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1、中图分类号:TP273+. 5文献标识码:A文章编号:1009 - 2552(2009)07 - 0035 - 04人机对话接口电路设计与实现徐伟业1,宋宇飞1,纪贤宝1,虞湘宾2(1.南京工程学院通信工程学院,南京210013 ; 2.南京航空航天大学信息科学与技术学院,南京210016)摘 要 : 语音是人类交往的重要手段, 当被应用在电子系统中关键的一点就是人机界面要良好。文中就语音或其他音频信号的人机交互设计了一种实用、良好的接口电路, 该电路可以应用到不同的语音智能控制系统中。关键词 : IS D4004; 串行外设接口(SPI ) ; 语音入 出Design and impleme
2、ntationof human2machinedialogue interface circuitXU Wei2ye1, SONG Yu2fei1, JI Xian2bao1, YU Xiang2bin2(1. College of CommunicationEngineering , NanjingInstitute of Technology , Nanjing 210013 , China ;2. School of Inform ation Science and Technology , NanjingUniversityof Aeronauticsand Astronautics
3、, Nanjing 210016 , China)Abstract:Voice is a very important way in human 2communication. Excellent human 2machine interfacebecomesa keypoint in electronicsystem.A practical andg oodhuman 2machineinterfacecircuit is designedforvoiceor other audio signalsin this paper. Besides, this circuit can be app
4、lied in different voice intelligentcontrol system.Key words: ISD4004; serial peripheral interface; voice I O0 引言随着通信技术与计算机技术的发展,除了人与人之间的自然语言的通信方式之外,人机对话及智能控制等领域也开始使用语言了,从而使语音合成,语音识别 ,语音存储和语音回放技术得到越来越广泛的应用。本文就语音或其他音频信号的人机交互设计了一种实用、良好的接口电路并且该电路可以应用到不同的语音智能控制系统中。1 方案选定一个基本的语音接口电路一般需要语音采集、语音存储 、 语音再现以及语
5、音控制几个模块。语音采集是整个系统的最前端,它是系统与外界的一个接口 。语音的采集可以是非电量,也可以是电量,这取决于所需要的控制电路。如果是电量采集需要通过相关电路将非电量转换成电量。语音存储是将采集后的语音信号(一般来说 ,这时的语音信号已经由连续的语音信号转换为离散、 量化的数字量 ) 存储于存储器中 。考虑到语音存储时间和存储器利用率,会对语音信号进行压缩。语音再现是对存储器中的语音信号进行回放,并且在某限定的参数要求或语音标准下确保再现的语音信号质量。语音控制就是将上述三个模块合理地安排,使整个电路满足语音控制的人性化要求。设计这样的电路方案有很多种,但考虑到成本、性能 、 实用性以
6、及智能化等方面,本文电路选择单片机加语音芯片的架构。众所周知,单片机凭借其集收稿日期: 2008- 12 - 26基金项目:南京工程学院院级科研基金项目(KXJ06038)作者简介:徐伟业(1977- ) ,女,讲师,硕士研究生,2007年硕士毕业于河海大学,主要研究方向为智能电路设计与数字图像处理。53名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 成度高 、 体积小 、 可靠性高,控制功能强,电压低 、 功耗低等特点而赢得优
7、异的性能价格比。因为接口电路可能作一些小的修改移植到不同的控制电路里,这里 选 择 ATMEL 公 司 生 产 的 可 在 线 擦 写 的AT89S51芯片 。语音芯片也有很多种类,且随着技术的发展,新产品的不断涌现,使芯片的价格不断走低 ,而且设计控制也随着集成技术的发展由极为复杂变得非常简单,但是 ,如何选择这些芯片以达到最佳的性 价 比 ? 从以 下 四个 方 面考 虑 语 音芯 片 的选择 。(1) 语音内容录制到语音芯片后,内容是否要经常修改 。(2) 看语音录制的长度。(3) 看要求的语音回放音质。(4) 芯片价格与电路应用场合的匹配。综合 几 方 面 考 虑 , 由 美 国 IS
8、D 公 司 制 造 的IS D4004系列芯片符合多方要求。IS D4004 是一种微控制器“从”设备 ;工作电压为3V ;单片录放时间为 816 分钟 ;采用多电平直接模拟量存储技术,能非常真实 、 自然地再现语音、 音调和效果声;内含振荡器 、 抗混叠滤波器、 平滑滤波器、 音频放大器、 自动静噪及高密度多电平闪存阵列;片内信息存于闪存中 ,可在断电情况下保存100 年 ;可反复录音10 万次 。为了达到正常听觉效果,这里选择IS D4004208M(以下简称IS D) 。2 电路设计2. 1 硬件设计2. 1. 1 电源设计由于语音芯片IS D 的工作电压为3V ,而单片机的工作电压为5
9、V ,因此二者供电时需要进行电压转换 ,本文使用一个LM317 将电源电压5V 转换为 3V为 IS D 供电 。2. 1. 2 语音采集与存储因为 IS D 采用多电平直接模拟量存储技术,所以在语音采集的时候非常方便,只要通过麦克风讲话从芯片的同相模拟输入端(ANA IN + ) 输入便可,此时可把反相模拟输入端(ANA IN - ) 通过耦合电容接地 。考虑到采集的语音信号可能来自计算机,也可以附加一条音频线随时准备与计算机声卡输出接口相连 。当对采集的语音信号进行存储时,由软件自动判断语音采集的开始与结束。2. 1. 3 信号传输与控制设计单片机的I O 口很丰富,其中 P1 口为准双向
10、口 ,P3口为多功能口。定义 P1.0 ,P1. 1 连接的两个发光二极管作为人机接口的视觉提示灯,分别提示采集与重现过程;P1.2 和 P1. 3 连接的两个按键分别作为人- 机 、 机 - 人语音交互控制键。P1.6 控制IS D 的 片 选 ( SS) , P1. 7 控 制IS D 的 串 行 输 入(MOSI),在芯片串行时钟(SC LK) 上升沿时,数据通过 MOSI传送锁存到IS D。P3.3 接芯片中断( INT) ,P3.2 接芯片串行时钟(SC LK ) 。RESET接复位按键,用来对单片机寄存器清零。电路原理图如图1 与图2 所示 。图1AT89S51控制电路原理图2.
11、1. 4 语音再现设计语音再现电路比较简单,只要在IS D 的音频输出端 (AUDOUT) 接一滤波电容加一个扬声器就可以了 。当采集存储的语音信号需要再现时,就触动机 - 人语音交互控制键。图2ISD受控电路原理图2. 2 软件设计软件设计主要是按硬件设计完成人机交互的控制流程 ,在程序设计时考虑到接口的实用性,采用信号检测与查询的方式进行控制。电路接通电源后一63名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 直对控制键进行
12、查询,一旦某键有驱动信号,判断控键指示 ,然后转向相应的子程序执行。具体过程见流程图图 3 所示 。图3软件设计流程图前面提到过ISD 是一种微控制器“从”设备 ,它工作于 SPI串行接口 。SPI(Serial PeripheralInterface )全名串行外设接口,是由 MOTORO LA 公司开发的全双工同步串行总线接口,该接口一般使用4 条线 :串行时 钟 线 ( SC LK ) 、 主 机 输 入 从 机 输 出 数 据 线(MISO) 、 主机输出 从机输入数据线(MOSI) 和低电平有效的从机选择线(SS ) 。由于 SPI系统总线一共只需34位数据线和控制即可与各种IO器件
13、进行接口 ,因此 ,采用 SPI总线接口可以简化电路设计 ,节省很多常规电路中的接口器件和I O 口线 ,提高设计的可靠性。对于不带SPI串行总线接口的MCS51系列单片机来说,可以使用软件来模拟SPI的操作 ,包括串行时钟、 数据输入和数据输出。ISD 的 SPI协议内容较多,必须严格按照协议编制程序才能实现与主设备AT89S51的正确通信 。本文由于篇幅关系不再给出,但可以由具体的程序作一些说明 。以主从器件之间的主机输入 从机输出的子程序为例:MOSI:CLR SS ;选中 IS DCLR MOSI ;清串口CLR SC LK ;时钟输出为1MOV R0, # 8 ;置循环次数8MOSI
14、 LOOP:STE B SC LK ;时钟 SC LK 为 1NOPNOP ;延时MOV MOSI,C ;进位 C 送 MOSIRLC A ;带进位循环左移NOPNOPCLR SC LK ;时钟 SC LK 为 0DJNZ R0 ,MOSILOOP;判断是否循环8 次SET B SS ;关片选 ;RET ;返回给出了用89S51单片机与IS D 进行 SPI串行通信程序 ,体现的协议内容是片选SS在传输期间必须保持为低电平, 8 位数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出 。经过 8 次循环 ,将 8 位数据送到MOSI。在程序设计中,无论是人机交互的语音采集还是机人交互的语音再现,与之相应的地址要
15、送到IS D ,而且遵循上电顺序。如从地址00H 处录音 ,则按以下时序 :发上电命令;等待 (上电延时,8kHz 采样时延时约25ms) ;发地址值为00 的 SETREC命令 ;发 REC命令 。器件便从00 地址开始录音,一直到出现 OVF(存贮器末尾 ) 时或遇到stop命令 ,采集停止 。所用指令可参考ISD 的 SPI指令表 。如语音采集子程序 :COLLECT:CLR SS ;选中 IS DLCALL UP ;调用 IS D 上电程序LCALL YS25 ;调用 25ms延时程序SET B KEY2 ;接受按键重录MOV A ,X ;语音寄存 ;LCALL REC ADD ;调用
16、 SETREC指令存放程序MOV A ,ADDRLI;低 8位地址LCALL MOSI ; 调用 MOSI 数据传输程序,以便将控制码与地址码送到ISDMOV A ,ADDRHI ;高 8 位地址LCALL MOSIMOV A ,SETREC ;控制指令 SETRECLCALL MOSISET B SS ;关片选当单片机查询到语音采集控键KEY 2 按下 ,转入语音采集子程序。因为 IS D 语音芯片的控制指令格式是由 8 位控制码加16 位地址码组成的,而单片机仅传送8 位数据 ,所以一次控制指令要分3 次传送 ,根据指令排列,先传送 16 位地址码再传送8 位控制码 。就如上面程序,先传送
17、低 8 位地址 ADDRLI ,后高 8 位地址 ADDRHI,再传送控制指令SETREC从指定地址开始录音。再传送REC从当前地址开始录音 。73名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 3 测试与性能评估3. 1 测试设计的接口电路经过实验测试,目前的交互时间最长可以达到8 分钟 ,可以方便地进行语音采集与释放且音质无噪、 真实 ,达到预期设计要求与需要 。如果要进行语音或音频预警或者其他相关的音频接口应用,可以直接引
18、用此电路,只要把控键去掉 ,将外部的驱动信号与相应的端口相连,在软件的查询下 ,判断是什么样的驱动信号。也可以依照此电路软 、 硬件设计进行适当的改变便可。3. 2 性能评估该接口电路在实际应用中存在两滚限制条件:采集质量与持续时间。要解决这两个问题主要从语音芯片本身着手。音频信号频率范围20Hz20kHz,人的语音信号频率范围在20Hz3400Hz ,按照奈奎斯特抽样定理,6.8kHz采样就可以无失真恢复录制的语音信号,8kHz采样可以去除一定的频谱混叠,较好地完成语音的重播 。但是采样频率越高,需要的存储容量就越大 ,而 IS D4004 系列各个型号的内存容量是一样的 ,因此 ,在一定的
19、存储容量下,持续时间与播放质量成为一对矛盾,因此也制约了芯片的选择。ISD4004系列芯片在不同采集频率下的持续时间关系如表1 所示 。从表 1可以看出如果用6. 4kHz或以下的采样频率,存储时间可相应的延长,但同时语音中的高频部分会有损失,采样频率越低,损失越大 ,当采样频率降低到4kHz 左右时 ,如果单词 、 词组发音区别较大尚可分辨,但发音相近就不容易分辨了 。因此 ,在一片 IS D 情况下 ,可根据具体应用场合作具体的选择、 考虑 。在成本计算不主要的情况下,还可以用片选端SS级联扩展存储容量以增加存储时间 。芯片之间可以任意组合,如将 IS D4004 - 08M与 ISD40
20、04- 16M 级联 ,重要的内容存入前者,不重要的内容存入后者。这样可以将持续时间延长到将近半小时 。表1ISD4004各型号参数表IS D4004采样频率持续时间IS D4004 - 08M8kHz8分钟IS D4004 - 10M6. 4kHz10分钟IS D4004 - 12M5. 3kHz12分钟IS D4004 - 16M4kHz16分钟4 结束语本电路经过不同的改装可应用到不同的电路中去 ,如用于语音中介、 语音公交报站、 语音驾驶提示,高危音频报警(非语音 ,但有频率限制,高频不应超过4kHz) 等等各种与语音或者音频有关应用电路。参 考 文 献 :1 陈光东,赵性初.单片机微
21、型计算机原理与接口技术 M.武汉:华中科技大学出版社,2002.2 EBOL . http : www. isd. comchipcoderisd4004 seriessingle2chipvoice recordplayback device3 杨海东,陈高平. IS D400416M语音芯片的循环录放电路设计J .应用天地,2004(12) :54 - 57.责任编辑:肖滨(上接第34页)3 结束语TPM芯片目前已广泛应用到PC中 ,极大地增强了平台的安全性。这样的安全性增强是通过TPM功能设计和比较安全的构架完成的,但考虑在任意TPM命令执行序列下,TPM 系统状态是否安全的判定属于 N
22、P2com plete 问题 ,只有在特定的条件下可解 ,同时 ,通过对TPM 接口的两个基本密码功能的执行时间进行测试,可以看出TPM芯片构造和命令实现模块设计的独立性和性能。参 考 文 献 :1 EBOL . http: www. trustedcom putinggroup.org.2 Trusted Computing Group. TPMMain Part 1 DesignPrinciplesSpecifi2cation Version1. 2 Z. Revision94, 29 March 2006.3 Trusted C omputing G roup.TPMMain Part
23、3 CommandsSpecificationVersion 1. 2 Z.Level2 Revision94 , 29 March 2006.4 郝黎明,陆松年,等.对等网中一种基于可信计算的匿名信誉机制J .上海交通大学学报,Feb,2008 ,42(2) .5 R S Sandhu. The Typed AccessMatrix ModelJ . IEEE ,1992.6 Andrews G R.COPS2A protection mechanismfor com puter SystemsD.Ph. D.Th. and Tech. Rep. 74207212, Computer Sci
24、. Pro2gram, U. of Washington, Seattle, Wash. ,July ,1974.7 DavidLie , Chandram ohanA. Thekkath,Mark Horow itz. Im plementinganuntrusted operatingsystem on trustedhardware J . ACM SIG OPSOpera2ting S ystemsReview, Dec ,2003,37(5) :178 - 192.8 董瑞敏.基于 “恒智”芯片的可信系统研究D .西安建筑科技大学,硕士学位论文.责任编辑:么丽苹83名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -