基于PM60的砌塊機語音提示系統的設計與研究

周文景，曾盛綽，楊德沛，黃海秋

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著我國墻改政策力度加大和混凝土砌塊機在中國的發展，我國對混凝土砌塊機的自動化和智能化程度要求越來越高；我國砌塊機經歷了20多年的發展[1]，取得了很大的進步，但是仍存在自動化、機械化、智能化程度低，尚無統一的技術標準，功能單一等諸多問題。該設計把語音提示系統首次應用到混凝土砌塊機中，提高了全流程的自動化、智能化程度，使用語音報告操作程序及故障排除方法，可直接知道設備或系統的工作狀態，并解決了國內大多數混凝土砌塊機用顯示屏報告故障原因時因顯示屏通常在室外、光線強無法看清顯示數據以及操作人員的文化水平素質偏低，無法閱讀和理解顯示屏有關數據的難題。

1 語音提示系統控制技術

1.1 語音技術

近年來，語音電路發展極為迅速，在單片機系統中的應用也越來越廣。在生活的很多領域中都用到了語音技術，如智能翻譯機、語音撥號、語音查詢、語音自動訂票系統、語音導航等。語音技術在工業領域中[2]，主要用于報告運行狀態、運行結果、提示系統操作過程及故障報警。

在傳統的砌塊機系統當中，當出現故障時，報警器發出聲音報警，雖然能發現故障，但是不知道具體哪個部位出了故障，此時需要逐個排查才能找出原因。而且當一個系統或設備有多個狀態需要報警時，難以區分各種報警。現在許多砌塊機系統在原來故障報警器基礎上，用顯示屏報告故障原因。這樣就不用工作人員逐個排查故障原因和部位，節省了大量的人力、物力。但由于砌塊機通常在室外工作，光線強而無法看清顯示數據；同時，顯示屏的有關數據需要操作人員具備一定的文化水平和閱讀理解能力。本文采用單片機控制技術和固態化語音存儲技術對語音系統進行設計和研究。其控制單元利用了比較先進的現代電子技術和電子器件，應用語音芯片具有的內部寄存器可編輯功能，進行語音地址編輯。通過單片機對語音芯片的智能控制，及時、準確地報告操作程序及故障排除方法。在設計和研究過程中，主要解決了把語音系統應用到砌塊機領域，以及語音芯片PM60和單片機PIC18F4620之間串行口的連接問題，從根本上解決了上述難題。

1.2 PM60系列語音芯片

PM60系列是一款智能語音產品。與PM50和ISD系列語音芯片相比，有其獨特的優勢。該系列芯片在燒錄、放音電路上基本可以和PM50系列兼容，比PM50增加話筒錄音功能，具有長秒數，高品質，易錄放的特點。是一個整合了錄放音電路，快閃存儲，ADPCM編、解碼器，功率放大器，穩壓器等線路的全功能錄放系統。PM60已經包裝成標準的COB-28管腳，所以使用者可以很方便的將PM60設計整合到需要錄放音的場合上，只需接上電源、喇叭、按鍵，PM60就是一個獨立的聲音播放系統，若再加上麥克風，PM60更是一個獨立的錄放音系統[3]。

2 系統硬件電路設計

2.1 語音芯片控制方式

系統結構原理框圖如圖1所示。語音提示系統的觸發信號為RS232串行通訊傳來的協議數據,根據數據內容對故障排除方法和控制狀態進行語音提示。該設計采用標準的串行輸入接口。為防止串行通訊帶來的干擾，系統各芯片使用的電源獨立于主板控制系統的電源,PM60語音芯片用一套單獨的+5V和GND，其他芯片用另一個電源，并且對通訊信號進行了光電隔離。單片機獲得編碼后將會觸發語音芯片內相應的語音信號，語音信號是之前按一定編碼方式錄制好的，可以是單獨一段也可以是任意不同段落的組合，最后經功率放大電路驅動揚聲器進行語音輸出。在串行輸入接口工作方式下，K1為數據端，K2為同步時鐘端，O1為忙信號端。地址數據在時鐘上升沿鎖存輸入到PM60芯片內。語音段的地址為0x80H～0xFFH。外部單片機直接送入要放音的段地址即可播放，結束時PM60的忙信號端O1拉低，在判斷一段語音結束時，外部單片機再送下一段語音的段地址。單片機串行輸入控制時序圖如圖2所示，K2時鐘為10～500Hz內均可。

2.2 與單片機相連的硬件電路

圖2 PM60語音芯片控制時序圖Fig.2 PM60 Speech chip control sequence diagram

系統采用單片機PIC18F4620作為控制芯片。具有實用、省電、高速、體積小、驅動和抗干擾強等特點，片上有8K空間的FLASH程序存儲器，內部資源豐富，完全滿足系統要求[4]。PM60與PIC18F4620的硬件連接是通過6個6N137光電耦合器連接起來的。其中光電耦合器的作用是用來隔離高頻電路與低頻電路，高頻電路產生的高頻信號會干擾低頻電路，用光電耦合器既能連接兩個部分又能屏蔽高頻信號。單片機與語音芯片PM60間可采用同步外設接口（SPI總線）進行通訊。SPI是一種串行同步通訊協議,由一個主設備和一個或多個從設備組成,主設備啟動一個與從設備的同步通訊，從而完成數據的交換。SPI接口由SDI（串行數據輸入）、RDO（串行數據輸出）、RD2（串行移位時鐘）、CS（從使能信號）四種信號構成[5]。在系統的設計中，單片機PIC18F4620為主控芯片，PM60作為從芯片，由于數據為單片機到語音芯片的單向傳輸，所以可只將RDO引腳接語音芯片K1端，進行數據傳輸；RD2引腳接K2端，產生數據傳輸的時鐘信號；RC5引腳接語音芯片O1端，查詢語音播放是否完畢，以準備下一段數據傳輸。PM60語音芯片喇叭端1（SP1）通過LM1875T功率放大后接至喇叭輸出語音。

語音系統與外部設備串行通訊電路中，串行通訊芯片采用MAX232CSE。為消除串行通訊帶來的干擾，采用光耦6N137將通訊信號進行隔離，電路中右邊的3個光耦右側的供電電源為主板的+5V的供電電源，GND為主板供電電源的接地端；左側的+5V供電電源來自穩壓器1 AMS1117輸出的+5V電壓，GND為輸入板提供。左邊的3個光耦左側的供電電源也是由穩壓器1 AMS1117輸出的+5V電壓提供，GND為輸入板提供；右側的+5V電壓由穩壓器2提供，接地端為GND-F。TR5的6腳,TR1和TR2的3腳分別與單片機的RB2 RB3,RB4管腳連接,作為數據的接收端、發送端以及收發控制端。根據串行通訊協議,語音系統可接收外部設備發送的控制命令，經數據處理后播報當前語音信息。

3 軟件程序設計

PM60芯片一共可以錄放128段語音，其編碼方式如表1所示。

將以上編碼編制到程序中，根據工業現場的要求計算語音編碼。單片機通過I/O，端檢測，PM60的輸入狀態，當PM60的O1端被拉低時，即表示PM60可以接受信號，此時單片機可將語音編碼輸出到PM60。PM60語音芯片根據單片機輸出過來的地址，自動從語音庫EPROM中找到相應的語音段，經功放和音頻放大輸出至揚聲器。這樣，可以很靈活地通過編程，將語音庫中的語音段按要求進行組合、輸出[6]。語音系統程序框圖如圖3所示。

表1 編碼方式Tab.1 Coding style

4 結束語

圖4 語音系統程序框圖Fig.4 Phonetic system program block diagram

該語音提示系統針對國內大多數混凝土砌塊機用報警器或顯示屏報告故障原因存在的問題,以PIC18F4620單片機為主控單元，采用新型語音芯片PM60為從設備，通過設計與研究，實現了語音報告操作程序及故障排除方法；提高了砌塊機系統的自動化、智能化和人性化的程度。該系統操作簡單、使用方便,對操作人員的文化素質和理論水平要求不高。通過仿真與實驗，系統能夠安全、準確、穩定的運行，達到了預期的效果。對語音技術在工業領域的應用提供參考與借鑒，具有較好的推廣應用價值。

[1]仲崇生.QTY6-15型全自動混凝土砌塊成型機的設計[J].建筑砌塊與砌塊建筑，2007，3.

[2]張雄偉，等.現代語音處理技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]PM60系列語音芯片技術手冊[Z].

[4]陳建新.PIC單片機開發應用與實驗工具制作[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[5]李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[6]潘新民，等.微型計算機控制技術[M].北京：電子工業出版社，2011.