作者：劉微;陳賀新;孔令媛;王興;張?jiān)录t

引言

在現(xiàn)在的許多工業(yè)控制中，很多設(shè)備是不間斷運(yùn)行或無(wú)人看守的，所以經(jīng)常需要維護(hù)人員定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。這樣不僅耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力。而且還很耽誤工期。并且現(xiàn)在許多家庭都是雙職工家庭，經(jīng)常家里沒(méi)人，這些時(shí)候就需要報(bào)警設(shè)備。而原始的報(bào)警器在聽(tīng)覺(jué)提醒方面多采用電鈴、蜂鳴等來(lái)實(shí)現(xiàn)。而此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面采用在報(bào)警器上加入語(yǔ)音技術(shù)．使報(bào)警時(shí)單一的響鈴聲變?yōu)楦又苯用髁说恼Z(yǔ)言傳送．這樣就可以發(fā)揮聽(tīng)覺(jué)的優(yōu)勢(shì)．也可彌補(bǔ)完全用視覺(jué)信號(hào)傳遞信息的不足。

1 系統(tǒng)的工作原理及組成

此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理框圖如下圖所示，首先利用鍵盤(pán)電路對(duì)語(yǔ)音芯片錄好音。之后利用AT89C52單片機(jī)采集設(shè)備的各種信息，根據(jù)報(bào)警系統(tǒng)中不同的設(shè)備和傳感器，可以是壓力、流量、溫濕度、電壓、電流等然后根據(jù)不同的報(bào)警設(shè)備發(fā)出的信號(hào)控制單片機(jī)不同的引腳電平變化，然后用語(yǔ)音芯片播放相應(yīng)的錄音內(nèi)容。從而接到報(bào)警者可以準(zhǔn)確的知道出事地點(diǎn)和基本情況。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖1設(shè)計(jì)原理框圖

目前市場(chǎng)上流行的語(yǔ)音芯片有很多，但要使語(yǔ)音不失真地被采樣，那就要求采樣頻率fs≥8000Hz。對(duì)于一般的語(yǔ)音芯片，以這樣的速度采樣語(yǔ)音只能是很短的時(shí)間．若要稍長(zhǎng)一段時(shí)間．勢(shì)必占用很大的存貯空間。這樣系統(tǒng)成本增加，由于需要ADC．DAC，專用語(yǔ)音芯片及相關(guān)電路，存在不同程度的失真（信號(hào)采樣和恢復(fù)）。ISD40002語(yǔ)音芯片是美國(guó)ISD公司出品的新型優(yōu)質(zhì)單片錄放音電路，它采用了直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)DAST，完成語(yǔ)音的錄入、存儲(chǔ)及分段輸出，因而失真小，使用方便。不需專用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具，10萬(wàn)次錄音周期，自動(dòng)靜噪功能，不耗電信息可保存100年。高質(zhì)量，自然的語(yǔ)音還原技術(shù)，成本低廉。所以在現(xiàn)代技術(shù)上得到廣泛使用。

2．1 ISD4002芯片：

（1）ISD4002芯片的特點(diǎn)：

ISD系列語(yǔ)音芯片具有以下特點(diǎn)：①采用模擬數(shù)據(jù)在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)的專利技術(shù)，即將模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入單個(gè)存儲(chǔ)單元，不需經(jīng)過(guò)A／D、D／A轉(zhuǎn)換；②內(nèi)部集成了大容量的EEPROM，不再需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器；③控制簡(jiǎn)單，控制引腳與TTL電平兼容；③能較好地真實(shí)再現(xiàn)語(yǔ)音的自然效果，避免了一般固體語(yǔ)音電路因?yàn)榱炕蛪嚎s所造成的量化噪聲和失真現(xiàn)象。因此。該報(bào)警系統(tǒng)選用ISD公司的ISD4002語(yǔ)音芯片。

（2）1SD4002芯片的構(gòu)成及功能：

ISD4002系列語(yǔ)音芯片具有專門(mén)的語(yǔ)音拷貝工具，單片2至4分鐘語(yǔ)音錄放，無(wú)需開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，內(nèi)置微控制器串行通信接口，3V單電源工作，25~20mA工作電流維持電流1μA，多段信息處理功能，片內(nèi)免調(diào)整時(shí)鐘，可選用外部時(shí)鐘，采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾器、平滑濾波器、音頻放火器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯系列，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。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(guò)串行通信接口（SPI）送入。采樣頻率可為4.0、5.3、6.4、8.0kHz，頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，而音質(zhì)則有所下降。片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中。

2．2 SPl接口協(xié)議：

ISD4002工作于SPI串行接口．SPI是由美國(guó)摩托羅拉公司推出的一種同步串行傳輸規(guī)范，常作為單片機(jī)外設(shè)芯片串行擴(kuò)展接口。SPI有4個(gè)引腳：SS（從器件選擇線）、SDO（串行數(shù)據(jù)輸出線）、SDI（串行數(shù)據(jù)輸入線）和SCK（同步串行時(shí)鐘線）。SPI協(xié)議是一個(gè)同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動(dòng)作。因此對(duì)ISD4002而言，在時(shí)鐘止升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。協(xié)議的具體內(nèi)容為：

1．所有串行數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始于SS下降沿。

2．SS在傳輸期間必須保持為低電平。在兩條指令之間則保持為高電平。

3．?dāng)?shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿移入．在下降沿移出。

4．SS變低。輸入指令和地址后．ISD才能開(kāi)始錄放操作。

5．指令格式是（5位控制碼）加（11位地址碼）。

6．ISD的任何操作（含快進(jìn)）如果遇到EOM或OVF則產(chǎn)生一個(gè)中斷，該中斷狀態(tài)在下—個(gè)SPI周期開(kāi)始時(shí)被清除。

7．使用”讀”指令使中斷狀態(tài)位移出ISD的MISO引腳時(shí)．控制及地址數(shù)據(jù)也應(yīng)同步從MOSI端移入。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當(dāng)前進(jìn)行的操作兼容。當(dāng)然，也允許在一個(gè)SPI周期里，同時(shí)執(zhí)行讀狀態(tài)和開(kāi)始新的操作（即新移入的數(shù)據(jù)與器件當(dāng)前的操作可以不兼容）。

8．所有操作在運(yùn)行位（RUN）置1時(shí)開(kāi)始，置0時(shí)結(jié)束。

9．所有指令都在SS端上升沿開(kāi)始執(zhí)行。

2．3電路原理圖及介紹：

該設(shè)計(jì)的電路部分較為簡(jiǎn)單，主要通過(guò)89c52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)ISD4002語(yǔ)音芯片的控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)錄音和放音（硬件電路如下所示）。

圖2硬件設(shè)計(jì)電路圖

錄音：當(dāng)按鍵s3接Vcc時(shí)，電路處于錄音狀態(tài)。在錄音之前先按s2（復(fù)位鍵），然后按住s1鍵不放，之后對(duì)著話筒講話就可以錄音．松鍵時(shí)錄音停止，并形成一段錄音片段，再按s1鍵不放則進(jìn)行下一段錄音。如果錄滿溢出，下次按復(fù)位鍵再進(jìn)行錄音時(shí)，就會(huì)將以前錄的語(yǔ)音片段覆蓋。

放音：當(dāng)s3按鍵接地時(shí)，電路處于放音狀態(tài)。同樣是先按復(fù)位鍵，然后按一下s1鍵即播放錄音，一段結(jié)束后自動(dòng)停止放音，再按sl鍵則播放下一段。放到最后一段后如果再按s1鍵，再放音時(shí)又從第一段開(kāi)始。對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采用LM386進(jìn)行功率放大。輸出功率為0.5W。為了提高錄、放音的穩(wěn)定性，確保ISl4002語(yǔ)音芯片能正常工作（工作電壓2.7~3.3），由一個(gè)200歐姆和一個(gè)300歐姆的電阻分壓3V來(lái)供給語(yǔ)音芯片電壓。LED1為電源工作指示燈，當(dāng)開(kāi)發(fā)板正常供電時(shí)．LED1發(fā)光。當(dāng)電路處于錄音狀態(tài)時(shí)，LED2發(fā)光；當(dāng)電路處于放音狀態(tài)時(shí)，LED2燈不發(fā)光。當(dāng)語(yǔ)音芯片溢出時(shí)LED2燈出現(xiàn)閃爍。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制ISD4002語(yǔ)音芯片的軟件流程圖如圖3和圖4，5所示．重點(diǎn)介紹ISD4002錄放音程序。

圖3主程序

圖4錄音子程序

圖5放音子程序

3．1主程序

此系統(tǒng)中主程序采用軟件延時(shí)去除按鍵抖動(dòng)。我們?cè)诔绦蛑性O(shè)置了三個(gè)按鍵，分別為復(fù)位鍵，狀態(tài)鍵和執(zhí)行鍵。為了節(jié)省能源，在利用按鍵判斷系統(tǒng)不進(jìn)行錄散音操作時(shí)，語(yǔ)音芯片進(jìn)入掉電狀態(tài)。ISD4002芯片通過(guò)SPI接口寫(xiě)入數(shù)據(jù)。主程序主要完成對(duì)按鍵信息的判斷．如果有鍵按下則調(diào)用相應(yīng)的子程序。

3．2錄放音程序

錄放音程序主要在接收到相應(yīng)指令后通過(guò)SPI總線對(duì)ISD4002進(jìn)行控制。對(duì)于ISD4002芯片，器件延時(shí)TPUD（8 kHz采樣時(shí)，約為25ms）后才能開(kāi)始操作．因此，用戶發(fā)完上電指令后，必須等待TPUD，才能發(fā)出一條操作指令．為了能靈活播放語(yǔ)音信息，報(bào)警語(yǔ)音是分段存放在ISD4002中的，編程時(shí)播放錄音是根據(jù)語(yǔ)音的存放地址播放不同語(yǔ)音的。播放時(shí)要根據(jù)每段錄音的長(zhǎng)短做相應(yīng)的延時(shí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本系統(tǒng)利用單片機(jī)、語(yǔ)音電路完成了設(shè)備語(yǔ)音報(bào)警功能，而語(yǔ)音電路采用一種EEPROM存儲(chǔ)方法的語(yǔ)音芯片，該設(shè)計(jì)方法外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作、使用方便。

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