基于語音合成芯片MSP50C30和MELP的電子語音導(dǎo)游機

　1 前言

　TI公司新近推出的語音合成芯片MSP50C30并采和MELP語音壓縮算法，通過外接64M位存儲器對語音信號進(jìn)行了壓縮存儲和合成。經(jīng)過這樣處理合成后的語音音質(zhì)良好，放音時間可長達(dá)6小時左右，且該機體積很小，較好地解決了上面所提到的問題。

　　2 MSP50C30的結(jié)構(gòu)特點

　　MSP50C30是TI公司1998年推出的一款功能強大的語音合成芯片，其內(nèi)部集成了8位微處理器、雙通道語音合成器、RAM、ROM、I/O端口等功能模塊。其中微處理器利用其專用的61條指令可完成數(shù)字運算、邏輯功能和控制功能;語音合成器則利用其內(nèi)部集成的12階格型濾波器，采用LPC壓縮算法來合成高質(zhì)量的語音。在進(jìn)行語音合成時，微處理器從內(nèi)部RAM或外部ROM中讀取語音數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，然后將譯碼后的語音數(shù)據(jù)送到語音合成器，語音合成器對譯碼數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計算并合成語音，再通過D/A變換后送到功放直接驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。

　　表1 MSP50C30引腳說明

　　另外，MSP50C30內(nèi)部集成有晶體振蕩器，可提供系統(tǒng)所需的時鐘。

　　MSP50C30引腳圖如圖1所示，管腳說明如表1所列。MSP50C30的主要特點如下：

　　●帶有雙通道可編程LPC-12語音合成器，可實現(xiàn)立體聲效果;

　　●內(nèi)含8位微處理器，每秒可執(zhí)行1.2M條指令;

　　●有61條指令，并具有單周期的乘法指令;

　　●具有ROM接口，23根地址線可尋址8M字節(jié);

　　●帶有28個軟件可編程雙向I/O口;

　　●具有內(nèi)嵌和外接兩種靈活的時鐘方式;

　　●內(nèi)嵌D/A，共有2種輸出方式;

　　●含7級堆棧，具有外部控制的中斷功能;

　　●可支持10kHz或8kHz語音采樣速率;

　　●可用軟件配置進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài);

　　●支持LPC、MELP、CELP、FM、PCM等多種壓縮算法。

　　MSP50C30與同步芯片相比，其最大優(yōu)點在于具有豐富的I/O接口和高達(dá)64M位的外部尋址能力，是長時間放音系統(tǒng)的理想選擇。

　　3 硬件電路設(shè)計

　　筆者設(shè)計的語音導(dǎo)游機的硬件原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)以MSP50C30為核心，外接存儲電路、鍵盤接口電路、顯示電路、功放電路和DC-DC變換電路，其中MSP50C30完成語音的合成與控制功能。存儲器選用INTEL公司生產(chǎn)的64M位FLASH ROM 28F640J5，其地址線和數(shù)據(jù)分別與MSP50C30的地址線(A0～A22)和數(shù)據(jù)線(ID0～I(xiàn)D7)直接相連，語音數(shù)據(jù)已事先經(jīng)TI公司提供的專用軟件進(jìn)行壓縮，并通過編程器燒錄至FLASH ROM中。為便于數(shù)據(jù)更換，電路中還設(shè)計了存儲器和編程器的接口，因此可通過編程并關(guān)的切換將28F640J5與語音合成電路分離，從而可方便的實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的更換。該導(dǎo)游機的鍵盤采用4×4矩陣式鍵盤，共設(shè)16個按鍵，其中數(shù)字鍵10個(0～9)，用來實現(xiàn)數(shù)字選取;6個功能鍵用來實現(xiàn)播放、暫停、快進(jìn)、快退等功能。鍵盤矩陣與MSP50C30端口PA0～PA7相接，系統(tǒng)通過鍵值掃描程序讀取按鍵狀態(tài)。液晶顯示采用3位LCD數(shù)碼顯示器;ED-S812并用MSP50C30的PB0～PB7作為控制數(shù)碼顯示的I/O口，其驅(qū)動芯片采用MC14543來實現(xiàn)BCD譯碼，交流驅(qū)動方波(80Hz～100Hz)通過74HC14振蕩電路產(chǎn)生。

　　為便于導(dǎo)游機的攜帶，系統(tǒng)采用兩節(jié)5#電池供電，由于系統(tǒng)需5V電源，故需設(shè)計DC-DC變換電路。設(shè)計時，選用了MAXIM公司MAX756，該器件的輸入電壓可低至0.7V，通過管腳2的選擇可輸出3V和5V兩種電壓。

　　當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，MSP50C30啟動鍵值掃描程序，以使其從PA口讀取所按鍵值，并通過PB口將鍵值送出，經(jīng)過MC14543譯碼，可在液晶顯示器上顯示相應(yīng)的數(shù)字。然后MSP50C30通過內(nèi)部程序查表，送給語音合成器，合成后的語音從DAC+和DAC-腳送出，通過外部功放電路驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。系統(tǒng)所需時鐘由內(nèi)部晶振提供。

　　4 軟件電路設(shè)計

　　4.1 語音合成程序設(shè)計

　　MSP50C30采用MELP算法來合成語音，它是LPC的改進(jìn)算法，其優(yōu)點在于：MELP算法不需要專業(yè)的修音設(shè)備，語音數(shù)據(jù)由專用的壓縮軟件來完成，而且合成后的語音音質(zhì)良好。對于語音實時存儲系統(tǒng)來說，它是一種理想的壓縮算法。MELP算法的幀格式與LPC幀格式近似，只是在濁音幀中引入了基音抖動參數(shù)和清濁強度參數(shù)來對濁音幀的基音周期進(jìn)行修正。若每幀以20ms計算，則MELP算法最大壓縮率為62×50=3100bit/s(每幀被量化為62bit)。由于采用了變速率編碼方式，從而使平均壓縮率變得更低。另外，用戶還可根據(jù)自己對話音質(zhì)量的要求，按照自己的算法自行設(shè)計幀格式以產(chǎn)生更好的音質(zhì)。語音合成子程序的流程圖如圖3所示。

　　4.2 語音控制軟件設(shè)計

　　語音控制軟件主要用于完成以下功能：(1)檢測按鍵次數(shù)，并計算相應(yīng)的鍵值;(2)在液晶顯示器上顯示鍵值;(3)根據(jù)計算所得鍵值，選取相應(yīng)的語音段，從外部28F640J5中讀取數(shù)據(jù)傳送給MSP50C30，同時提供給語音成子程序合成語音;(4)在語音合成過程中，檢測功能鍵是否按下，若按下，執(zhí)行相應(yīng)的功能鍵控制子程序。語音控制軟件流程圖如圖4所示。

　　鍵盤掃描采用線反轉(zhuǎn)法，其實現(xiàn)方法是：首先將行線編程為輸出線，列線編程為輸入線，使輸出全部為零電平，則列線中電平由高變低的即為按鍵所在的列;然后將行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，使輸出全為零電平，則行線中電平由高變低的即為按鍵所在的行;這樣便可確定鍵值。在鍵值掃描子程序中通過軟件延時10ms，是為了消除按鍵所帶來的抖動，以避免產(chǎn)生誤判。鍵值檢測子程序流程圖如圖5所示。

　　在鍵值掃描的同時對所按數(shù)字鍵進(jìn)行顯示的流程如圖6所示。

　　5 結(jié)束語

　　本文所介紹的整機電路設(shè)計簡單、性能可靠，所有器件均采用貼片元件，體積小，攜帶方便。經(jīng)過聽力測試表明：整機具有良好的語音質(zhì)量，合成語音保持了較高的清晰度、可懂度及自然度。