出RFID所含的ID信息內(nèi)容,并根據(jù)ID所對應(yīng)的景點位置,即原設(shè)置的景點語音首地址,將此首地址發(fā)送到ISD4004 芯片組,并發(fā)送放音命令,即可實現(xiàn)對應(yīng)景點事先錄制好的導覽語音自動播放。開始播放語音信息期間,ISD4004 的I-N-T- 端連接到了STM32 的I/O口上,不斷查詢它的狀態(tài)。當這段語音信息放完時,語音芯片ISD4004的I-N-T- 端會置低,由此發(fā)送停止播放指令,則實現(xiàn)播音結(jié)束,并等待下一個RFID信息的輸入和讀卡器中斷申請。

4 系統(tǒng)調(diào)試測試結(jié)果

4.1 錄放音模塊調(diào)試

對于錄音模塊功能的測試,采用如下的辦法:對著麥克風進行放音,用示波器觀察語音芯片的輸入引腳是否有信號。在語音芯片輸入引腳檢測到信號,如圖7(a)所示。

在成功錄入語音后,發(fā)送放音指令在語音芯片輸出引腳得到如圖7(b)所示波形。

4.2 SPI模塊調(diào)試

在錄音電路正確后,發(fā)送放音指令,在芯片對應(yīng)SPI1模塊功能的引腳端,可以在示波器上看到正確的時序,如圖8所示。

圖8(a)是片選和時鐘信號輸出;圖8(b)和(c)分別是不停地發(fā)送0×55,在STM32 SPI1的數(shù)據(jù)發(fā)送端MOSI和數(shù)據(jù)接收端MISO得到的波形,與實際相符。

5 結(jié)論

本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實用可靠,特別適用于山區(qū)自然景點的有軌旅游列車項目等,因而該系統(tǒng)具有很好的實用價值。可用于復雜環(huán)境下的語音導覽系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu),詳細介紹了系統(tǒng)主要功能模塊的實現(xiàn)技術(shù)和調(diào)試實驗結(jié)果。



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