|
- UID
- 872339
|
景点语音导览主要有以下几种方式：一种是通过全球定位系统（GPS）的用户终端接收工作卫星的导航信息，从而解算出车辆的经纬度信息，进而计算出实时坐标，将其与景点坐标相比较，当车辆驶入景点一定距离范围内时，不用人工干预，系统自动播报景点语音信息;另一种是对车轮轴的转角脉冲进行计数，将计数值和预置值对比，即可确定播放时刻，达到准确播放景点语音信息的目的;第三种方案是利用无线射频识别技术，在每一个景点范围内设置一个具有唯一ID 的射频发射器，采用间歇工作方式发射信号，当旅游列车即将到达景点时，车载系统接收到射频发射器信号并解码出景点的ID 号，由系统控制自动播放对应编号的景点语音信息。由于景点自然环境的复杂性，第一种方式难以满足系统要求;第二种方式简单可靠，但旅游轨道车辆运行方向存在不确定性，其相对位置往返变化，系统的自动化程度较低且复杂度较高。本文采用第三种方案实现景点语音自动导览系统。
本文首先介绍了系统总体结构，然后，给出了系统各主要功能模块的具体设计，并重点研究了基于ARM3核的STM32F103RBT6芯片与语音芯片ISD4004之间的SPI 通信控制和实现技术，给出了系统设计实现结果。
最后，给出了有一定工程应用参考价值的结论。
1 系统总体设计
本系统结构原理设计如图1 所示。本设计利用旅游列车轨道固定的特点，在轨道沿线景点预先安装固定ID的RFID，综合考虑到作用距离、数据通信方式、可靠性、使用寿命和维护成本，选用产品433 MHz有源标签GAO C124061。其存储ID 字长32 b。由于在野外自然环境中，出现碰撞的可能性极低，所以，RFID 阅读器只需要正确可靠地获得RFID的ID值，与固定景点所对应，用以触发中断，开始播放该景点的语音信息。
图1 中，MCU 采用STM32F103RBT6 芯片，该芯片是基于ARM Cortex-M3内核高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用MCU。本设计选择这款的原因是看重其性价比：128 KB FLASH、20 KBSRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RTC、51个可用I/O脚等一系列性能特征，能完全满足本系统性能要求。总结下来，STM32具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等几个很有利的优势。ISD4004为语音录放存储芯片，根据外部控制和外围电路辅助，可随机对其进行语音录入和语音播放。系统MCU 通过RFID 阅读器获得旅游列车沿途RFID的固定ID，根据ID号所对应的预设语音数据存储位置的起始地址信息，通过对ISD4004内置的SPI端口进行控制，实现景点语音选段自动播放。
2 主要模块电路设计
2.1 ISD4004控制电路设计
ISD4004系列语音芯片工作电压为+3 V，单片录放时间8~16 min，音质好。芯片采用CMOS 技术，内含时钟、抗混叠滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平非易失性存储器阵列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内非易失性存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。芯片ISD4004 内部结构和主要引脚功能如图2所示。
ISD4004 内部器件控制单元设置非常便于其与STM32序列芯片的SPI进行通信设置。增设STM32多个I/O 口来作为对应语音芯片的片选端，即可实现多片ISD4004 扩展。STM32 与多片ISD4004 的接口电路如图3所示。
STM32 和ISD4004 通过SPI 模块进行通信，两者MOSI、MISO脚对应相互连接，实现STM32和ISD4004之间数据串行传输（MSB 位在前）。通信总是由主设备STM32 发起。STM32 通过MOSI 脚把数据发送给ISD4004，ISD4004 通过MISO 引脚回传数据给STM32。
全双工通信的数据输出和数据输入是用同一个时钟信号同步的;时钟信号由主设备STM32通过SCK脚提供。
扩展为多片语音芯片后，语音信息的存储空间大大增加，便于扩充景点的语音信息量。
2.2 语音录放控制电路设计
语音录放控制电路如图4 所示。通过MCU 的I/O控制端来控制串联调整管Q3 或开关管Q1，实现系统放音或者录音。I/O 端输出高电平时实现录音，输出低电平时实现放音。
2.3 RFID读卡器接口电路
RFID 读卡器模块使用了Philips 的高集成ISO14443A 读卡芯片MFRC500。RFID 读卡器是一个相对独立的功能模块，其输出可通过中断状态信息和串口与外部连接。因此，系统利用STM32F103RBT6 的SPI2接口实现与RFID读卡器接口之间的数据通信，从而自动获得景点位置信息，以控制选择对应景点导览语音的播放。读卡器中断状态直接与STM32F103 的PD口I/O引脚连接;SPI2接口电路形式同图3类似。
3 主要功能软件设计
3.1 软件初始化
3.1.1 外设时钟的使能
本设计中涉及的外设时钟可以通过APB2 外设时钟使能寄存器来使能。当外设时钟没有启用时，软件无法读出外设寄存器的值，返回的数值始终为0.设计中用到的PA 口、PB 口、PD 口的时钟分别通过APB2ENR寄存器的第2、3、5 位来设置，SPI1 的时钟通过APB2ENR的第12位来设置。
3.1.2 I/O口的初始化
本设计涉及的I/O 口包括：用于控制片选扩展的PA.3、PB.0口，需设置成开端输出模式;用于实现按键控制的PA.15（录音键）、PA.0（强制停止键）等需设置为上拉输入模式;用于实现SPI通信的PA.5、PA.6、PA.7 口，它们分别对应SPI1的SCK、MISO、MOSI口，应由软件设置这三个口为复用I/O口即第二功能;用于检测放音结束时语音芯片INT端低电平输出的PA.8和PD.2设置为上拉输入模式。
3.1.3 外部中断的初始化
外部中断初始化中主要完成的工作是设置I/O口与中断线的对应关系、开启与该I/O口对应的线上中断/事件以及设置中断的触发条件、配置中断分组并使能中断。本设计中，将强制停止键连接到的PA.0 口对应的中断触发条件设置为上升沿触发，对应的中断优先级最高;其余按键连接的I/O口对应的中断触发条件都设置为下降沿触发。把所有的中断都分配到第二组，把所有按键的次优先级设置成一样，而抢占优先级不同。其中，几个放音键连接的I/O口对应的中断共用一个中断服务程序，也就是多个中断线上的中断共用一个中断服务函数，在该中断服务程序里先对进入中断的信号进行区分（通过中断输入I/O口上的电平判断），再分别处理。
4 系统调试测试结果
4.1 录放音模块调试
对于录音模块功能的测试，采用如下的办法：对着麦克风进行放音，用示波器观察语音芯片的输入引脚是否有信号。在语音芯片输入引脚检测到信号，如图7（a）所示。
在成功录入语音后，发送放音指令在语音芯片输出引脚得到如图7（b）所示波形。
4.2 SPI模块调试
在录音电路正确后，发送放音指令，在芯片对应SPI1模块功能的引脚端，可以在示波器上看到正确的时序，如图8所示。
图8（a）是片选和时钟信号输出;图8（b）和（c）分别是不停地发送0×55，在STM32 SPI1的数据发送端MOSI和数据接收端MISO得到的波形，与实际相符。
5 结论
本文提出的系统结构简单、实用可靠，特别适用于山区自然景点的有轨旅游列车项目等，因而该系统具有很好的实用价值。可用于复杂环境下的语音导览系统实现结构，详细介绍了系统主要功能模块的实现技术和调试实验结果。 |
|
