一種智能電梯語音系統(tǒng)的設(shè)計

1、一種智能電梯語音系統(tǒng)的設(shè)計1  引言    隨著城市文明化和現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，對建筑物中電梯的服務(wù)要求也越來越高，人們越來越追求智能化、人性化的乘梯環(huán)境。在電梯語音服務(wù)方面，目前主要是傳統(tǒng)的人工服務(wù)，即通過電梯管理員告知乘客所要到達(dá)的樓層以及其他相關(guān)的服務(wù)信息。本文以單片微機和ISD語音芯片為核心，設(shè)計了一種電梯語音服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了電梯語音服務(wù)的智能化和自動化，以適應(yīng)各種對服務(wù)要求比較高的電梯中。2  器件功能介紹    Winbond公司的ISD系列語音芯片采用了“直接模擬量存儲”(DAST)專利技術(shù)，信號無

2、需經(jīng)過D/A，A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字壓縮和語音合成等復(fù)雜的數(shù)字信號處理過程，減少了失真，使其聲音存貯效果較以前產(chǎn)品有大幅提高，實際試聽主觀評價可以達(dá)到磁帶錄音機的水平，是目前市場上錄放效果最好的語音電路之一。    ISD4004語音芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陳列等(見圖)，因此只需很少的外圍器件就可構(gòu)成一個完整的聲音錄放系統(tǒng)。芯片設(shè)計是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通過串行通信接口(SPI或Micwire)送入。采樣頻率可為4.0kHz、 5.3kHz、6.4kHz、8.0kHz

3、頻率越低，錄放時間越長，而音質(zhì)則有所下降。片內(nèi)信息存于閃爍存儲器中，可在斷電情況下保存100年(典型值) 反復(fù)錄10萬次。器件工作電壓3，工作電流2530mA，維持電流1uA，單片錄放語音時間816min，音質(zhì)好，適用于移動 機及其它便攜式電子產(chǎn)品中。圖1     ISD4004系列語音芯片內(nèi)部框圖2.1  引腳描述ISD4004系列芯片引腳圖如圖2所示:圖2     ISD4004系列芯片引腳圖(TSOP及PDIP、SOIC)    同相模擬輸入(ANA IN+)這是錄音信

4、號的同相輸入端，輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動。單端輸入時，信號由耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值32，耦合電容和本端的3輸入阻抗決定了芯片頻率的低端截止頻率。在差分驅(qū)動時，信號最大幅度為峰峰值16。    反相模擬輸入(ANA IN-)差分驅(qū)動時，這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值16，本端的標(biāo)稱輸入阻抗為56，單端驅(qū)動時，本端通過電容接地。 兩種方式下，ANA IN+和ANA IN-端的耦合電容值應(yīng)相同。·音頻輸出(AUD OUT)提供音頻輸出，可驅(qū)動5的負(fù)載。·片選(SS)此端為低，即選中ISD4004 系列。&

5、#183;串行輸入(MOSI)此為串行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端，供ISD 輸入。·串行輸出(MISO)串行輸出端，ISD未選中時，本端呈高阻態(tài)。·串行時鐘(SCLK)ISD的時鐘輸入端，由主控制器產(chǎn)生，用于同步 MOSI 和MISO的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在SCLK上升沿鎖存到ISD，在下降沿移出ISD。·中斷(INT)本端為漏極開路輸出，ISD在任何操作(包括快進(jìn))中檢測到EOM或OVF時，本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始清除，中斷狀態(tài)也可用RINT指令讀取。·行地址時鐘(RAC)漏極開始輸出。每個RAC周期表

6、示 ISD存儲器的操作進(jìn)行了一行(ISD4004系列中的存儲器有2400行)。8kHz采樣頻率的器件，RAC周期為200ms，其中175ms保持高電平，低電平為25ms。快進(jìn)模式下，RAC為218.75ms高電平，31.25ms為低電平，該端可用于存儲管理技術(shù)。·外部時鐘(XCLK)本端有內(nèi)部下拉元件，芯片內(nèi)部的采樣時鐘在出廠前已調(diào)校，誤差在+1內(nèi)，在不外接時鐘時，此端必須接地。·自動靜噪(AM CAP)1F電容構(gòu)成內(nèi)部峰值檢測電路的一部分，檢測出的峰值電平與內(nèi)部設(shè)定的閾值作比較，決定自動靜噪電路的工作與否。大信號時自動靜噪電路不衰減，靜音時衰減6dB。同時，1F電容也影響

7、自動靜噪電路時信號幅度的響應(yīng)速度，本端接VCCA則禁止自動靜噪。2.2  SPI接口    ISD4004工作于SPI串行接口。SPI協(xié)議是一個同步串行數(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的下降沿動作。因此，對ISD4004而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。協(xié)議具體內(nèi)容如下:(1) 所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于SS下降沿;(2) SS在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間保持為高電平;(3) 數(shù)據(jù)在時鐘上升沿移入，在下降沿移出;(4) SS變低，輸入指令和地址后，ISD行才開始錄放操作;(5) 指

8、令格式是8位控制碼加16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)生一個中斷，該中斷狀態(tài)在下一個SPI周期開始時被清除;(7) 使用“讀”指令會使中斷狀態(tài)位移出ISD的MISO引腳時，控制及地址數(shù)據(jù)也同步從MOSI端移入;(8) 所有操作在運行位(RUN)置時開始，置0時結(jié)束;(9) 所有指令都在SS端上升沿開始執(zhí)行。OVF標(biāo)志指示ISD錄放操作已到達(dá)存儲器的末尾。EOM標(biāo)志只在放音過程中檢測到內(nèi)部的EOM標(biāo)志時，此狀態(tài)位置，如圖3所示。SPI指令碼如表所示。圖3     SPI端口的控制位表1  

9、60;  SPI指令表    以下列舉了幾種對ISD器件進(jìn)行操作時的指令次序。(1) 信息快進(jìn)。用戶不必知道確切的地址，就能快進(jìn)跳過一條信息。信息快進(jìn)只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍，遇到EOM后停止，內(nèi)部地址計數(shù)器加1，并接下條信息開始處。(2) 上電順序。器件延時TPUD(8kHz)采樣時，約25ms后才能開始操作。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。例如從 00處放音，應(yīng)遵循如下時序:發(fā)power up命令;等待TPUD上電延時);發(fā)地址值為00的SETPLAY命令;發(fā)PLAY命令。器件會從00地址開始放音，

10、當(dāng)出現(xiàn)EOM時，立即中斷，停止放音。如果從00處錄音，則按以下時序:發(fā)power up命令;等待TPUD(上電延時);發(fā)power up命令;等待2倍 TPUD;發(fā)地址值為00的SET REC命令;發(fā)REC命令。器件便從00地址開始錄音，一直到出現(xiàn)OVF存儲器末尾)時，錄音停止。    SPI控制寄存器控制器件的每種功能，如表2所列。 表2     SPI 控制寄存器    注:IAB置0時，錄、放操作從A15A0地址開始。為了能連貫錄、放到后續(xù)存儲空間，在操作到達(dá)該行之前，應(yīng)發(fā)出第二個SPI指

11、令將IAB置1，原則器件在同一地址上反復(fù)循環(huán)。這個特點對語音提示功能很有用，RAC腳和 IAB位可用于信息管理。2.3  命令格式及時序    8位及24位命令格式如圖4和圖5所示。錄音、放音、停止時序如圖6所示。 圖4     8位命令格式圖5     24位命令格式圖 6      錄音、放音、停止時序3  電梯語音系統(tǒng)的設(shè)計3.1  系統(tǒng)原理電路    本系統(tǒng)是指安裝在電

12、梯內(nèi)的放音電路，不包含錄音部分。在實際應(yīng)用中，將對方需要播音的內(nèi)容事先錄制到語音芯片中(每一層樓對應(yīng)一段語音服務(wù)，按樓層從低到高的順序錄音)，電梯運行時，本系統(tǒng)便可實現(xiàn)自動的語音播報服務(wù)。各樓層信號通過信號采集系統(tǒng)從電梯控制面板中引出，經(jīng)過隔離系統(tǒng)，進(jìn)入單片機(如圖8所示，其中隔離器件選用TOSHIBA的光電耦合芯片TLP521-4)。電源部分從電梯內(nèi)部引入220V交流電源，通過電源模塊和電壓調(diào)節(jié)模塊分別為單片機和語音芯片提供5V和3V電壓(如圖9所示)。語音芯片輸出的音頻信號通過功放電路輸出至外部。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7     系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖圖

13、8     信號采集電路圖9     電源電路3.2  單片機與ISD芯片接口電路    本文討論的電梯語音系統(tǒng)的控制和放音部分主要由AT89C51單片機和ISD4004語音芯片構(gòu)成，其中單片機和語音芯片的接口設(shè)計如圖10所示:圖10     ISD4004與89C51接口電路    從圖10中可以看出，單片機和ISD4004之間的連線較少。P1.0接 ISD4004的片選引腳/SS,控制ISD4004是否

14、選通;P1.1接ISD4004的MOSI串行輸入引腳，語音芯片從該引腳讀入放音的地址; P1.2接ISD的串行輸出引腳MISO，單片機從該引腳接收從語音芯片傳來的信號;單片機AT89C51的P1.3接ISD4004的串行時鐘輸入端 SCLK，作為ISD的時鐘輸入，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸;P1.4接ISD芯片的中斷引腳/INT, 接收從語音芯片發(fā)來的EOM信號，獲得語音段結(jié)束信息, 控制其放音或快進(jìn)操作;ISD4004音頻信號輸出引腳AUDOUT通過一濾波電容輸出至外部功放。    本系統(tǒng)是針對播報20層樓的情形設(shè)計的，通過信號采集系統(tǒng)從電梯控制面板內(nèi)

15、主要取出了三類信號:樓層信號，上下行信號，關(guān)門信號。其中F1至F20便是樓層信號，UP和DOWN分別為上行和下行信號，CLOSE為關(guān)門信號，這些信號經(jīng)過隔離處理后進(jìn)入單片機。4  軟件設(shè)計    按照前面的分析和硬件原理圖，軟件部分的任務(wù)主要是找出將要進(jìn)行語音播報服務(wù)的樓層和在找到樓層后在合適的時候進(jìn)行放音。4.1  軟件流程包括以下步驟(1) 初始化，取定當(dāng)前樓層;(2) 掃描電梯面板，并量化存儲用戶選取的所有目標(biāo)樓層信息;(3) 為存儲的目標(biāo)樓層數(shù)據(jù)排序;(4) 判斷是否存在有效的目標(biāo)樓層信息，若判斷結(jié)果為否，則返回步驟(2);(5) 若步

16、驟(4)中的判斷結(jié)果為是，檢測是否有關(guān)門信號，若檢測結(jié)果為否，則返回步驟(2);(6) 若(5)中檢測的結(jié)果為是，判斷電梯是上行還是下行;(7) 保存判斷所述的電梯最近目標(biāo)樓層;(8) 調(diào)用選音播放子程序;(9) 保存已經(jīng)播放語音的電梯最近目標(biāo)樓層為當(dāng)前樓層。4.2  軟件    軟件流程圖如圖11所示。選音播放子程序見圖12。圖11     系統(tǒng)軟件流程圖圖12     選音播放子程序流程圖    對于ISD4004而言，由于兩次要放音的內(nèi)容在

17、存儲器里不一定是相鄰的兩段，所以涉及到對語音芯片的分段提取語音的控制，而不只是簡單的放音操作。對于這種情況，如果在知道每一語音段首地址的情況下，可以直接采用“發(fā)送該段首地址并從當(dāng)前地址開始放音”的命令來實現(xiàn)，由于在實際錄音過程中，錄音設(shè)備不一定提供每一語音段的物理地址(一般只是顯示對應(yīng)的段數(shù))，所以在提取樓層對應(yīng)的語音段的問題上，就必須采取另外的方法，在這里我們是采取控制語音芯片連續(xù)快進(jìn)的方式來實現(xiàn)的。因此，選音播放子程序包括下列步驟:(1) 根據(jù)電梯最近目標(biāo)樓層設(shè)置快進(jìn)次數(shù)計數(shù)器;(2) 從首地址處開始快進(jìn)一次(本系統(tǒng)一樓不要求語音服務(wù));(3) 向語音芯片發(fā)送從當(dāng)前語音段地址開始快進(jìn)的命令

18、;(4) 檢測是否到達(dá)電梯最近目標(biāo)樓層的語音段地址，若否則返回步驟(3);(5) 若步驟(4)中的檢測結(jié)果為是，則播放語音。本文重點給出選音播放子程序如下:FANGYIN:MOV 34H,33H   設(shè)置33H為計數(shù)器并將當(dāng)前播音樓層作一備份SETMC: CLR  SSMOV R1,#0E8H  發(fā)送從首地址開始快進(jìn)命令MOV A, #00HACALL SENDMOV A, #00HACALL SENDMOV A, R1ACALL SENDSETB SS SETMC1: CLR SSMOV R1, #0F8H  發(fā)送從當(dāng)前地址開始快進(jìn)命令MOV A, R1ACALL SENDACAL