基于STM32的語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　景點(diǎn)語音導(dǎo)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(dǎo)航信息，從而解算出車輛的經(jīng)緯度信息，進(jìn)而計(jì)算出實(shí)時(shí)坐標(biāo)，將其與景點(diǎn)坐標(biāo)相比較，當(dāng)車輛駛?cè)刖包c(diǎn)一定距離范圍內(nèi)時(shí)，不用人工干預(yù)，系統(tǒng)自動(dòng)播報(bào)景點(diǎn)語音信息;另一種是對車輪軸的轉(zhuǎn)角脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值和預(yù)置值對比，即可確定播放時(shí)刻，達(dá)到準(zhǔn)確播放景點(diǎn)語音信息的目的;第三種方案是利用無線射頻識(shí)別技術(shù)，在每一個(gè)景點(diǎn)范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)具有唯一ID的射頻發(fā)射器，采用間歇工作方式發(fā)射信號(hào)，當(dāng)旅游列車即將到達(dá)景點(diǎn)時(shí)，車載系統(tǒng)接收到射頻發(fā)射器信號(hào)并解碼出景點(diǎn)的ID號(hào)，由系統(tǒng)控制自動(dòng)播放對應(yīng)編號(hào)的景點(diǎn)語音信息。由于景點(diǎn)自然環(huán)境的復(fù)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(yùn)行方向存在不確定性，其相對位置往返變化，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低且復(fù)雜度較高。本文采用第三種方案實(shí)現(xiàn)景點(diǎn)語音自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)。

　　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(jì)，并重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)，給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

　　最后，給出了有一定工程應(yīng)用參考價(jià)值的結(jié)論。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)如圖1所示。本設(shè)計(jì)利用旅游列車軌道固定的特點(diǎn)，在軌道沿線景點(diǎn)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(hù)成本，選用產(chǎn)品433 MHz有源標(biāo)簽GAO C124061.其存儲(chǔ)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(diǎn)所對應(yīng)，用以觸發(fā)中斷，開始播放該景點(diǎn)的語音信息。

　　圖1中，MCU采用STM32F103RBT6芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用MCU.本設(shè)計(jì)選擇這款的原因是看重其性價(jià)比：128 KB FLASH、20 KB SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、RTC、51個(gè)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。總結(jié)下來，STM32具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、使用簡單、開發(fā)方便等幾個(gè)很有利的優(yōu)勢。ISD4004為語音錄放存儲(chǔ)芯片，根據(jù)外部控制和外圍電路輔助，可隨機(jī)對其進(jìn)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(hào)所對應(yīng)的預(yù)設(shè)語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的起始地址信息，通過對ISD4004內(nèi)置的SPI端口進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)景點(diǎn)語音選段自動(dòng)播放。

　　圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

　　2主要模塊電路設(shè)計(jì)

　　2.1 ISD4004控制電路設(shè)計(jì)

　　ISD4004系列語音芯片工作電壓為+3 V，單片錄放時(shí)間8~16 min，音質(zhì)好。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含時(shí)鐘、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平非易失性存儲(chǔ)器陣列。芯片設(shè)計(jì)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(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)非易失性存儲(chǔ)器中，因此能夠非常真實(shí)、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。芯片ISD4004內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要引腳功能如圖2所示。

　　圖2 ISD4004內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　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(jìn)行通信設(shè)置。增設(shè)STM32多個(gè)I/O口來作為對應(yīng)語音芯片的片選端，即可實(shí)現(xiàn)多片ISD4004擴(kuò)展。STM32與多片ISD4004的接口電路如圖3所示。

　　圖3多片ISD4004與STM32的連接

　　STM32和ISD4004通過SPI模塊進(jìn)行通信，兩者M(jìn)OSI、MISO腳對應(yīng)相互連接，實(shí)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(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步的;時(shí)鐘信號(hào)由主設(shè)備STM32通過SCK腳提供。

　　擴(kuò)展為多片語音芯片后，語音信息的存儲(chǔ)空間大大增加，便于擴(kuò)充景點(diǎn)的語音信息量。

　　2.2語音錄放控制電路設(shè)計(jì)

　　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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)放音或者錄音。I/O端輸出高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)錄音，輸出低電平時(shí)實(shí)現(xiàn)放音。

　　圖4語音錄放控制電路

　　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.RFID讀卡器是一個(gè)相對獨(dú)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(shí)現(xiàn)與RFID讀卡器接口之間的數(shù)據(jù)通信，從而自動(dòng)獲得景點(diǎn)位置信息，以控制選擇對應(yīng)景點(diǎn)導(dǎo)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。