适用于靶车停车入库的语音测距系统设计

　　总体设计

　　语音测距系统要求实现以下功能：运动靶车入库时，超声波模块（集成温度补偿）即实时测量靶车与库区极限位置之间的距离，操作者按下遥控器，语音播报模块激活，开始播报测量数据。

　　温度测量采用1-Wire 器件DS18B20实现，语音播报的核心器件是华邦公司出品的ISD1730，单片机选用51系列AT89S51。除此之外，还有LCD显示、矩阵键盘、红外遥控等单元，其中语音芯片ISD1700是整个系统的关键器件，本文着重介绍ISD1730的性能特点、电路设计及编程要点。图1是系统结构框图。

　　

　　图1 总体结构框图

　　ISD1730是一种高集成度、高性能、高音质的语音录放芯片，内部含有自动增益控制、麦克风前置放大器、扬声器驱动等电路;可处理多达255段语音信息，可以多段录音并由片内专门的存储系统来管理;采样率可在4KHz至12KHz间调节，支持独立按键和SPI两种操作模式;带负载能力强，可直接驱动小型扬声器;具有4 种预设音效，录音数据存储在FLASH 内，不经任何压缩，因此有较好的音质。

　　为便于单片机控制，本文将ISD1730置于SPI工作模式，根据芯片手册，ISD1730可直接驱动8Ω阻抗扬声器或普通耳机，但为增强带负载能力，保证语音传输距离，在ISD1730的后置环节设计了功率放大电路—LM386，见图2所示，功率放大电路能提供50倍以上的增益，可以驱动阻抗16Ω的扬声器。

　　

　　图2 ISD1730语音录放系统

　　超声波测距单元

　　结合库区的实际，本文采用分立元件，自行设计超声波测距电路，如图3所示。超声波探头中心频率为40kHz，方向角60度，工作温度-20—70℃，能满足库区工作的需要。图4是设计的超声波测距模块实物。

　　

　　图3 超声波测距单元原理图

　　其他单元

　　其余单元功能如下，LCD单元用来显示实验数据，便于系统调试。矩阵键盘单元用来实现按键输入;红外遥控单元负责整个系统的触发，一体化红外接收头与单片机Int0连接，当用户按下遥控器按键时，Int0产生中断，单片机发出语音播报指令。

　　软件编程

　　ISD1730软件设计

　　SPI相关命令

　　SPI模式下，ISD1730相关命令如表1所示。注意芯片管脚2连接一只蓝色LED，用以指示语音芯片工作状态，为使能此LED，所有的指令码bit4必须置1。

　　

　　表1 ISD1730相关命令

　　ISD1730编程要点

　　ISD1730采用flash作为存储器，内存地址0x00~0xff，其中0x00~0x0f为音效存储单元。实现语音播报，需预先录制距离数据，下列数组可以作为数据缓存：

　　unsigned char code voic_mem［］={ //定义语音储存单元

　　0x10，0x13，0x14，0x17， //语音“0”、“1”起始地址和结束地址

　　0x18，0x1b，0x1c，0x1f， //语音“2”、“3”起始地址和结束地址

　　0x20，0x23，0x24，0x27， //语音“4”、“5”起始地址和结束地址

　　0x28，0x2b，0x2c，0x2f， //语音“6”、“7”起始地址和结束地址

　　0x30，0x33，0x34，0x37， //语音“8”、“9”起始地址和结束地址

　　0x40，0x43，0x44，0x47， //语音“百”、“十”起始和结束地址

　　0x48，0x4b，0x4c，0x4f， //语音“点”、“米”起始和结束地址

　　};

　　ISD1730的语音录制有5种采样频率可选，采样频率越高，语音品质越好，但可录制的时间越短，采样频率取决于芯片ROSC管脚的外接电阻，录音时长、采样频率与振荡电阻的对应关系见表2。

　　

　　表2 录音时长、采样频率与振荡电阻阻值的对应关系

　　图2的接法设定采样频率为8kHz，根据ISD1730技术手册，采样频率为8kHz时，每一内存单元可录制125ms语音，实验时需要录制16段语音，程序规划每一语音片断占用4个内存单元，即每一语音片断占用0.5s时长。

　　超声波测距编程要点

　　距离测量与换算在 INT1 中断服务子函数中完成，该子函数启动计数器计算收到回波的时长，再根据超声波传播速度计算得到测量距离，在此注意增加延时函数，确保测量完成。

　　超声波传播速度易受温度影响，因此需增加温度测量以修正超声波传播速度，从而实现对测量距离的补偿。读取温度时应注意数据转换，将温度低8位和高8位转换为1个16位的数，其高5位是相同的，代表符号，低11位，是温度的二进制数，其中高7位是温度整数，低4位是温度小数;如果是负温度，则从温度寄存器读出的是补码，应将补码取反加1得到原码。

　　DS18B20的小数位可以这样理解：单片机发出读取温度寄存器命令后，DS18B20会返回9组数据，其中第一组数据的低4位代表温度小数部分，换言之，即是把1度分解为16个4位二进制数来表示，则温度小数部分的精度为1/16=0.0625。

　　应用与测试

　　将本系统安装在运动靶车上，靶车入库时，按下遥控器，扬声器持续播报靶车与极限位置之间的距离，当距离达到要求时，即控制靶车停止运行。经实际测试，操作者用本系统在库区外即可完成距离测量，测量距离最远可达4米，效果令人满意。