1系統(tǒng)構成
語音電路組成框圖如圖1所示。由PLC發(fā)布RS232電平信號,經(jīng)電平轉換后,為單片機AT89C51所接收。一方面控制語音芯片ISD1420放音,同時控制高亮度數(shù)碼顯示牌給出倒計時信號,為被訓練人員提供提示??撮T狗則保證該電路正常運行。 ?
2語音信號控制
2.1語音電路構成
根據(jù)訓練要求,語音電路在起跑前10秒發(fā)出“長提示音”一聲,然后每隔一秒發(fā)“短提示音”一聲,計時回零時發(fā)“發(fā)令槍聲”(發(fā)聲規(guī)律可調)。
語音部分電路設計見圖2?!疤崾疽簟迸c“起跑槍聲”由語音存儲/再生芯片ISD1420分段存儲,ISD1420輸出的音頻信號經(jīng)電容耦合到兩片集成功率放大器TDA2003構成的BTL功放電路,最后由揚聲器輸出。MAX232將PLC送過來的RS?232電平信號轉換成TTL電平并送到單片機AT89C51,AT89C51根據(jù)PLC的指令,通過P3.6控制ISD1420的放音,P3.2~P3.5用來調整放音地址。MAX813L則作為看門狗為單片機AT89C51提供上電復位和運行監(jiān)控,由P3.7提供喂狗信號。
2.2語音電路特性
選用語音存儲/再生芯片ISD1420。該電路采用EEPROM存儲方法將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入半導體存儲單元中,具有音質自然、可反復錄放、抗干擾、低功耗等許多優(yōu)點。ISD1420放音時間為20秒;最多可分為160段,每段段長最少125ms;輸入采樣6.4kHz;100000次錄音周期;5V單電源供電,放音電流15mA,維持電流0.5μA。完全滿足設計需要。使用28引腳的DIP封裝芯片,引腳功能見參考文獻[5]。
地址引腳(A0~A7)有兩個作用,取決于A7、A6的狀態(tài)。當A7或A6有一個為“0”時,A0~A7解釋為地址位,作為當前錄放操作的起始地址。我們設計的電路使用了A0~A7的地址位功能。ISD1420的地址空間分配見表1。?
根據(jù)需要,語音信號分為“提示音”和“發(fā)令槍聲”兩段存儲數(shù)據(jù),“長提示音”或“短提示音”則由放音時間來區(qū)分。利用A0~A7引腳的地址功能,將ISD1420的內部存儲空間分成兩部分。20秒存儲空間分為前8秒存儲“提示音”,后12秒存儲“發(fā)令槍聲”。本設計對語音信號的音質要求并不高,所以語音數(shù)據(jù)事先由模擬方式錄入。由于實際放音持續(xù)時間都小于存儲的時間(8秒、12秒),可以通過調整語音芯片的低位地址A0、A1、A2(P3.2~P3.4控制)來選擇合適的數(shù)據(jù)段播放。
如圖2所示,語音電路在現(xiàn)場使用時只受控放音,
AT89C51的P3.6控制,放音時間長短由P3.6低電平保持時間決定。放音地址則由P3.2~P3.5決定。P3.5=0為“提示音”地址;P3.5=1為“發(fā)令槍聲”地址,P3.2~P3.4為地址微調。何時放音、放哪段聲音、放多長時間均由PLC發(fā)布命令。
2.3BTL功放電路
起跑裝置要求在無交流電源時,可用電瓶供電,所以電源設定為12V。由于在戶外使用,要求發(fā)出的聲音具有一定的響度,即要求語音電路有較大功率輸出。ISD1420內部輸出級帶有放大器,其直接的揚聲器驅動功率為12.2mW(16Ω負載),這距離我們的實際需要相差很大,因此后級功放必須保證能在低電壓下輸出大功率信號,以推動揚聲器發(fā)聲。
要在單電源低電壓條件下輸出大功率信號,功放電路選擇橋接式無變壓器輸出電路(即BTL電路),其基本工作原理由圖3所示的分立元件BTL電路簡圖說明。圖中有四個輸出管VT1~VT4,揚聲器接在兩個輸出端之間。在輸入信號u的正半周,VT1、VT4導通,VT2、VT3截止,輸出電流如圖中I1所示。在輸入信號u的負半周,VT2、VT3導通,VT1、VT4截止,輸出電流如圖中I2所示。正、負半周,揚聲器上的電位差方向相反,大小相等,都接近電源電壓,所以對電源的利用率很高。理論上BTL電路效率可達78.5%。?
實際使用的電路如圖2所示,兩片10W集成功率放大器TDA2003接成BTL電路形式,通過電容與揚聲器直接耦合,利用同時“推”“挽”的原理,揚聲器上正弦波峰峰值電壓近似為電源電壓的兩倍。輸出基本能滿足要求。
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3軟件設計
AT89C51的軟件設計相對簡單。主要包括與PLC的串行通訊程序(12MHz晶振、4800波特率、八位異步方式),放音控制程序,顯示控制程序及喂狗程序。由于都是常規(guī)的方法,這里不在贅述。?
4結論
本起跑訓練裝置的語音環(huán)節(jié)結構簡單,成本較低,調整方便,可靠性高,實際使用證明能夠滿足場地自行車訓練要求。通過適當調整,該環(huán)節(jié)可用于其他場地競賽訓練。同時,該設計也為智能儀器提供較大功率語音信號輸出給出了有益的嘗試。?
參考文獻
[1]朱民雄,等.計算機語音技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.
[2]STMICRO DataSheet. TDA2003?10W Car Radio Audio Amplifier[EB/OL]. [3]ISD DataSheet. ISD1400 Series Single?Chip Voice Record/Playback Devices[EB/OL].
[4]鄧寬林.如何利用集成功放構成BTL電路[J].現(xiàn)代電子技術,2003,(14).
[5]張守波,郭松林.高保真語音錄放電路及其在儀器中的應用[J].儀表技術,2004,(3).
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