基于SYN6288的超聲波語(yǔ)音測距拐杖的設計

我國聽(tīng)力語(yǔ)言殘疾居視力殘疾、肢殘、智殘等五大殘疾之首，為2 057萬(wàn)人，占中國人口總數的1.67%。在發(fā)達國家，大多數盲人都有配備導盲犬，然而在中國，導盲犬數量嚴重不足，如何改善盲人的出行條件是一件很重要的工作。

為了方便盲人的安全出行，世界各國一直進(jìn)行著(zhù)導盲系統的研制。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡(jiǎn)單，其測量精度也能達到使用要求。目前國內生產(chǎn)的帶語(yǔ)音功能的超聲波導盲拐杖存在類(lèi)似的問(wèn)題：一方面是語(yǔ)音芯片使用前需預先錄制，使用不便。另一方面，因為錄制者的不同而產(chǎn)生語(yǔ)音音質(zhì)的差別容易導致誤聽(tīng)，需要有統一的語(yǔ)音音質(zhì)。本文采用STC89C52R單片機，結合超聲波測距技術(shù)設計導盲杖，并通過(guò)語(yǔ)音合成芯片SYN6288實(shí)現文本到語(yǔ)音的直接轉換，無(wú)需預先錄制，通過(guò)外置揚聲器提醒盲人前方道路情況，實(shí)現語(yǔ)音導盲功能。

1 工作原理

1.1 超聲波測距原理

超聲波作為一種新型的、非常有用的工具在各方面都有很大的發(fā)展空間，其原理是發(fā)射器發(fā)出的超聲波在空氣中以速度v傳播，在接觸到被測物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=wt/2即可算出被測物體的距離。

1.2 TTS語(yǔ)音合成原理

TTS(Text To Speech)文本轉換語(yǔ)音技術(shù)是人機智能對話(huà)發(fā)展的趨勢，利用此技術(shù)，通過(guò)MCU或者PC機控制語(yǔ)音芯片發(fā)音，能夠實(shí)現多種場(chǎng)合下的文字即時(shí)播報功能。

TTS轉換過(guò)程是先將文字序列轉換成音韻序列，再由系統根據音韻序列生成語(yǔ)音波形。這個(gè)過(guò)程涉及語(yǔ)言學(xué)處理和韻律處理，目前實(shí)現這個(gè)過(guò)程較好的途徑是，把基于規則的波形拼接技術(shù)和參數語(yǔ)音合成方法結合起來(lái)。

2 系統設計

2.1 硬件設計

硬件電路主要由數據采集電路、數據處理電路、語(yǔ)音合成輸出電路以及系統電源四部分組成，其硬件結構如圖1所示。

數據采集電路主要由高性能KS103超聲波測距模塊組成。KS103含溫度補償功能，測量精度高，使用溫度修正的測距命令，近距離內最高精度達1mm;測量盲區最小至1 cm，最大量程可達8 m，基本無(wú)盲區;使用ⅡC接口與主機通信，自動(dòng)響應主機的ⅡC控制指令;省電模式：具有自動(dòng)休眠功能，模塊5 s內未收到主機指令自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨時(shí)被主機ⅡC控制指令喚醒。

數據處理電路由單片機最小系統構成，MCU采用51系列單片機STC89C52RC。該芯片采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，8 kB的Flash，512 B的RAM，4個(gè)8b的I/O端口：P0、P1、P2、P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。該最小系統負責整個(gè)系統的數據處理功能。

語(yǔ)音合成傳輸電路主要由SYN6288模塊和揚聲器組成。其中SYN6288負責實(shí)現文本到語(yǔ)音的轉換(TTS)，揚聲器負責發(fā)出聲音提示。SYN6288是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的采用PSOLA拼接合成技術(shù)的一款語(yǔ)音合成芯片。SYN6288通過(guò)異步串口(UART)通信方式，接收待合成的文本數據，實(shí)現文本到語(yǔ)音(或TTS語(yǔ)音)的轉換，可直接通過(guò)PWM輸出方式驅動(dòng)揚聲器或外接功率放大電路驅動(dòng)揚聲器，進(jìn)行語(yǔ)音輸出，并可以通過(guò)讀取BUSY管腳的電平獲取芯片當前的狀態(tài)。該芯片支持GB2312等格式的文本，支持標點(diǎn)符號、漢字、數字、英文字母及特殊字符處理，可正確識別數值、號碼、時(shí)間日期及常用的度量衡符號，具備很強的多音字處理和中文姓氏處理能力。SYN6288模塊引腳示意圖如圖2所示。

系統電源采用的是5 V可充電鋰電池，可以多次反復使用，節能環(huán)保?；赟YN6288的超聲波測距拐杖系統的硬件電路圖如圖3所示。

2.2 軟件設計

單片機首先初始化有關(guān)的參數和相應的模塊以及傳感器，包括單片機串口的設置、超聲波模塊和SYN6288語(yǔ)音合成模塊。接著(zhù)單片機通過(guò)IIC總線(xiàn)讀?。?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/KS103">KS103超聲波模塊的值獲得前方障礙物的信息，然后單片機通過(guò)讀取SYN6288的BUSY管腳判斷SYN6288是否正在轉換語(yǔ)音，如果是的話(huà)則等待，如果不是的話(huà)則將前方障礙物信息轉換成語(yǔ)音信息，并通過(guò)揚聲器發(fā)聲，進(jìn)行語(yǔ)音提示。具體程序流程圖如圖4所示。

3 測試分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗，利用設計的基于SYN6288的超聲波語(yǔ)音測距拐杖進(jìn)行了實(shí)驗，在0 m～2 m范圍內可以有效測量，測試精度1 cm。存在一定的測試誤差主要是由于被測路面不光滑存在超聲波吸收衰減和散射損失以及發(fā)射的超聲波隨目標距離的增大而衰減等造成。

4 結束語(yǔ)

利用SYN6288語(yǔ)音合成芯片設計的超聲波語(yǔ)音測距拐杖使用簡(jiǎn)單，便于操作。由于采用+5 V鋰電池供電，故移動(dòng)性好，具備語(yǔ)音提示功能，更加人性化。利用高性能KS103超聲波測距模塊，通過(guò)溫度補償的方法對傳遞速度予以校正，因此具有較高的測量準確度。