基于STM32的語音導(dǎo)覽系統(tǒng)的設(shè)計方案

景點語音導(dǎo)覽主要有以下幾種方式：一種是通過全球定位系統(tǒng)（GPS）的用戶終端接收工作衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，從而解算出車輛的經(jīng)緯度信息，進(jìn)而計算出實時坐標(biāo)，將其與景點坐標(biāo)相比較，當(dāng)車輛駛?cè)刖包c一定距離范圍內(nèi)時，不用人工干預(yù)，系統(tǒng)自動播報景點語音信息；另一種是對車輪軸的轉(zhuǎn)角脈沖進(jìn)行計數(shù)，將計數(shù)值和預(yù)置值對比，即可確定播放時刻，達(dá)到準(zhǔn)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(shù)，在每一個景點范圍內(nèi)設(shè)置一個具有唯一ID的射頻發(fā)射器，采用間歇工作方式發(fā)射信號，當(dāng)旅游列車即將到達(dá)景點時，車載系統(tǒng)接收到射頻發(fā)射器信號并解碼出景點的ID號，由系統(tǒng)控制自動播放對應(yīng)編號的景點語音信息。由于景點自然環(huán)境的復(fù)雜性，第一種方式難以滿足系統(tǒng)要求；第二種方式簡單可靠，但旅游軌道車輛運(yùn)行方向存在不確定性，其相對位置往返變化，系統(tǒng)的自動化程度較低且復(fù)雜度較高。

本文首先介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，然后，給出了系統(tǒng)各主要功能模塊的具體設(shè)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(xiàn)技術(shù)，給出了系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)結(jié)果。

最后，給出了有一定工程應(yīng)用參考價值的結(jié)論。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計如圖1所示。本設(shè)計利用旅游列車軌道固定的特點，在軌道沿線景點預(yù)先安裝固定ID的RFID，綜合考慮到作用距離、數(shù)據(jù)通信方式、可靠性、使用壽命和維護(hù)成本，選用產(chǎn)品433 MHz有源標(biāo)簽GAO C124061.其存儲ID字長32 b.由于在野外自然環(huán)境中，出現(xiàn)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(yīng)，用以觸發(fā)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(nèi)核高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用MCU.本設(shè)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(tǒng)性能要求?？偨Y(jié)下來，STM32具有價格低、功能強(qiáng)、使用簡單、開發(fā)方便等幾個很有利的優(yōu)勢。ISD4004為語音錄放存儲芯片，根據(jù)外部控制和外圍電路輔助，可隨機(jī)對其進(jìn)行語音錄入和語音播放。系統(tǒng)MCU通過RFID閱讀器獲得旅游列車沿途RFID的固定ID，根據(jù)ID號所對應(yīng)的預(yù)設(shè)語音數(shù)據(jù)存儲位置的起始地址信息，通過對ISD4004內(nèi)置的SPI端口進(jìn)行控制，實現(xiàn)景點語音選段自動播放。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

2主要模塊電路設(shè)計

2.1 ISD4004控制電路設(shè)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(zhì)好。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)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(shè)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(shù)，每個采樣值直接存儲在片內(nèi)非易失性存儲器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)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(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要引腳功能如圖2所示。

圖2 ISD4004內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ISD4004內(nèi)部器件控制單元設(shè)置非常便于其與STM32序列芯片的SPI進(jìn)行通信設(shè)置。增設(shè)STM32多個I/O口來作為對應(yīng)語音芯片的片選端，即可實現(xiàn)多片ISD4004擴(kuò)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(jìn)行通信，兩者M(jìn)OSI、MISO腳對應(yīng)相互連接，實現(xiàn)STM32和ISD4004之間數(shù)據(jù)串行傳輸（MSB位在前）。通信總是由主設(shè)備STM32發(fā)起。STM32通過MOSI腳把數(shù)據(jù)發(fā)送給ISD4004，ISD4004通過MISO引腳回傳數(shù)據(jù)給STM32.

全雙工通信的數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入是用同一個時鐘信號同步的；時鐘信號由主設(shè)備STM32通過SCK腳提供。

擴(kuò)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(kuò)充景點的語音信息量。

2.2語音錄放控制電路設(shè)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(lián)調(diào)整管Q3或開關(guān)管Q1，實現(xiàn)系統(tǒng)放音或者錄音。I/O端輸出高電平時實現(xiàn)錄音，輸出低電平時實現(xiàn)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(tài)信息和串口與外部連接。因此，系統(tǒng)利用STM32F103RBT6的SPI2接口實現(xiàn)與RFID讀卡器接口之間的數(shù)據(jù)通信，從而自動獲得景點位置信息，以控制選擇對應(yīng)景點導(dǎo)覽語音的播放。讀卡器中斷狀態(tài)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(shè)計

3.1軟件初始化

3.1.1外設(shè)時鐘的使能

本設(shè)計中涉及的外設(shè)時鐘可以通過APB2外設(shè)時鐘使能寄存器來使能。當(dāng)外設(shè)時鐘沒有啟用時，軟件無法讀出外設(shè)寄存器的值，返回的數(shù)值始終為0.設(shè)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(shè)置，SPI1的時鐘通過APB2ENR的第12位來設(shè)置。

3.1.2 I/O口的初始化

本設(shè)計涉及的I/O口包括：用于控制片選擴(kuò)展的PA.3、PB.0口，需設(shè)置成開端輸出模式；用于實現(xiàn)按鍵控制的PA.15（錄音鍵）、PA.0（強(qiáng)制停止鍵）等需設(shè)置為上拉輸入模式；用于實現(xiàn)SPI通信的PA.5、PA.6、PA.7口，它們分別對應(yīng)SPI1的SCK、MISO、MOSI口，應(yīng)由軟件設(shè)置這三個口為復(fù)用I/O口即第二功能；用于檢測放音結(jié)束時語音芯片INT端低電平輸出的PA.8和PD.2設(shè)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(shè)置I/O口與中斷線的對應(yīng)關(guān)系、開啟與該I/O口對應(yīng)的線上中斷/事件以及設(shè)置中斷的觸發(fā)條件、配置中斷分組并使能中斷。本設(shè)計中，將強(qiáng)制停止鍵連接到的PA.0口對應(yīng)的中斷觸發(fā)條件設(shè)置為上升沿觸發(fā)，對應(yīng)的中斷優(yōu)先級最高；其余按鍵連接的I/O口對應(yīng)的中斷觸發(fā)條件都設(shè)置為下降沿觸發(fā)。把所有的中斷都分配到第二組，把所有按鍵的次優(yōu)先級設(shè)置成一樣，而搶占優(yōu)先級不同。其中，幾個放音鍵連接的I/O口對應(yīng)的中斷共用一個中斷服務(wù)程序，也就是多個中斷線上的中斷共用一個中斷服務(wù)函數(shù)，在該中斷服務(wù)程序里先對進(jìn)入中斷的信號進(jìn)行區(qū)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(shè)計中，通過對CR1寄存器的設(shè)置，將SPI1模塊設(shè)置成全雙工模式、軟件NSS管理、主機(jī)模式、8 b MSB數(shù)據(jù)格式，并且把SPI1的波特率設(shè)置成了最低（281.25 kHz，為系統(tǒng)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(shè)備時鐘相位和極性應(yīng)該一致。最后，發(fā)送0xff啟動傳輸。

根據(jù)ISD4004不同相位下的SPI總線傳輸時序和SPI操作時序關(guān)系，要想實現(xiàn)STM32和ISD4004之間的SPI通信，須將其控制位CPHA和CPOL都設(shè)置為1.

3.2 SPI控制功能軟件實現(xiàn)

3.2.1 SPI1讀寫字節(jié)函數(shù)

在讀數(shù)據(jù)時，接收到的數(shù)據(jù)被存放在一個內(nèi)部的接收緩沖器中；在寫數(shù)據(jù)時，在被發(fā)送之前，數(shù)據(jù)將首先被存放在一個內(nèi)部的發(fā)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(nèi)容；寫入SPI_DR寄存器的數(shù)據(jù)將被寫入發(fā)送緩沖器中。

SPI_SR是16位狀態(tài)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(fā)送緩沖非空，為1則發(fā)送緩沖為空。不斷地查詢發(fā)送/接收緩沖區(qū)是否為空，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序發(fā)送和接收。

3.2.2發(fā)送指令函數(shù)

首先，語音芯片ISD4004有如下操作規(guī)則：

（1）串行外設(shè)接口，SPI協(xié)議設(shè)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(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)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(fā)完上電指令后，必須等待TPUD，才能發(fā)出下一條操作指令。

例如，

從00處放音，應(yīng)遵循如下時序：

①發(fā)POWER UP命令；

②等待TPUD（上電延時）；

③發(fā)地址值為00的SET PLAY命令；

④發(fā)PLAY命令。

器件會從00地址開始放音，當(dāng)出現(xiàn)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(fā)POWER UP指令；

②等待TPUD（上電延時）；

③發(fā)POWER UP命令；

④等待2倍TPUD；

⑤發(fā)地址值為00的SET REC命令；

⑥發(fā)REC命令。

器件便從00地址開始錄音，一直到出現(xiàn)OVF（存儲器末尾）時，錄音停止。

3.3中斷服務(wù)程序

錄音中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。它實現(xiàn)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(yù)先設(shè)定的起始地址存儲空間中，松開錄音鍵后，本景點語音內(nèi)容錄音停止。每個景點的導(dǎo)覽語音存儲的位置，以其起始地址為標(biāo)示。起始地址的安排根據(jù)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(jié)束。

景點語音播放中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。系統(tǒng)在獲得RFID讀卡器的中斷申請之后，根據(jù)讀卡器接口協(xié)議，MCU經(jīng)SPI2接口接收到讀卡器傳來的數(shù)據(jù)信息，分析出RFID所含的ID信息內(nèi)容，并根據(jù)ID所對應(yīng)的景點位置，即原設(shè)置的景點語音首地址，將此首地址發(fā)送到ISD4004芯片組，并發(fā)送放音命令，即可實現(xiàn)對應(yīng)景點事先錄制好的導(dǎo)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(tài)。當(dāng)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(fā)送停止播放指令，則實現(xiàn)播音結(jié)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6放音流程圖

4系統(tǒng)調(diào)試測試結(jié)果

4.1錄放音模塊調(diào)試

對于錄音模塊功能的測試，采用如下的辦法：對著麥克風(fēng)進(jìn)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(fā)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(diào)試試驗波形

4.2 SPI模塊調(diào)試

在錄音電路正確后，發(fā)送放音指令，在芯片對應(yīng)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(fā)送0×55，在STM32 SPI1的數(shù)據(jù)發(fā)送端MOSI和數(shù)據(jù)接收端MISO得到的波形，與實際相符。

圖8 SPI1接口調(diào)試試驗時序波形

5結(jié)論

本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實用可靠，特別適用于山區(qū)自然景點的有軌旅游列車項目等，因而該系統(tǒng)具有很好的實用價值?？捎糜趶?fù)雜環(huán)境下的語音導(dǎo)覽系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主要功能模塊的實現(xiàn)技術(shù)和調(diào)試實驗結(jié)果。