單片機的多段語音組合錄放系統設計

溫洪昌，黃應強，傅貴興

（宜賓職業技術學院，宜賓 644003）

溫洪昌（工程師），主要研究方向為智能結構與系統。

引 言

目前，在自動取款機、自動售貨機、工業報警系統［1］、公路收費系統［2］、汽車防撞系統、智能玩具等領域具有語音輸出功能的儀器設備越來越多。我們的工作和生活環境更加人性化、智能化。但在工業生產現場，數碼輸出的手持式測量儀器得到大量應用，給測量人員讀取測量結果帶來了極大的方便。但是具體操作時，測量人員需要將儀器置于便于觀察測量結果的地方，然后手持測量探頭進行測量，由于測量環境的復雜性，特別是在狹窄的工業生產現場，既便于實施測量作業又便于觀測測量結果，二者有時不能兼顧。此時，如果儀器具有語音輸出結果的功能，將會給測量工作人員帶來極大的方便。筆者設計了一個基于單片機STC89C52RC、DS18B20溫度傳感器、語音芯片ISD1730構成的語音溫度測量系統，給出了語音的分段錄入、各段語音存放地址的確定、各段語音的修正、多段語音組合輸出等環節的詳細設計過程。

1 系統結構及軟硬件設計

1.1 系統結構及工作原理

具有語音輸出功能的單片機測量、顯示系統結構框圖如圖1所示。系統主要由傳感器輸入、STC89C52RC及其外圍電路、顯示電路、語音電路和電源電路構成。設計時將需要播報的語音段（或字）錄入語音芯片（系統失電后語音信息并不會丟失），系統工作時STC89C52RC會對傳感器的信號進行采集，通過處理后一方面將結果輸出顯示，另一方面分析需要播報哪些語音段，指令語音模塊將需要播報的語音段按要求組合進行播報。

1.2 系統硬件電路

1.2.1 數據采集與顯示部分

單片機及其外圍電路由STC89C52RC、復位電路、振蕩電路等構成單片機最小系統［3］；數字溫度傳感器DS18B20以一線形式與STC89C52RC的P3.7端口連接；采用4位數碼管顯示，顯示數據通過STC89C52RC的P0口，經過74LS573鎖存驅動后對數碼管段控制，P2.0～P2.2通過74LS138譯碼后對數碼管的字控制，實現動態掃描顯示。

圖1 系統結構框圖

1.2.2 語音電路設計

語音芯片采用美國 Winbond公司的ISD1730［4］，工作電壓范圍為2.4～5.5V，適合與單片機共用電源。該芯片適用于需要多段語音存儲與回放的各種高端電子系統，根據其外接振蕩電阻的大小不同，可以存儲20～60s的信息。語音電路如圖2所示。在電路中，振蕩電阻為80kΩ，最小存儲分辨率為125ms，可以存放30s的語音。信號以自然語音的形式按行存儲在其內部的多級固態存儲器內，可以通過指令中的11位地址對每一行的信息精確尋址，存儲的語音信息斷電后不會丟失，理論上可以保持一百年，存儲10萬次。

圖2 語音電路

對該芯片的操作有獨立按鍵和微控制器SPI接口2種方式［5－6］。當按鍵方式操作時，通過將圖中的S1～S4分別接地，就可以實現對ISD1730芯片復位、語音刪除、語音錄入、語音回放等操作，這些操作也可以通過STC89C52RC實現。ISD1730提供了4線（SCLK、MOSI、MISO、SS）SPI接口與STC89C52RC連接，系統采用了STC89C52RC的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口模擬SPI時序對ISD1730進行操作。語音輸出方式有2種，系統以PWM的形式驅動一個8Ω的D級揚聲器（SPEAKER），也可以配置成AUD（電流）或AUX（電壓）單端輸出的方式驅動外部的音頻放大器。

1.3 對語音信息的操作

1.3.1 語音信號錄入

可以采用商業的語音拷貝機［7］或手動錄入方式，將語音信號錄入語音芯片；手動錄入時，首先借助于聲音魔法師、文語轉換小精靈或其他的文字轉聲音軟件，在電腦上將需要錄入的文字轉換成多段語音信息，然后將電腦的耳機輸出口與如圖2所示的Analn引腳連接，也可以將發音設備對準MIC；閉合S33鍵，打開音源，進行錄制，錄制時指示燈LED閃亮；松開S33鍵則該段語音錄制結束，LED熄滅，一段語音錄制完成。同理可錄制下一段；全部語音錄制完成后，閉合S44鍵并保持，器件將會依次將錄制的語音全部播放出來，如果錄制不理想，可以刪除重來；閉合S33鍵并保持，LED閃爍7次，錄制的信息將全部刪除。

1.3.2 各段語音在芯片內地址的確定

語音錄制完成后，要實現對多段語音組合輸出，還必須知道每段語音的存儲地址。STC89C52RC與ISD1730之間采用SPI通信協議，STC89C52RC通過MOSI引腳發送指令給ISD1730，ISD1730語音芯片通過MISO引腳返回給STC89C52RC指令執行的情況和自己內部的狀態，每一個SPI指令執行時都會從ISD1730返回2個字節的數據反映出芯片的狀態，這2個字節的D5～D15位反映了存儲器中當前語音段的開始存放地址，因此通過軟件查詢就可以將存儲器中各段語音的存儲地址找出來。下面是其主要程序片段：

當系統初始化完成后，執行以上程序，利用串口調試程序可以觀察到返回的是每段語音存放的開始行的地址。其結束行的地址為下一段語音開始行的前一行地址，這樣就可以得到每段語音存放的開始和結束地址。

1.3.3 指定地址段語音的檢查和播報地址的確定

知道每段語音的存放地址后，還必須對每段語音進行檢查，屏蔽多余的部分。將每段語音的開始地址和結束地址放在一個數組里面，執行下面的程序可以將指定段語音播放出來：

采用手動錄制的語音，由于抖動和操作者的快慢影響，錄制的語音段的前后部分可能存在盲音或者不需要的信息。通過執行上面的程序可以檢測出來，然后修改該段語音在數組里的開始和結束地址，繼續執行上面的程序，反復幾次使效果達到滿意，確定最終的播報地址，播報時就屏蔽了不需要的部分。

1.3.4 多段語音回放

確定了每段語音的播放地址后，需要將多段語音組合，流利、自然的播放出來。該系列的語音芯片內部有一個先進先出的緩沖存儲器，可以存放2段語音的存放地址。當第1段語音播放完后，忽略其結束標志（EOM）繼續播第2段語音，同時將第3段語音的地址裝入緩沖存儲器。這樣，可以減小播放2段信息之間的時間，使語音更流暢，就像播放一段語音一樣。圖3是連續播放3段語音的流程圖。當需要播放更多段語音時，簡單修改即可。

結 語

介紹了基于單片機STC89C52RC控制的多段語音組合輸出設計過程中的幾個關鍵步驟。

① 特別是錄音時，并不需要知道各段語音的確切地址和精確時間，便于單位和個人制作，并研制了語音測溫儀經測試，該測溫儀語音播報流暢、連貫、準確。

值得注意的是：

在硬件設計中，數字地和模擬地要單獨走線，最后一點接地。

② 注意測量數據的顯示與語音播報之間的協調，由于顯示的速度比播報的速度快得多，在播報語音時，顯示數據可能不連續，解決方法是將顯示數據鎖存或者在播報指定段信息的等待期間插入顯示程序。

圖3 連續播放3段語音流程圖

③ 在選擇單片機STC89C52RC與語音芯片ISD1730的連接端口時，由于各端口的內部結構不一樣，帶負載的能力不同，選擇P1口可靠性較好。

［1］方宇訓，郄志鵬，劉士光.帶有語音系統的煤礦瓦斯報警系統的設計［J］.河北科技師范學院學報，2010（6）：32－35.

［2］李佳旭，丁鵬飛.基于ISD1760的智能語音計費顯示系統設計［J］.電子元器件應用，2010（6）：20－23.

［3］趙佩華，眭碧霞.單片機原理及接口技術［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［4］Winbond Electronics Corp.ISD1700系列設計手冊［EB／OL］.（2007－04－04）［2011－05］.http：／／www.winbond－usa.com.

［5］王素珍，呂佩舉.基于ISP器件的ISD系列SPI串口通信接口的設計［J］.微電子學與計算機，2005（8）：100－103.

［6］劉恩華，徐科明.基于ISD1700SPI協議模式的語音報警系統［J］.電子測試，2009（10）：69－72.

［7］ISD1700編程器說明書［OL］.［2011－05］.http：／／blog.sina.com.cn／u／1232520750.