基于AT89C52的火控系統(tǒng)語音設(shè)計

引言
在現(xiàn)代大多控制系統(tǒng)中，通常使用發(fā)光二極管 LED、數(shù)碼管、液晶顯示器、蜂鳴器等進行狀態(tài) / 結(jié)果顯示和故障報警，如果在顯示報警儀表上采用數(shù)字語言技術(shù)，使適合用聽覺傳送的信息用語言傳送，就可以發(fā)揮聽覺的優(yōu)勢，彌補完全用視覺信號傳遞信息的不足。近年來隨著語音電路的迅速發(fā)展，語音芯片已經(jīng)以其直觀、生動、與單片機接口方便等優(yōu)勢，越來越廣泛的應(yīng)用于單片機控制系統(tǒng)中了，成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)中人機聯(lián)系的一個友好界面。

1 語音電路分析
語言處理合成芯片很多，大多采用：語言信號 - 駐極話筒 - 電壓 - 濾波放大 -AD 轉(zhuǎn)換數(shù)字信號存儲。放音時采用：數(shù)字信號 -DA 轉(zhuǎn)換、輸出，這在實際使用時存在著以下不足：

(1)要使語音不失真地被采樣，要求采樣頻率 fs≥8 000 Hz。在小系統(tǒng)中，以這樣的速度采樣語音只能是很短的時間，若要稍長一段時間，勢必占用很大的存貯空間。

(2)系統(tǒng)構(gòu)成成本高，由于需要 ADC，DAC，專用語音芯片及相關(guān)電路。

(3)存在不同程度的失真(信號采樣和恢復(fù))。

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

ISD1420 語音芯片是美國 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、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。一個最小的錄放系統(tǒng)僅由一個麥克風、一個喇叭、兩個按鈕、一個電源、少數(shù)電阻電容組成。錄音內(nèi)容存人永久存儲單元，提供零功率信息存儲，這個獨一無二的方法是借助于美國 ISD 公司的專利——多電平直接模擬存儲技術(shù)(DAST TM)實現(xiàn)的。利用它，語音和音頻信號被直接存儲，以其原本的模擬形式進入 EEPROM 存儲器及分段輸出，因而失真小，能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音效果，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，不需專用語音開發(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音的再現(xiàn)。不僅語音質(zhì)量優(yōu)勝，而且斷電語音保護。因而在現(xiàn)代技術(shù)上得到廣泛使用。主要特點如下：

(1)使用方便的單片錄放系統(tǒng)，外部元件最少

(2)重現(xiàn)優(yōu)質(zhì)原聲，沒有常見的背景噪音

(3)信息可保存 100 年，可反復(fù)錄放 10 萬次

(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)無耗電信息存儲，省掉備用電池

(7)具有自動節(jié)電模式

(8)錄或放后立即進入維持狀態(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(tǒng)構(gòu)成
本語音電路作為火控計算機的一部分，主要是對目標距離進行實時報讀，供指揮人員提供觀察和決策，以選擇最佳時機發(fā)出擊發(fā)命令。語音電路由火控計算機主機發(fā)出 RS232 電平信號，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，為單片機 AT89C52 所接收。單片機 AT89C52 一方面控制高亮度數(shù)碼管顯示狀態(tài)信息，同時控制語音芯片 ISD1420 實時報讀目標距離。為指揮人員提供提示。

3 語音信號控制
3.1 語音電路特性
選用語音存儲 / 再生芯片 ISD1420。該電路采用 EEP-ROM 存儲方法將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入半導體存儲單元中，具有音質(zhì)自然、可反復(fù)錄放、抗干擾、低功耗等許多優(yōu)點。ISD1420 放音時間為 20 秒;最多可分為 160 段，每段段長最少 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。完全滿足設(shè)計需要。

ISD1420 芯片地址引腳(A0～A7)輸入有雙重功能，根據(jù)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，在操作過程中不能輸出內(nèi)部地址信息。根據(jù) 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，它們即為模式位(見表 1)。

使用操作模式有兩點要注意：

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

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

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

根據(jù)火控計算機系統(tǒng)報讀的需要，放音內(nèi)容為軍用數(shù)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，通過聲音處理軟件結(jié)合 ISD1420 開發(fā)錄放板，一次把聲音灌進語音模塊 ISD1420 中。這樣每一個數(shù)字發(fā)音都對應(yīng)一個內(nèi)部存儲空間?？梢酝ㄟ^調(diào)整語音芯片的地址(P2 口控制)來選擇合適的數(shù)據(jù)播放。

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

3.2 語音電路構(gòu)成
語音部分電路設(shè)計中設(shè)計了以單片機 89C52 為核心的語音報讀電路，89C52 的 P2 口用來實現(xiàn)地址選擇，放音時先由軟件給出一個地址，就是一個語音段首址，在這一放音過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喇叭，通過調(diào)整電阻 R1 的阻值可控制音量大小;語音芯片 ISD1420 周圍的 RC 電路主要為了減小噪聲的影響;MAX813L 則作為看門狗電路為單片機 AT89C52 提供上電復(fù)位和運行監(jiān)控。

MAX232 將火控計算機主機送過來的 RS232 電平信號轉(zhuǎn)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)信息實時顯示并進行報讀，通過引腳 P3.6 控制 ISD1420 的放音，P2 口用來調(diào)整放音地址。通過按地址分時播放就可以實現(xiàn)分段播放了，而分段播放的最大優(yōu)點是可以只要一些基本的聲音就可以合成一段話。這樣可以節(jié)省語音模塊的空間，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(shè)計
AT89C52 的軟件設(shè)計相對簡單。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狗程序。放音控制程序根據(jù)火控計算機系統(tǒng)的要求及實際情況，只對火控計算主機傳送來信息的目標距離量進行實時報讀。目標距離是實施射擊和掌握開火時機的重要依據(jù)。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，開火報到點上”。報讀時，根據(jù)目標快速運動的特點，可以省略報讀字節(jié)，提高反應(yīng)速度和報讀的清晰度。電平控制放音中開始地址和播放時間也是必不可少的，只要控制了這兩個參數(shù)就可以確定播出內(nèi)容。

5 結(jié)束語
按上述方法設(shè)計出的語音電路報讀電路在某火控系統(tǒng)中得到實際應(yīng)用，實踐證明運行可靠、準確，具有一定的使用價值。

審核編輯 黃昊宇