多功能語(yǔ)音人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1語(yǔ)音人機(jī)接口模塊門禁系統(tǒng)、罰款系統(tǒng)（電子發(fā)票系統(tǒng)）、atm（自動(dòng)取款機(jī)）和其他嵌入系統(tǒng)需要友好的人機(jī)接口。高端應(yīng)用的人機(jī)接口一般都采用觸摸屏，但價(jià)格高,一般性應(yīng)用難以接受。觸摸屏加鍵盤模式的應(yīng)用目前只見(jiàn)于各大銀行的ATM機(jī)上。所以開(kāi)發(fā)一款簡(jiǎn)單易用且價(jià)格低廉的人機(jī)接口產(chǎn)品有著重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。筆者采用微控制器控制鍵盤、液晶顯示、語(yǔ)音芯片、標(biāo)準(zhǔn)通信口來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音人機(jī)接口模塊。該語(yǔ)音人機(jī)模塊具有接口友好、實(shí)現(xiàn)方便、成本低廉等特點(diǎn)。它適應(yīng)于成本敏感，主處理器處理能力強(qiáng)大但控制能力弱的場(chǎng)合。筆者設(shè)計(jì)的人機(jī)接口模塊已應(yīng)用于某指紋門禁系統(tǒng)中。該系統(tǒng)中，主處理器（DSP數(shù)字信號(hào)處理器）主要用來(lái)處理指紋算法（指紋增強(qiáng)、二值化、細(xì)化、特征提取及特征匹配等），如果要求主處理器擴(kuò)展適當(dāng)外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的處理速度，因?yàn)橹讣y處理算法有著很高的時(shí)間和空間復(fù)雜度，將占用絕大部分處理器資源。采用該智能語(yǔ)音人機(jī)接口模塊后，微控制器通過(guò)RS232接口與主處理器(DSP)交換數(shù)據(jù)，大大提高了指紋處理程序的運(yùn)行速度，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。2人機(jī)接口模塊的組成人機(jī)接口模塊主要由AT89C51型微控制器、ISD2560型語(yǔ)音錄放器件、LCM1602型液晶顯示、RS232接口、鍵盤和控制執(zhí)行單元組成。人機(jī)接口模塊組成框圖如圖1所示。微控制器負(fù)責(zé)整個(gè)模塊的功能控制和與主處理器的通信。鍵盤用來(lái)接收用戶輸入信號(hào)。語(yǔ)音錄放單元實(shí)現(xiàn)交互提示語(yǔ)言的錄制和播放。液晶顯示單元輔助用戶輸入并為用戶顯示提示信息（包括在模塊開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程中的調(diào)試信息）。控制執(zhí)行單元屬于可選用單元，針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行取舍。指紋門禁系統(tǒng)中需要控制執(zhí)行單元來(lái)彈開(kāi)電子鎖。3設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不同組件的設(shè)備下面以人機(jī)模塊的4個(gè)主要組成單元來(lái)說(shuō)明。重點(diǎn)論述語(yǔ)音錄放電路單元和液晶顯示接口單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出調(diào)試通過(guò)的匯編源代碼。3.1控制執(zhí)行單元鍵盤是4×4結(jié)構(gòu)，微控制器從P1口通過(guò)掃描方式接收鍵盤輸入信息?？刂茍?zhí)行單元由基本三極管電路驅(qū)動(dòng)繼電器，通過(guò)微控制器的通用I/O口來(lái)控制。鍵盤、控制執(zhí)行單元易于實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。3.2推進(jìn)鹽弱產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換采用帶有1個(gè)UART（通用異步收發(fā)器）的微控制器，用UART來(lái)實(shí)現(xiàn)RS232接口是非常容易的。原因在于，UART的收發(fā)協(xié)議與RS232接口是一致的，只存在電氣特性上的差異。故UART只需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換即可配置成RS232串口。利用MAX232來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，將UART轉(zhuǎn)換為RS232串口。電路圖如圖2所示。3.3錄放音的基本程序?yàn)榱耸贡鞠到y(tǒng)的人機(jī)接口更加友好，采用了用戶易于接受的語(yǔ)音交互方式。語(yǔ)音播放單元選用的語(yǔ)音器件是ISD2560。ISD2560是美國(guó)ISD(InformationStorageDevices）公司的高性能單片語(yǔ)音錄放集成電路，具有音質(zhì)好、斷電信息不丟失及與微處理器接口方便等特點(diǎn)，并且只需很少的外圍電路就能組成語(yǔ)音錄放基本電路。介紹ISD2500系列的文獻(xiàn)很多，故對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介紹從略。下面重點(diǎn)探討ISD2560在此模塊中與微控制器的硬件接口設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)。ISD2560主要有3類信號(hào)，分別是錄放控制信號(hào)：P/R、、PD及A0-A9；級(jí)聯(lián)及放音狀態(tài)指示信號(hào)：、；模擬語(yǔ)音輸入輸出信號(hào)：MIC、MI-CREF、SP+和SP-。主要信號(hào)的功能如表1所列。ISD2560與微控制器的接口電路如圖3所示。ISD2560的錄音總長(zhǎng)度為60s，要使語(yǔ)音器件分段錄放音，只需給出錄音或放音的起始地址。微控制器的P0口(P0口有一4.7kΩ的上拉電阻)與P3.6、P3.7配合作為語(yǔ)音器件的地址輸入，但當(dāng)P3.6與P3.7均為高電平時(shí)（即A8與A9為高電平），A0-A6分別對(duì)應(yīng)ISD2560的7種工作模式（其中A2對(duì)應(yīng)M2為保留待用模式）。A0-A6作為模式控制輸入時(shí)，高電平有效。例如當(dāng)A8、A9和A3均為高電平時(shí)，語(yǔ)音器件工作在循環(huán)放音模式M3下。微處理器的通用I/O口P2.2、P2.3和P2.4分別接至語(yǔ)音器件的控制輸入端P/R、PD和CE，用來(lái)控制語(yǔ)音器件的錄放及功耗。每段錄音結(jié)束處，ISD2560會(huì)自動(dòng)插入信息結(jié)束標(biāo)記EOM(End-Of-Message），這樣在播放語(yǔ)音至信息段尾時(shí)，在EOM引腳上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)12.5ms的低電平脈沖。將EOM接至微控制器的中斷輸入口INT0，就會(huì)在每段信息播放完畢后觸發(fā)微控制器中斷。在中斷子程序中，可以重新設(shè)定語(yǔ)音器件的地址，然后緊接著播放與上一段信息連貫的詞句，從而實(shí)現(xiàn)片斷語(yǔ)句的連續(xù)組合播放。這種硬件連接有助于節(jié)省語(yǔ)音時(shí)間資源，從而大大節(jié)省硬件成本。控制錄音和放音的基本時(shí)序如圖4所示。編寫控制語(yǔ)音器件錄放程序時(shí)，圖4中標(biāo)示出的幾個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間參數(shù)是需要重點(diǎn)注意的。由于各控制信號(hào)（P/R、PD、A0-A9）都是在使能信號(hào)的下降沿采樣，故采樣前這些控制信號(hào)都必須穩(wěn)定建立，采樣后必須保持一段時(shí)間，以確保正確精準(zhǔn)的采樣，避免語(yǔ)音器件的誤動(dòng)作。TSETC和TSETA分別是P/R和A0-A9的建立時(shí)間；TPUD是器件從省電模式中退出后，能進(jìn)行正常工作的時(shí)間延遲，也可理解為PD的建立時(shí)間；THOLD是P/R和A0-A9的保持時(shí)間。另外，需要注意的是，錄音過(guò)程中，在輸入的過(guò)程中始終要保持低電平，一旦或PD變?yōu)楦唠娖?，錄音將停止。而在放音過(guò)程中，只需持續(xù)低電平TCEP（典型值為100ns）時(shí)間即可。理解微控制器與ISD2560時(shí)序上的這些特點(diǎn)后，給出微控制器控制語(yǔ)音器件錄音和放音的程序代碼。限于篇幅，只給出錄放音的核心控制代碼：需要注意的是，上述代碼實(shí)現(xiàn)的功能是整片錄音然后整片放音。如果需要分段錄音、放音，只需要改動(dòng)錄放音的起始地址（由P0、A8、A9給出）及錄放音的等待延遲即可。開(kāi)始錄入語(yǔ)音或錄制完畢時(shí)，最好有液晶顯示或某一特定指示燈亮，用來(lái)提示用戶錄音的開(kāi)始與結(jié)束。而放音時(shí)，只需給出待播放語(yǔ)音段的起始地址和足夠的等待時(shí)間，放音過(guò)程遇到信息結(jié)束標(biāo)志后會(huì)自動(dòng)結(jié)束。限于篇幅，代碼中省略了液晶顯示的提示（需要實(shí)現(xiàn)液晶顯示時(shí)，只需給出待顯示碼及有關(guān)控制命令，直接調(diào)用下文給出的液晶接口子程序可以很方便實(shí)現(xiàn)）。全部代碼都已調(diào)試通過(guò)，加上延遲子程序后可直接拷貝使用。在特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如需要播放更長(zhǎng)的語(yǔ)音信息，可以利用溢出標(biāo)志信號(hào)（OVF）來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)語(yǔ)音器件的級(jí)聯(lián)。3.4微控制器訪問(wèn)控制時(shí)序從節(jié)約成本及提高系統(tǒng)可靠性的角度考慮，為實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能，本設(shè)計(jì)選用通用LCM（液晶模塊）。LCM重量輕、體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、工作溫度寬，可顯示多達(dá)192種常用字符（包括所有大小寫字母及常用符號(hào)），還可自編8種顯示字符以滿足特殊的顯示需求。值得一提的是，LCM指令功能強(qiáng)大，可以組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的應(yīng)用需求。LCM內(nèi)部集成了液晶控制（一般兼帶驅(qū)動(dòng)功能）芯片，向外提供數(shù)據(jù)傳輸及控制線接口，與微控制器（或微處理器）接口方便。圖5給出LCM與微控制器的接口，下面介紹各接口線的功能。LCM由+5V電壓供電，液晶驅(qū)動(dòng)電壓V0由20kΩ電位器分壓得到?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏的對(duì)比度。當(dāng)確認(rèn)指令控制正確，但屏上看不到顯示結(jié)果時(shí)，不要輕易懷疑LCM已壞。這往往是由于液晶顯示的驅(qū)動(dòng)電壓不夠而引起的，此時(shí)，可調(diào)節(jié)電位器，直至看到清晰的輸出。BL1、BL2（有的數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)為A、K）分別是LCM背光燈（此LCM是光反射原理顯示的，在光線不足條件下，很難看清其顯示，這時(shí)必須要有背光才能看到其顯示）的陽(yáng)極與陰極。如果不需要控制背光的亮滅，可直接接至+5V電源兩端，讓背光燈在模塊上電后一直點(diǎn)亮。微控制器的P0口復(fù)用（上文設(shè)計(jì)中已作為ISD2560的地址選擇信號(hào)）作為L(zhǎng)CM的數(shù)據(jù)總線（DB0-DB7）,P2.5、P2.6、P2.7分別控制LCM的使能信號(hào)E、讀寫控制信號(hào)R/W、寄存器選擇信號(hào)RS。數(shù)據(jù)總線是傳送指令及顯示數(shù)據(jù)的通道；使能信號(hào)E為下跳變有效；讀寫控制信號(hào)R/W用來(lái)控制數(shù)據(jù)讀寫，高電平時(shí)為從LCM的內(nèi)部寄存器中讀取數(shù)據(jù)，低電平時(shí)，向LCM的內(nèi)部寄存器中寫入數(shù)據(jù)。RS是寄存器選擇控制信號(hào)，其高、低電平分別選擇數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器。要編寫微控制器訪問(wèn)控制LCM的程序代碼，必須徹底理解LCM的訪問(wèn)控制時(shí)序，如圖6所示。圖6的簡(jiǎn)要說(shuō)明：RS在訪問(wèn)期間，具體的電平取決于所訪問(wèn)的寄存器類型。R/W(Read）、R/W(Write）分別與其他控制信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)構(gòu)成完整的LCM讀、寫控制時(shí)序。AT89C51執(zhí)行一條單周期指令的時(shí)間為1μs（選用12MHz晶體時(shí)）。TCS、TCH、TWEH、TDH、TCE都是ns（納秒）級(jí)的量，因而只需順序給出指令即可滿足時(shí)序要求。需要指出是TDS在讀寫操作時(shí)的意義是不同的。在讀操作時(shí)，TDS表示數(shù)據(jù)輸出的延遲（最大值100ns）；在寫操作時(shí)，表示待寫入數(shù)據(jù)的最小建立時(shí)間（40ns）。程序中的NOP指令是為了保證最低時(shí)序要求有較充分的裕度，以確保高度的可靠性。上述代碼全部通過(guò)調(diào)試，運(yùn)行正確穩(wěn)定，可直接拷貝使用。4可擴(kuò)展性接口該人機(jī)接口模塊所有