語(yǔ)音電路報(bào)讀電路的設(shè)計(jì)方法及在火控系統(tǒng)中的應(yīng)用

0 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(jìn)行狀態(tài)/結(jié)果顯示和故障報(bào)警，如果在顯示報(bào)警儀表上采用數(shù)字語(yǔ)言技術(shù)，使適合用聽覺傳送的信息用語(yǔ)言傳送，就可以發(fā)揮聽覺的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)完全用視覺信號(hào)傳遞信息的不足。近年來隨著語(yǔ)音電路的迅速發(fā)展，語(yǔ)音芯片已經(jīng)以其直觀、生動(dòng)、與單片機(jī)接口方便等優(yōu)勢(shì)，越來越廣泛的應(yīng)用于單片機(jī)控制系統(tǒng)中了，成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)中人機(jī)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(hào)-駐極話筒-電壓-濾波放大-AD轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)。放音時(shí)采用：數(shù)字信號(hào)-DA轉(zhuǎn)換、輸出，這在實(shí)際使用時(shí)存在著以下不足：

(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(tǒng)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(zhǎng)一段時(shí)間，勢(shì)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(yǔ)音芯片及相關(guān)電路。

(3)存在不同程度的失真(信號(hào)采樣和恢復(fù))。

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

ISD1420語(yǔ)音芯片是美國(guó)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(chǔ)技術(shù)DAST。主要由振蕩器、語(yǔ)音存儲(chǔ)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(tǒng)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(shù)電阻電容組成。錄音內(nèi)容存人永久存儲(chǔ)單元，提供零功率信息存儲(chǔ)，這個(gè)獨(dú)一無二的方法是借助于美國(guó)ISD公司的專利——多電平直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)(DAST TM)實(shí)現(xiàn)的。利用它，語(yǔ)音和音頻信號(hào)被直接存儲(chǔ)，以其原本的模擬形式進(jìn)入EEPROM存儲(chǔ)器及分段輸出，因而失真小，能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)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，不需專用語(yǔ)音開發(fā)工具，成本低廉。直接模擬存儲(chǔ)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(xiàn)。不僅語(yǔ)音質(zhì)量?jī)?yōu)勝，而且斷電語(yǔ)音保護(hù)。因而在現(xiàn)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(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(qiáng)的分段選址能力可處理多達(dá)160段信息

(5)邊沿/電平觸發(fā)放音

(6)無耗電信息存儲(chǔ)，省掉備用電池

(7)具有自動(dòng)節(jié)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(tǒng)構(gòu)成

本語(yǔ)音電路作為火控計(jì)算機(jī)的一部分，主要是對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)讀，供指揮人員提供觀察和決策，以選擇最佳時(shí)機(jī)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(jì)算機(jī)主機(jī)發(fā)出RS232電平信號(hào)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，為單片機(jī)AT89C52所接收。單片機(jī)AT89C52一方面控制高亮度數(shù)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(bào)讀目標(biāo)距離。為指揮人員提供提示。

3 語(yǔ)音信號(hào)控制

3.1 語(yǔ)音電路特性

選用語(yǔ)音存儲(chǔ)/再生芯片ISD1420。該電路采用EEP-ROM存儲(chǔ)方法將模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)直接寫入半導(dǎo)體存儲(chǔ)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(diǎn)。ISD1420放音時(shí)間為20秒;最多可分為160段，每段段長(zhǎng)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(jì)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(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(hào)，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地址開始，0地址是1420存儲(chǔ)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(dāng)電路中錄放音轉(zhuǎn)換或進(jìn)入省電狀態(tài)時(shí)，地址計(jì)數(shù)器復(fù)位為0。

(2)當(dāng)PLAYL、PLAYE或REC變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)A6，A7為高電平時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作模式。這種操作模式一直執(zhí)行到下一個(gè)低電平控制輸入信號(hào)出現(xiàn)為止，這一刻現(xiàn)行的地址/模式信號(hào)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(duì)應(yīng)著160個(gè)地址，由A0～A7組合產(chǎn)生。要實(shí)現(xiàn)分段播放先要進(jìn)行錄音，錄音可以采用高級(jí)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(yīng)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(xiàn)錄音操作而破壞原來錄制的信息。

根據(jù)火控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)報(bào)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(jìn)語(yǔ)音模塊ISD1420中。這樣每一個(gè)數(shù)字發(fā)音都對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)空間?？梢酝ㄟ^調(diào)整語(yǔ)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(yǔ)音電路有較大功率輸出。語(yǔ)音芯片ISD1420內(nèi)部輸出級(jí)帶有放大器，其直接的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功率為12.2 mW(16Ω負(fù)載)，這距離我們的實(shí)際需要相差很大，通常1 W以下的揚(yáng)聲器可用LM386、D2283 D2822、MC34119、TA7368等芯片驅(qū)動(dòng)，1 W～lO w的揚(yáng)聲器用TDA2003、LA4440芯片驅(qū)動(dòng)，因此后級(jí)功放必須保證能在低電壓下輸出大功率信號(hào)，以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，在這里我們選用了LA4440芯片驅(qū)動(dòng)。

3.2 語(yǔ)音電路構(gòu)成

語(yǔ)音部分電路設(shè)計(jì)見圖2所示，在該電路中設(shè)計(jì)了以單片機(jī)89C52為核心的語(yǔ)音報(bào)讀電路，89C52的P2口用來實(shí)現(xiàn)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，通過調(diào)整電阻R1的阻值可控制音量大小;語(yǔ)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(jī)AT89C52提供上電復(fù)位和運(yùn)行監(jiān)控。

MAX232將火控計(jì)算機(jī)主機(jī)送過來的RS232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平并送到單片機(jī)AT89C52，單片機(jī)AT89C52對(duì)火控計(jì)算機(jī)主機(jī)的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示并進(jìn)行報(bào)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(shí)播放就可以實(shí)現(xiàn)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。這樣可以節(jié)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(shè)計(jì)

AT89C52的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。主要包括與火控計(jì)算機(jī)主機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求及實(shí)際情況，只對(duì)火控計(jì)算主機(jī)傳送來信息的目標(biāo)距離量進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)讀。目標(biāo)距離是實(shí)施射擊和掌握開火時(shí)機(jī)的重要依據(jù)。它的報(bào)讀原則是：“遠(yuǎn)距離報(bào)讀間隔大一些，近距離報(bào)讀間隔小一些，開火報(bào)到點(diǎn)上”。報(bào)讀時(shí)，根據(jù)目標(biāo)快速運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，可以省略報(bào)讀字節(jié)，提高反應(yīng)速度和報(bào)讀的清晰度。電平控制放音中開始地址和播放時(shí)間也是必不可少的，只要控制了這兩個(gè)參數(shù)就可以確定播出內(nèi)容。

5 結(jié)束語(yǔ)

按上述方法設(shè)計(jì)出的語(yǔ)音電路報(bào)讀電路在某火控系統(tǒng)中得到實(shí)際應(yīng)用，實(shí)踐證明運(yùn)行可靠、準(zhǔn)確，具有一定的使用價(jià)值。