基于CAN總線的語音提醒器的設(shè)計(jì)

中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 常靜

基于CAN總線的語音提醒器的設(shè)計(jì)

中原工學(xué)院電子信息學(xué)院 常靜

一、引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)等各部門對(duì)生產(chǎn)工藝以及精密度需求的不斷提高，出現(xiàn)了許多生產(chǎn)系統(tǒng)語音提醒產(chǎn)品。在工業(yè)生產(chǎn)中，正常有序的工作制度是保障生產(chǎn)過程和生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施。因此，研究開發(fā)此語音提醒系統(tǒng)對(duì)工廠車間的生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)還具有專業(yè)計(jì)算器的功能，來完成對(duì)每次工作開始之前的用料與產(chǎn)出之間相對(duì)關(guān)系的計(jì)算，從而更好地完成對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控。

語音合成和語音識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)語音通信及建立一個(gè)有聽和講能力的口語系統(tǒng)所必需的2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。語音合成技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣，如電話查詢、話費(fèi)催繳、呼叫中心、證券股票查詢、教育系統(tǒng)資料查詢等各類都有應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠完成對(duì)工作人員的人機(jī)互動(dòng)，并實(shí)時(shí)地提醒并且顯示出下一步的工作內(nèi)容，使生產(chǎn)工藝有序地進(jìn)行，保證了生產(chǎn)質(zhì)量。

二、系統(tǒng)組成及工作原理

1.系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)是由單片機(jī)最小系統(tǒng)、語音模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、CAN總線控制模塊、鍵盤、顯示等幾個(gè)部分組成。其組成框架如圖1所示。

2.工作原理。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是低成本、功能強(qiáng)大，適用于各種生產(chǎn)環(huán)境。其主要工作原理如下：該系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)為核心進(jìn)行生產(chǎn)過程信息的處理。系統(tǒng)通過識(shí)別CAN系統(tǒng)傳過來的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理得到相應(yīng)的語音提示，實(shí)時(shí)提醒并且顯示出下一步的工作內(nèi)容，使生產(chǎn)工藝有序地進(jìn)行下去，保證了生產(chǎn)質(zhì)量。

三、硬件設(shè)計(jì)

1.語音模塊。所謂語音芯片，就是在人工或者控制器的控制下可以錄音和放音的芯片。在設(shè)計(jì)中用美國ISD公司的語音芯片ISD25120，其錄放音時(shí)間為120秒。ISD2500系列具有抗斷電、音質(zhì)好，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。它的最大特點(diǎn)在于片內(nèi)E2PROM容量為480K，錄放時(shí)間長。有10個(gè)地址輸入端，尋址能力可達(dá)1024位，并最多能分成600段。設(shè)有OVF（溢出）端，便于多個(gè)器件多級(jí)聯(lián)。

語音芯片的工作方式如下：采用E2PROM存儲(chǔ)方法，將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元中，不用另加A/D和D/A變換電路，使用方便，且語音音質(zhì)自然。

2500系列最多可分為600段，只要在分段錄/放音操作前（不少于300納秒）給地址A0～A9賦值，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始，錄音結(jié)束由停止鍵操作決定，芯片內(nèi)部自動(dòng)在該段的結(jié)束位置插入結(jié)束標(biāo)志（EOM）。而放音時(shí)芯片遇到EOM標(biāo)志即自動(dòng)停止放音。

2500系列地址空間是這樣分配的：地址0～599作為分段用（見表1），地址600～767未使用，地址768～1023為工作模式選擇。

表1 ISD25120地址分配

2.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用串行的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，AT24C64作為密碼的存儲(chǔ)介質(zhì)。串行存儲(chǔ)器采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，速度相對(duì)較慢，操作也較為復(fù)雜，但占用I/O口少，節(jié)約了系統(tǒng)資源，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。由于AT24C64是通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，所以其與單片機(jī)的通信方式采用模擬I2C總線方式，通過單片機(jī)上的兩個(gè)引腳模擬I2C總線的數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘線，實(shí)現(xiàn)I2C總線的狀態(tài)與時(shí)續(xù)，完成單片機(jī)與AT24C64的數(shù)據(jù)傳輸。

3.顯示系統(tǒng)。液晶顯示器是液晶模塊通過點(diǎn)陣方式實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)中，顯示系統(tǒng)要求顯示出來下一步操作的主要內(nèi)容，顯示內(nèi)容繁瑣，所以在系統(tǒng)中選用長沙太陽人公司生產(chǎn)的SMG12864A作為顯示器，來顯示下一步的操作內(nèi)容。

4.鍵盤系統(tǒng)。鍵盤系統(tǒng)按種類分為編碼式鍵盤系統(tǒng)和非編碼式鍵盤系統(tǒng)，在本系統(tǒng)中由于按鍵個(gè)數(shù)較多，操作繁瑣，所以采用編碼式鍵盤系統(tǒng)。

鍵盤系統(tǒng)采用的是矩陣式編碼鍵盤系統(tǒng)，使用BC7281和SN74LS164作為鍵盤控制芯片，用于鍵盤的掃描與鍵值的確定和發(fā)送。

四、軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用C語言編寫，主要完成對(duì)顯示、語音、通信和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方面的控制。

主程序是本系統(tǒng)控制的中心部分，它完成系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)處理、按鍵判斷、整合程序等功能，使所有程序都能成為一個(gè)有機(jī)的整體。

采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將子程序劃分為顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、鍵值獲取模塊、語音錄放和通信等模塊，然后主程序通過調(diào)用各個(gè)子程序來實(shí)現(xiàn)所要求的功能。

五、總線

本系統(tǒng)用了2種總線技術(shù)，對(duì)其使用介紹如下。

1.I2C總線。I2C總線是一種用于I2C器件間連接的二線制總線。它通過SDA（串行數(shù)據(jù)線）及SCL（串行時(shí)鐘線）兩根線再連到總線上的器件之間來傳送信息，并根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件。

采用I2C總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或I2C器件，其內(nèi)部不僅有I2C接口電路，而且將內(nèi)部各單元電路按功能劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，通過軟件尋址實(shí)現(xiàn)片選，減少了器件片選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個(gè)功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對(duì)該單元的工作狀況進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展與控制。I2C總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達(dá)400kbit/s。

2.CAN總線。CAN總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN作為一種多主方式的串行通訊總線，其基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求高位速率和較高的抗電磁干擾性能，而且要能夠檢測出通訊總線上產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)10km時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN總線與其他幾種現(xiàn)場總線比較而言，是最容易實(shí)現(xiàn)且價(jià)格最為低廉的一種，但其性能并不比其他現(xiàn)場總線差。這也是目前CAN總線在眾多領(lǐng)域被廣泛采用的原因。節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)上信息的接收和發(fā)送站。所謂智能節(jié)點(diǎn)是由微處理器和可編程的CAN控制芯片所組成。

系統(tǒng)所選用的CAN總線的總線控制芯片是SJA1000，總線收發(fā)器是82C250?？偩€控制器上的數(shù)據(jù)線直接和單片機(jī)的P0口相連，其他控制線分別和P2、P3口上的對(duì)應(yīng)口線相連，如讀寫線、復(fù)位線和中斷等。

總線控制器和總線收發(fā)器之間直接將數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收線的兩根線連接到一起，并在總線收發(fā)器和電纜連接線上加一個(gè)120歐姆的終端電阻。

在調(diào)試過程中，選擇的發(fā)送和接收方式是中斷發(fā)送與接收。在有中斷發(fā)生時(shí)，發(fā)送一次數(shù)據(jù)；當(dāng)總線上有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生中斷一次，并且接收總線上的數(shù)據(jù)，通過顯示系統(tǒng)顯示出來。

六、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)完成了系統(tǒng)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和對(duì)語音芯片的操作，并通過單片機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，完成語音信號(hào)的存儲(chǔ)與播放功能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該設(shè)計(jì)的語音提醒系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。但要真正做到商業(yè)化還需要做更多的改進(jìn)工作，這就需要進(jìn)一步的系統(tǒng)開發(fā)。