多功能語音人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
關(guān)鍵詞：人機(jī)接口；語音錄制；語音播放；液晶顯示；RS232接口
1 引言
指紋門禁系統(tǒng)、POS系統(tǒng)(電子收款系統(tǒng))、ATM(自動取款機(jī))等嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都需要友好的人機(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)用目前只見于各大銀行的ATM機(jī)上。所以開發(fā)一款簡單易用且價(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、語音芯片、標(biāo)準(zhǔn)通信口來實(shí)現(xiàn)語音人機(jī)接口模塊。該語音人機(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)字信號處理器)主要用來處理指紋算法(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)外圍電路來實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，勢必會影響整個(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。采用該智能語音人機(jī)接口模塊后，微控制器通過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)接口模塊總體設(shè)計(jì)
人機(jī)接口模塊主要由AT89C51型微控制器、ISD2560型語音錄放器件、LCMl602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l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。鍵盤用來接收用戶輸入信號。語音錄放單元實(shí)現(xiàn)交互提示語言的錄制和播放。液晶顯示單元輔助用戶輸入并為用戶顯示提示信息(包括在模塊開發(fā)調(diào)試過程中的調(diào)試信息)?？刂茍?zhí)行單元屬于可選用單元，針對具體應(yīng)用進(jìn)行取舍。指紋門禁系統(tǒng)中需要控制執(zhí)行單元來彈開電子鎖。
3 各組成單元的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
下面以人機(jī)模塊的4個(gè)主要組成單元來說明。重點(diǎn)論述語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)試通過的匯編源代碼。
3.1 鍵盤、控制執(zhí)行單元
鍵盤是4x4結(jié)構(gòu)，微控制器從Pl口通過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)動繼電器，通過微控制器的通用I/O口來控制。鍵盤、控制執(zhí)行單元易于實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。
3.2 RS232接口單元
采用帶有1個(gè)UART(通用異步收發(fā)器)的微控制器，用UART來實(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 語音錄放單元
為了使本系統(tǒng)的人機(jī)接口更加友好，采用了用戶易于接受的語音交互方式。語音播放單元選用的語音器件是ISD2560。ISD2560是美國ISD(Infor-mation Storage Devices)公司的高性能單片語音錄放集成電路，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音錄放基本電路。
介紹ISD2500系列的文獻(xiàn)很多，故對其內(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，分別是錄放控制信號：P/R、CE、PD及A0-A9；級聯(lián)及放音狀態(tài)指示信號：OVF、EOM；模擬語音輸入輸出信號：MIC、MI-CREF、SP+和SP-。主要信號的功能如表1所列。ISD2560與微控制器的接口電路如圖3所示。
ISD2560的錄音總長度為60 s，要使語音器件分段錄放音，只需給出錄音或放音的起始地址。微控制器的P0口(P0口有一4.7 kΩ的上拉電阻)與P3.6、P3.7配合作為語音器件的地址輸入。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分別對應(yīng)ISD2560的7種工作模式(其中A2對應(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分別接至語音器件的控制輸入端P/R、PD和CE，用來控制語音器件的錄放及功耗。每段錄音結(jié)束處，ISD2560會自動插入信息結(jié)束標(biāo)記EOM(End-Of-Message)，這樣在播放語音至信息段尾時(shí)，在EOM引腳上會產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)12.5 ms的低電平脈沖。將EOM接至微控制器的中斷輸入口INT0，就會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)片斷語句的連續(xù)組合播放。這種硬件連接有助于節(jié)省語音時(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(P/R、PD、A0-A9)都是在使能信號CE的下降沿采樣，故采樣前這些控制信號都必須穩(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，避免語音器件的誤動作。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，錄音過程中，CE在MIC輸入的過程中始終要保持低電平，一旦CE或PD變?yōu)楦唠娖?，錄音將停止。而在放音過程中，CE只需持續(xù)低電平TCEP(典型值為100 ns)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，只需要改動錄放音的起始地址(由PO、A8、A9給出)及錄放音的等待延遲即可。開始錄入語音或錄制完畢時(shí)，最好有液晶顯示或某一特定指示燈亮，用來提示用戶錄音的開始與結(jié)束。而放音時(shí)，只需給出待播放語音段的起始地址和足夠的等待時(shí)間，放音過程遇到信息結(jié)束標(biāo)志后會自動結(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，加上延遲子程序后可直接拷貝使用。
在特殊應(yīng)用場合，如需要播放更長的語音信息，可以利用溢出標(biāo)志信號(OVF)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)語音器件的級聯(lián)。
3.4 液晶顯示功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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、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)，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+5 V電壓供電，液晶驅(qū)動電壓Vo由20kΩ電位器分壓得到?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)顯示屏的對比度。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。BLl、BL2(有的數(shù)據(jù)手冊上標(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)的陽極與陰極。如果不需要控制背光的亮滅，可直接接至+5 V電源兩端，讓背光燈在模塊上電后一直點(diǎn)亮。
微控制器的PO口復(fù)用(上文設(shè)計(jì)中已作為ISD2560的地址選擇信號)作為LCM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E、讀寫控制信號R/W、寄存器選擇信號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E為下跳變有效；讀寫控制信號R/W用來控制數(shù)據(jù)讀寫，高電平時(shí)為從LEM的內(nèi)部寄存器中讀取數(shù)據(jù)，低電平時(shí)，向LEM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，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控制LCM的程序代碼，必須徹底理解LCM的訪問控制時(shí)序，如圖6所示。
圖6的簡要說明：RS在訪問期間，具體的電平取決于所訪問的寄存器類型。R/W(Read)、R/W(Write)分別與其他控制信號及數(shù)據(jù)信號構(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12 MHz晶體時(shí))。TCS、TCH、TWEH、TDH、TCE都是ns(納秒)級的量，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100 ns)；在寫操作時(shí)，表示待寫入數(shù)據(jù)的最小建立時(shí)間(40 ns)。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。
上述代碼全部通過調(diào)試，運(yùn)行正確穩(wěn)定，可直接拷貝使用。
4 結(jié)束語
該人機(jī)接口模塊所有功能均已調(diào)試通過，工作穩(wěn)定可靠。
模塊提供有+3.3 V電壓及備用I/0接口引出線，為將來擴(kuò)展之用。如可采用低電壓版本的微控制器(AT89LV51、W78LE51等)，這種微控制器的引腳電平與主處理器的引腳電平兼容，硬件上可以直接連接。閑置的I/0線可擴(kuò)展I2C接口的E2PROM，用來存儲需長時(shí)間保存的數(shù)據(jù)。
本模塊可擴(kuò)展，裁剪性強(qiáng)，針對特定的應(yīng)用場合增加或刪除某些單元電路即可實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的人機(jī)接口。
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