簡(jiǎn)易智能語音模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李世紅，蔣海潮

（1.溫州科技職業(yè)學(xué)院 溫州 浙江325006；2.歐姆龍自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司 溫州 浙江325006）

目前，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，智能語音系統(tǒng)的運(yùn)用也越來越廣，其主要包括智能語音儀表，手機(jī)話費(fèi)查詢系統(tǒng)，排隊(duì)機(jī)，語音型數(shù)字萬用表以及公共汽車報(bào)站器等。文中利用單片機(jī)和語音芯片組成的語音模塊可以實(shí)現(xiàn)語音的分段錄取、組合回放，只需修改軟件就可以實(shí)現(xiàn)語音的整段錄取、循環(huán)播放。

1 智能語音模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

本模塊設(shè)計(jì)采用單片機(jī)AT89C2051作為語音系統(tǒng)的控制核心，由單片機(jī)與專用的語音處理芯片API8108設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)語音存儲(chǔ)與回放，實(shí)現(xiàn)語音的分段錄取、組合回放，系統(tǒng)調(diào)試方便，經(jīng)編程固化后的API8108可永久保留語音信息。

1.1 AT89C2051單片機(jī)介紹

本設(shè)計(jì)在單片機(jī)選型時(shí)不需要很多的并行口，有一定的程序存儲(chǔ)器和定時(shí)器、外部中斷即可，所以采用的微控制器是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位CMOS單片機(jī)AT89C2051。該單片機(jī)除了在外部引腳上少了兩個(gè)并行口外，其它內(nèi)部資源與AT89C51完全相同，且其內(nèi)部的2KFLASH ROM能夠很方便的進(jìn)行擦寫，匯編指令與80C51完全兼容的特點(diǎn)，成為了首選。

其基本特征如下：

1）具有適于控制的8位CPU和指令系統(tǒng)；

2）128字節(jié)的片內(nèi)RAM；2KB片內(nèi)ROM；

3）15線并行I/O口；

4）兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；

5）一個(gè)全雙工串行口；

6）6個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)；

該單片機(jī)的P1口是一個(gè)8位雙向I/O口，其中P1.2～P1.7口內(nèi)部提供上拉電阻，P1.0和P1.1需外接上拉電阻。P1.0和P1.1同時(shí)也是片內(nèi)精確模擬比較器的正輸入端（AIN0）和負(fù)輸入端（AIN1）。P3口是7個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的雙向口（P3.6除外，其為片內(nèi)比較器的輸出腳）。

1.2 語音芯片API8108介紹

語音芯片選用的是APLUS公司推出的一次性可編程語音芯片API8108。API8108的電源 電壓為2.6～6 V，在本設(shè)計(jì)中采用與單片機(jī)同一個(gè)供電電源5 V。API8108是采用大規(guī)模CMOS芯片技術(shù)制造的最新ASIC，內(nèi)部包含語音處理器，EPROM存儲(chǔ)器，A/D，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，邏輯接口控制器，音頻放大器，時(shí)鐘振蕩器等大量部件。完成從語音數(shù)據(jù)寫入固化到語音高保真重放的全過程，工作外圍一般只需要幾只元件即可。過去這種電路常采用8031，2764，DA0832等IC組合完成體積大，耗電大，成本高，現(xiàn)在用AP18108A常規(guī)語音處理電路設(shè)計(jì)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積微小得多，而成本只及過去的五分之一。API8108A可根據(jù)需要分為1～8段錄放，其語音可以最大不重復(fù)時(shí)間分別為10 s，重復(fù)部分可不計(jì)算時(shí)間。語音一旦錄入即成為固定數(shù)據(jù)，不能再更改或被抹掉。永久保存固化了語音之后的API8108A，在放音使用上和普通音樂集成片一樣簡(jiǎn)單，只是發(fā)出的不是單調(diào)的音符曲調(diào)，而是極其逼真的話語或模擬聲響。其效果經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理可與磁帶CD音碟媲美。API8108A最多可以有8段放音，具體用哪一段是由TG1～TG44個(gè)管腳的組合決定的。在應(yīng)用中，用單片機(jī)的4個(gè)I／O引腳來控制 TG1～TG4。

1.3 音量放大電路

為了提高音量，在本設(shè)計(jì)中加入了音頻放大芯片LM386。LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20，如果在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地為參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在6 V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅僅為24 mW，所以它是一種低電壓小功率的音頻功放集成電路，采用8腳雙列直插式封裝，第6腳為電源正極，第4腳接地，第2、3腳為選擇輸入端，第5腳為輸出端，第1，8腳為增益控制端，第7腳為旁路端。它具有如下特點(diǎn)：1）工作電壓寬（4～12 V）；2）靜態(tài)耗電少；3）電壓增益可調(diào)（20～200倍）；4）外接元件少，制作電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛；5）頻帶寬（300 kHz）；6）低失真度。

1.4 整體硬件電路圖

智能語音模塊硬件電路如圖1所示，單片機(jī)的P3口控制API8108A的TG1～TG4，用來控制語音的分段輸出。R4為語音模塊的振蕩電阻，其與放音時(shí)間的關(guān)系如表1所示。可根據(jù)放音頻率和放音時(shí)間來選擇所需要的電阻。在本設(shè)計(jì)中選用200 kΩ，放音時(shí)間為9 s左右。由于U3的1腳和8腳之間只連接10 μF的電容，此音頻放大為200倍。通過R2還可以調(diào)節(jié)音量的大小，如果想降低音量，只需在U3的3腳連接一個(gè)電位器和R2進(jìn)行分壓即可。

圖1 智能語音模塊硬件電路圖Fig.1 hardware circuit diagram of voice modul

表1 放音頻率，振蕩電阻，放音時(shí)間關(guān)系表Tab.1 Relation table of playback frequency，oscillating resistor，playback tim e

2 智能語音模塊軟件設(shè)計(jì)

播放的語音已預(yù)先錄制好，存放在API8108語音芯片的各個(gè)單元中，語音播放程序首先完成語音地址計(jì)算，將語音地址存放于緩沖區(qū)中，待全部算完，建立結(jié)束標(biāo)記，然后啟動(dòng)定時(shí)器，每隔0.3 s輸出一個(gè)地址信號(hào)，完成語音輸出，如要播放“歡迎光臨”，根據(jù)該數(shù)據(jù)，調(diào)用語音地址計(jì)算子程序，將“歡”“迎”語音地址存入緩沖區(qū)30H和31H中。依此類推，直至結(jié)束，再在緩沖區(qū)中依次間隔0.3 s時(shí)間取出語音地址，直至遇到結(jié)束標(biāo)記。

3 結(jié) 論

因?yàn)锳PI8108是永久記憶型錄放語音電路芯片[7]，錄音時(shí)間為10 s，分為8段，帶有放音結(jié)束標(biāo)志，外圍接口非常簡(jiǎn)單，適合語音產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。由于其錄音由產(chǎn)家根據(jù)用戶要求一次性錄制，用戶也無需購買專用錄音設(shè)備，該智能語音模塊硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，其所有功能均已調(diào)試通過，工作穩(wěn)定可靠。模塊上還提供了暫閑置的IO接口引出線，為將來擴(kuò)展備用。此外音模塊即可作為獨(dú)立的語音系統(tǒng)，又可作為語音系統(tǒng)的子系統(tǒng)。

[1]余永權(quán).ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[2]朱民雄.計(jì)算機(jī)語音技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3]任致程.語音錄放和識(shí)別集成電路應(yīng)用與制作實(shí)例［M］.北京：人民郵電出版社，1999年.

[4]時(shí)永鵬，張須欣.APIA8108語音芯片人機(jī)交互系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005（1）：32-35.SHI Yong-peng， ZHANG Xu-xin， The application of the APIA8108 voice chip in the human-computer interaction system[J].Journal of Anqing Teachers College：Natural Science，2005（1）：32-35.

[5]李吉志.基于單片機(jī)的公交車智能語音報(bào)站和液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010（13）：31-35.LI Ji-zhi.Design of intelligent voice and LCD bus-stopreporting system based on MCU[J].Compute Knowledge and Technology，2010（13）：31-35.

[6]APLUS公司.API8108A versatile 10 sec instant voice room[S].美國(guó):APLUS公司，1999.

[7]鄭遠(yuǎn)鋒，白亞為，趙宇馳，等.掌上電腦巡檢器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].陜西電力，2009(1)：62-65.ZHENG Yuan-feng，BAI Ya-wei，ZHAO Yu-chi，et al.Design and application of palmtop computer-based patrol instrument for transformation equipment[J].Shaanxi Electric Power，2009（1）：62-65.