如何用單片機89C52設計火控系統語(yǔ)音報讀？

　　引言

　　在現代大多控制系統中，通常使用發(fā)光二極管LED、數碼管、液晶顯示器、蜂鳴器等進(jìn)行狀態(tài)/結果顯示和故障報警，如果在顯示報警儀表上采用數字語(yǔ)言技術(shù)，使適合用聽(tīng)覺(jué)傳送的信息用語(yǔ)言傳送，就可以發(fā)揮聽(tīng)覺(jué)的優(yōu)勢，彌補完全用視覺(jué)信號傳遞信息的不足。近年來(lái)隨著(zhù)語(yǔ)音電路的迅速發(fā)展，語(yǔ)音芯片已經(jīng)以其直觀(guān)、生動(dòng)、與單片機接口方便等優(yōu)勢，越來(lái)越廣泛的應用于單片機控制系統中了，成為現代控制系統中人機聯(lián)系的一個(gè)友好界面。

　　1 語(yǔ)音電路分析

　　語(yǔ)言處理合成芯片很多，大多采用：語(yǔ)言信號-駐極話(huà)筒-電壓-濾波放大-AD轉換數字信號存儲。放音時(shí)采用：數字信號-DA轉換、輸出，這在實(shí)際使用時(shí)存在著(zhù)以下不足：

　　(1)要使語(yǔ)音不失真地被采樣，要求采樣頻率fs≥8 000 Hz。在小系統中，以這樣的速度采樣語(yǔ)音只能是很短的時(shí)間，若要稍長(cháng)一段時(shí)間，勢必占用很大的存貯空間。

　　(2)系統構成成本高，由于需要ADC，DAC，專(zhuān)用語(yǔ)音芯片及相關(guān)電路。

　　(3)存在不同程度的失真(信號采樣和恢復)。

　　(4)使用不靈活，只能錄什么，放什么，難以實(shí)現字、詞、句的組合。

　　ISD1420語(yǔ)音芯片是美國ISD公司出品的新型優(yōu)質(zhì)單片錄放音電路，采用了直接模擬量存儲技術(shù)DAST。主要由振蕩器、語(yǔ)音存儲單元、前置放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。一個(gè)最小的錄放系統僅由一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)喇叭、兩個(gè)按鈕、一個(gè)電源、少數電阻電容組成。錄音內容存人永久存儲單元，提供零功率信息存儲，這個(gè)獨一無(wú)二的方法是借助于美國ISD公司的專(zhuān)利——多電平直接模擬存儲技術(shù)(DAST TM)實(shí)現的。利用它，語(yǔ)音和音頻信號被直接存儲，以其原本的模擬形式進(jìn)入EEPROM存儲器及分段輸出，因而失真小，能夠非常真實(shí)、自然地再現語(yǔ)音效果，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。使用方便，不需專(zhuān)用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具，成本低廉。直接模擬存儲允許使用一種單片固體電路方法完成其原本語(yǔ)音的再現。不僅語(yǔ)音質(zhì)量?jì)?yōu)勝，而且斷電語(yǔ)音保護。因而在現代技術(shù)上得到廣泛使用。主要特點(diǎn)如下：

　　(1)使用方便的單片錄放系統，外部元件最少

　　(2)重現優(yōu)質(zhì)原聲，沒(méi)有常見(jiàn)的背景噪音

　　(3)信息可保存100年，可反復錄放10萬(wàn)次

　　(4)較強的分段選址能力可處理多達160段信息

　　(5)邊沿/電平觸發(fā)放音

　　(6)無(wú)耗電信息存儲，省掉備用電池

　　(7)具有自動(dòng)節電模式

　　(8)錄或放后立即進(jìn)入維持狀態(tài)，僅需0.5μA電流

　　(9)工作電壓：5 V

　　(10)工作電流：典型值15 mA，最大值30 mA(16歐姆)

　　2 系統構成

　　本語(yǔ)音電路作為火控計算機的一部分，主要是對目標距離進(jìn)行實(shí)時(shí)報讀，供指揮人員提供觀(guān)察和決策，以選擇最佳時(shí)機發(fā)出擊發(fā)命令。語(yǔ)音電路組成框圖如圖1所示。由火控計算機主機發(fā)出RS232電平信號，經(jīng)電平轉換后，為單片機AT89C52所接收。單片機AT89C52一方面控制高亮度數碼管顯示狀態(tài)信息，同時(shí)控制語(yǔ)音芯片ISD1420實(shí)時(shí)報讀目標距離。為指揮人員提供提示。

　　3 語(yǔ)音信號控制

　　3.1 語(yǔ)音電路特性

　　選用語(yǔ)音存儲/再生芯片ISD1420。該電路采用EEP-ROM存儲方法將模擬語(yǔ)音數據直接寫(xiě)入半導體存儲單元中，具有音質(zhì)自然、可反復錄放、抗干擾、低功耗等許多優(yōu)點(diǎn)。ISD1420放音時(shí)間為20秒;最多可分為160段，每段段長(cháng)最少125 ms;輸入采樣* kHz;100 000次錄音周期;5 V單電源供電，放音電流15 mA，維持電流0.5μA。完全滿(mǎn)足設計需要。

　　ISD1420芯片地址引腳(A0～A7)輸入有雙重功能，根據地址中的A6，A7的電平狀態(tài)決定A0～A7的功能。如果A6，A7有一個(gè)是低電平，A0～A7輸入全解釋為地址位，作為起始地址用。地址位僅作為輸入端，在操作過(guò)程中不能輸出內部地址信息。根據PLAYL、PLAYE或REC的下降沿信號，地址輸入被鎖定。如果A6，A7同為高電平時(shí)，它們即為模式位(見(jiàn)表1)。

　　使用操作模式有兩點(diǎn)要注意：

　　(1)所有初始操作都是從0地址開(kāi)始，0地址是1420存儲空間的起始端，以后的操作可根據模式的不同。而從不同的地址開(kāi)始工作。當電路中錄放音轉換或進(jìn)入省電狀態(tài)時(shí)，地址計數器復位為0。

　　(2)當PLAYL、PLAYE或REC變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)A6，A7為高電平時(shí)，執行對應操作模式。這種操作模式一直執行到下一個(gè)低電平控制輸入信號出現為止，這一刻現行的地址/模式信號被取樣并執行。操作模式可以與微控制器一起使用，也可用硬件連線(xiàn)得到所需系統操作。

　　通過(guò)以上介紹可知，160段對應著(zhù)160個(gè)地址，由A0～A7組合產(chǎn)生。要實(shí)現分段播放先要進(jìn)行錄音，錄音可以采用高級的聲音處理軟件一次把聲音灌進(jìn)語(yǔ)音模塊里頭也可以采用分段錄音的方法進(jìn)行分段錄制。在使用ISD1400系列的語(yǔ)音芯片時(shí)，應注意在REC和VCC之間接一個(gè)0.1 mF的電容，以防止在上電時(shí)出現錄音操作而破壞原來(lái)錄制的信息。

　　根據火控計算機系統報讀的需要，放音內容為軍用數字發(fā)音：“幺、兩、三、四、五、六、拐、八、勾，洞”。我們利用A0～A7引腳的地址功能，通過(guò)聲音處理軟件結合ISD1420開(kāi)發(fā)錄放板，一次把聲音灌進(jìn)語(yǔ)音模塊ISD1420中。這樣每一個(gè)數字發(fā)音都對應一個(gè)內部存儲空間?？梢酝ㄟ^(guò)調整語(yǔ)音芯片的地址(P2口控制)來(lái)選擇合適的數據播放。

　　由于在戶(hù)外使用，要求發(fā)出的聲音具有一定的響度，即要求語(yǔ)音電路有較大功率輸出。語(yǔ)音芯片ISD1420內部輸出級帶有放大器，其直接的揚聲器驅動(dòng)功率為12.2 mW(16Ω負載)，這距離我們的實(shí)際需要相差很大，通常1 W以下的揚聲器可用LM386、D2283 D2822、MC34119、TA7368等芯片驅動(dòng)，1 W～lO w的揚聲器用TDA2003、LA4440芯片驅動(dòng)，因此后級功放必須保證能在低電壓下輸出大功率信號，以推動(dòng)揚聲器發(fā)聲，在這里我們選用了LA4440芯片驅動(dòng)。

　　3.2 語(yǔ)音電路構成

　　語(yǔ)音部分電路設計見(jiàn)圖2所示，在該電路中設計了以單片機89C52為核心的語(yǔ)音報讀電路，89C52的P2口用來(lái)實(shí)現地址選擇，放音時(shí)先由軟件給出一個(gè)地址，就是一個(gè)語(yǔ)音段首址，在這一放音過(guò)程中地址是不能變化的;LA4440為音頻功放電路，將ISD1420的音頻輸出放大推動(dòng)喇叭，通過(guò)調整電阻R1的阻值可控制音量大小;語(yǔ)音芯片ISD1420周?chē)腞C電路主要為了減小噪聲的影響;MAX813L則作為看門(mén)狗電路為單片機AT89C52提供上電復位和運行監控。

　　MAX232將火控計算機主機送過(guò)來(lái)的RS232電平信號轉換成TTL電平并送到單片機AT89C52，單片機AT89C52對火控計算機主機的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示并進(jìn)行報讀，通過(guò)引腳P3.6控制ISD1420的放音，P2口用來(lái)調整放音地址。通過(guò)按地址分時(shí)播放就可以實(shí)現分段播放了，而分段播放的最大優(yōu)點(diǎn)是可以只要一些基本的聲音就可以合成一段話(huà)。這樣可以節省語(yǔ)音模塊的空間，提高產(chǎn)品的靈活性，降低生產(chǎn)成本。分段播放可以用在一些發(fā)音的基本元素不多，但組合發(fā)音變化比較多的地方。

　　4 軟件設計

　　AT89C52的軟件設計相對簡(jiǎn)單。主要包括與火控計算機主機的串行通訊程序(11.0592 MHz晶振、4800波特率、八位異步方式)，放音控制程序，顯示控制程序及看門(mén)狗程序。放音控制程序根據火控計算機系統的要求及實(shí)際情況，只對火控計算主機傳送來(lái)信息的目標距離量進(jìn)行實(shí)時(shí)報讀。目標距離是實(shí)施射擊和掌握開(kāi)火時(shí)機的重要依據。它的報讀原則是：“遠距離報讀間隔大一些，近距離報讀間隔小一些，開(kāi)火報到點(diǎn)上”。報讀時(shí)，根據目標快速運動(dòng)的特點(diǎn)，可以省略報讀字節，提高反應速度和報讀的清晰度。電平控制放音中開(kāi)始地址和播放時(shí)間也是必不可少的，只要控制了這兩個(gè)參數就可以確定播出內容。

　　5 結束語(yǔ)

　　按上述方法設計出的語(yǔ)音電路報讀電路在某火控系統中得到實(shí)際應用，實(shí)踐證明運行可靠、準確，具有一定的使用價(jià)值。