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景點語音導覽主要有以下幾種方式：一種是通過全球定位系統(GPS)的用戶終端接收工作衛星的導航信息，從而解算出車輛的經緯度信息，進而計算出實時坐標，將其與景點坐標相比較，當車輛駛入景點一定距離范圍內時，不用人工干預，系統自動播報景點語音信息;另一種是對車輪軸的轉角脈沖進行計數，將計數值和預置值對比，即可確定播放時刻，達到準確播放景點語音信息的目的;第三種方案是利用無線射頻識別技術，在每一個景點范圍內設置一個具有唯一ID 的射頻發射器，采用間歇工作方式發射信號，當旅游列車即將到達景點時，車載系統接收到射頻發射器信號并解碼出景點的ID 號，由系統控制自動播放對應編號的景點語音信息。由于景點自然環境的復雜性，第一種方式難以滿足系統要求;第二種方式簡單可靠，但旅游軌道車輛運行方向存在不確定性，其相對位置往返變化，系統的自動化程度較低且復雜度較高。本文采用第三種方案實現景點語音自動導覽系統。 本文首先介紹了系統總體結構，然后，給出了系統各主要功能模塊的具體設計，并重點研究了基于ARM3核的STM32F103RBT6芯片與語音芯片ISD4004之間的SPI 通信控制和實現技術，給出了系統設計實現結果。 最后，給出了有一定工程應用參考價值的結論。 1 系統總體設計 本系統結構原理設計如圖1 所示。本設計利用旅游列車軌道固定的特點，在軌道沿線景點預先安裝固定ID的RFID,綜合考慮到作用距離、數據通信方式、可靠性、使用壽命和維護成本，選用產品433 MHz有源標簽GAO C124061。其存儲ID 字長32 b。由于在野外自然環境中，出現碰撞的可能性極低，所以，RFID 閱讀器只需要正確可靠地獲得RFID的ID值，與固定景點所對應，用以觸發中斷，開始播放該景點的語音信息。 圖1 中，MCU 采用STM32F103RBT6 芯片,該芯片是基于ARM Cortex-M3內核高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用MCU。本設計選擇這款的原因是看重其性價比：128 KB FLASH、20 KB SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、RTC、51個可用I/O腳等一系列性能特征，能完全滿足本系統性能要求。總結下來，STM32具有價格低、功能強、使用簡單、開發方便等幾個很有利的優勢。ISD4004為語音錄放存儲芯片,根據外部控制和外圍電路輔助，可隨機對其進行語音錄入和語音播放。系統MCU 通過RFID 閱讀器獲得旅游列車沿途RFID的固定ID,根據ID號所對應的預設語音數據存儲位置的起始地址信息，通過對ISD4004內置的SPI端口進行控制，實現景點語音選段自動播放。 圖1 系統結構原理框圖 2 主要模塊電路設計 2.1 ISD4004控制電路設計 ISD4004系列語音芯片工作電壓為+3 V,單片錄放時間8~16 min,音質好。芯片采用CMOS 技術，內含時鐘、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平非易失性存儲器陣列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存儲在片內非易失性存儲器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，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。芯片ISD4004 內部結構和主要引腳功能如圖2所示。 圖2 ISD4004內部結構 ISD4004 內部器件控制單元設置非常便于其與STM32序列芯片的SPI進行通信設置。增設STM32多個I/O 口來作為對應語音芯片的片選端，即可實現多片ISD4004 擴展。STM32 與多片ISD4004 的接口電路如圖3所示。 圖3 多片ISD4004與STM32的連接 STM32 和ISD4004 通過SPI 模塊進行通信，兩者MOSI、MISO腳對應相互連接，實現STM32和ISD4004之間數據串行傳輸(MSB 位在前)。通信總是由主設備STM32 發起。STM32 通過MOSI 腳把數據發送給ISD4004,ISD4004 通過MISO 引腳回傳數據給STM32。 全雙工通信的數據輸出和數據輸入是用同一個時鐘信號同步的;時鐘信號由主設備STM32通過SCK腳提供。 擴展為多片語音芯片后，語音信息的存儲空間大大增加，便于擴充景點的語音信息量。 2.2 語音錄放控制電路設計 語音錄放控制電路如圖4 所示。通過MCU 的I/O控制端來控制串聯調整管Q3 或開關管Q1,實現系統放音或者錄音。I/O 端輸出高電平時實現錄音，輸出低電平時實現放音。 圖4 語音錄放控制電路 2.3 RFID讀卡器接口電路 RFID 讀卡器模塊使用了Philips 的高集成ISO14443A 讀卡芯片MFRC500。RFID 讀卡器是一個相對獨立的功能模塊，其輸出可通過中斷狀態信息和串口與外部連接。因此，系統利用STM32F103RBT6 的SPI2接口實現與RFID讀卡器接口之間的數據通信，從而自動獲得景點位置信息，以控制選擇對應景點導覽語音的播放。讀卡器中斷狀態直接與STM32F103 的PD口I/O引腳連接;SPI2接口電路形式同圖3類似。 3 主要功能軟件設計 3.1 軟件初始化 3.1.1 外設時鐘的使能 本設計中涉及的外設時鐘可以通過APB2 外設時鐘使能寄存器來使能。當外設時鐘沒有啟用時，軟件無法讀出外設寄存器的值，返回的數值始終為0.設計中用到的PA 口、PB 口、PD 口的時鐘分別通過APB2ENR寄存器的第2、3、5 位來設置，SPI1 的時鐘通過APB2ENR的第12位來設置。 3.1.2 I/O口的初始化 本設計涉及的I/O 口包括：用于控制片選擴展的PA.3、PB.0口，需設置成開端輸出模式;用于實現按鍵控制的PA.15(錄音鍵)、PA.0(強制停止鍵)等需設置為上拉輸入模式;用于實現SPI通信的PA.5、PA.6、PA.7 口，它們分別對應SPI1的SCK、MISO、MOSI口，應由軟件設置這三個口為復用I/O口即第二功能;用于檢測放音結束時語音芯片INT端低電平輸出的PA.8和PD.2設置為上拉輸入模式。 3.1.3 外部中斷的初始化 外部中斷初始化中主要完成的工作是設置I/O口與中斷線的對應關系、開啟與該I/O口對應的線上中斷/事件以及設置中斷的觸發條件、配置中斷分組并使能中斷。本設計中，將強制停止鍵連接到的PA.0 口對應的中斷觸發條件設置為上升沿觸發，對應的中斷優先級最高;其余按鍵連接的I/O口對應的中斷觸發條件都設置為下降沿觸發。把所有的中斷都分配到第二組，把所有按鍵的次優先級設置成一樣，而搶占優先級不同。其中，幾個放音鍵連接的I/O口對應的中斷共用一個中斷服務程序，也就是多個中斷線上的中斷共用一個中斷服務函數，在該中斷服務程序里先對進入中斷的信號進行區分(通過中斷輸入I/O口上的電平判斷)，再分別處理。 3.1.4 SPI模塊的初始化 本設計中，通過對CR1寄存器的設置，將SPI1模塊設置成全雙工模式、軟件NSS管理、主機模式、8 b MSB數據格式，并且把SPI1的波特率設置成了最低(281.25 kHz,為系統時鐘的256分頻)，其中最重要的是SPI模塊輸出串行同步時鐘極性和相位的配置，SPI主模塊和與之通信的外設備時鐘相位和極性應該一致。最后，發送0xff啟動傳輸。 根據ISD4004 不同相位下的SPI 總線傳輸時序和SPI操作時序關系,要想實現STM32和ISD4004之間的SPI通信，須將其控制位CPHA和CPOL都設置為1。 3.2 SPI控制功能軟件實現 3.2.1 SPI1讀寫字節函數 在讀數據時，接收到的數據被存放在一個內部的接收緩沖器中;在寫數據時，在被發送之前，數據將首先被存放在一個內部的發送緩沖器中。對SPI_DR寄存器的讀操作，將返回接收緩沖器的內容;寫入SPI_DR寄存器的數據將被寫入發送緩沖器中。 SPI_SR是16位狀態寄存器，它的最低位為RXNE,該位為0則接收緩沖為空，為1則接收緩沖非空;SPI_SR的次低位為TXE,該位為0說明發送緩沖非空，為1則發送緩沖為空。不斷地查詢發送/接收緩沖區是否為空，進而實現數據的有序發送和接收。 3.2.2 發送指令函數 首先，語音芯片ISD4004有如下操作規則: (1)串行外設接口，SPI協議設定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK下降沿動作，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數據，在下降沿將數據送至MISO引腳。 (2)上電順序，器件延時TPUD(8 kHz采樣時，約為25 ms)后才能開始操作。因此，用戶發完上電指令后，必須等待TPUD,才能發出下一條操作指令。 例如，從00處放音，應遵循如下時序： ① 發POWER UP命令; ② 等待TPUD(上電延時); ③ 發地址值為00的SET PLAY命令; ④ 發PLAY命令。 器件會從00地址開始放音，當出現EOM時，立即中斷，停止放音。 如果從00處錄音，則按以下時序： ① 發POWER UP指令; ② 等待TPUD(上電延時); ③ 發POWER UP命令; ④ 等待2倍TPUD; ⑤ 發地址值為00的SET REC命令; ⑥ 發REC命令。 器件便從00地址開始錄音，一直到出現OVF(存儲器末尾)時，錄音停止。 3.3 中斷服務程序 錄音中斷服務程序流程如圖5 所示。它實現的功能是在一次長按錄音鍵時，將一個景點的語音信息錄入ISD4004中以預先設定的起始地址存儲空間中，松開錄音鍵后，本景點語音內容錄音停止。每個景點的導覽語音存儲的位置，以其起始地址為標示。起始地址的安排根據每段語音的長度決定。每個景點語音錄音時需保持錄音按鍵鎖下不松開，直至本段景點語音錄音結束。 景點語音播放中斷服務程序流程如圖6 所示。系統在獲得RFID讀卡器的中斷申請之后，根據讀卡器接口協議,MCU經SPI2接口接收到讀卡器傳來的數據信息，分析出RFID所含的ID信息內容，并根據ID所對應的景點位置，即原設置的景點語音首地址，將此首地址發送到ISD4004 芯片組，并發送放音命令，即可實現對應景點事先錄制好的導覽語音自動播放。開始播放語音信息期間，ISD4004 的I-N-T- 端連接到了STM32 的I/O口上，不斷查詢它的狀態。當這段語音信息放完時，語音芯片ISD4004的I-N-T- 端會置低，由此發送停止播放指令，則實現播音結束，并等待下一個RFID信息的輸入和讀卡器中斷申請。 圖5 錄音流程圖 圖6 放音流程圖 4 系統調試測試結果 4.1 錄放音模塊調試 對于錄音模塊功能的測試，采用如下的辦法：對著麥克風進行放音，用示波器觀察語音芯片的輸入引腳是否有信號。在語音芯片輸入引腳檢測到信號，如圖7(a)所示。 在成功錄入語音后，發送放音指令在語音芯片輸出引腳得到如圖7(b)所示波形。 圖7 錄放音調試試驗波形 4.2 SPI模塊調試 在錄音電路正確后，發送放音指令，在芯片對應SPI1模塊功能的引腳端，可以在示波器上看到正確的時序，如圖8所示。 圖8(a)是片選和時鐘信號輸出;圖8(b)和(c)分別是不停地發送0×55,在STM32 SPI1的數據發送端MOSI和數據接收端MISO得到的波形，與實際相符。 圖8 SPI1接口調試試驗時序波形 5 結論 本文提出的系統結構簡單、實用可靠，特別適用于山區自然景點的有軌旅游列車項目等，因而該系統具有很好的實用價值。可用于復雜環境下的語音導覽系統實現結構，詳細介紹了系統主要功能模塊的實現技術和調試實驗結果。 |
