基于STM32的语音导览系统设计！
时间：10-02
整理：3721RD
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景点语音导览主要有以下几种方式：一种是通过全球定位系统（GPS）的用户终端接收工作卫星的导航信息，从而解算出车辆的经纬度信息，进而计算出实时坐标，将其与景点坐标相比较，当车辆驶入景点一定距离范围内时，不用人工干预，系统自动播报景点语音信息；另一种是对车轮轴的转角脉冲进行计数，将计数值和预置值对比，即可确定播放时刻，达到准确播放景点语音信息的目的；第三种方案是利用无线射频识别技术，在每一个景点范围内设置一个具有唯一ID的射频发射器，采用间歇工作方式发射信号，当旅游列车即将到达景点时，车载系统接收到射频发射器信号并解码出景点的ID号，由系统控制自动播放对应编号的景点语音信息。由于景点自然环境的复杂性，第一种方式难以满足系统要求；第二种方式简单可靠，但旅游轨道车辆运行方向存在不确定性，其相对位置往返变化，系统的自动化程度较低且复杂度较高。本文采用第三种方案实现景点语音自动导览系统。
本文首先介绍了系统总体结构，然后，给出了系统各主要功能模块的具体设计，并重点研究了基于ARM3核的STM32F103RBT6芯片与语音芯片ISD4004之间的SPI通信控制和实现技术，给出了系统设计实现结果。
最后，给出了有一定工程应用参考价值的结论。
1系统总体设计
本系统结构原理设计如图1所示。本设计利用旅游列车轨道固定的特点，在轨道沿线景点预先安装固定ID的RFID，综合考虑到作用距离、数据通信方式、可靠性、使用寿命和维护成本，选用产品433 MHz有源标签GAO C124061.其存储ID字长32 b.由于在野外自然环境中，出现碰撞的可能性极低，所以，RFID阅读器只需要正确可靠地获得RFID的ID值，与固定景点所对应，用以触发中断，开始播放该景点的语音信息。
图1中，MCU采用STM32F103RBT6芯片，该芯片是基于ARM Cortex-M3内核高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用MCU.本设计选择这款的原因是看重其性价比：128 KB FLASH、20 KB SRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RTC、51个可用I/O脚等一系列性能特征，能完全满足本系统性能要求。总结下来，STM32具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等几个很有利的优势。ISD4004为语音录放存储芯片，根据外部控制和外围电路辅助，可随机对其进行语音录入和语音播放。系统MCU通过RFID阅读器获得旅游列车沿途RFID的固定ID，根据ID号所对应的预设语音数据存储位置的起始地址信息，通过对ISD4004内置的SPI端口进行控制，实现景点语音选段自动播放。
图1
2主要模块电路设计
2.1 ISD4004控制电路设计
ISD4004系列语音芯片工作电压为+3 V，单片录放时间8~16 min，音质好。芯片采用CMOS技术，内含时钟、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非易失性存储器阵列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内非易失性存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。芯片ISD4004内部结构和主要引脚功能如图2所示。
图2
ISD4004内部器件控制单元设置非常便于其与STM32序列芯片的SPI进行通信设置。增设STM32多个I/O口来作为对应语音芯片的片选端，即可实现多片ISD4004扩展。STM32与多片ISD4004的接口电路如图3所示。
图3
STM32和ISD4004通过SPI模块进行通信，两者MOSI、MISO脚对应相互连接，实现STM32和ISD4004之间数据串行传输（MSB位在前）。通信总是由主设备STM32发起。STM32通过MOSI脚把数据发送给ISD4004，ISD4004通过MISO引脚回传数据给STM32.
全双工通信的数据输出和数据输入是用同一个时钟信号同步的；时钟信号由主设备STM32通过SCK脚提供。
扩展为多片语音芯片后，语音信息的存储空间大大增加，便于扩充景点的语音信息量。
2.2语音录放控制电路设计
语音录放控制电路如图4所示。通过MCU的I/O控制端来控制串联调整管Q3或开关管Q1，实现系统放音或者录音。I/O端输出高电平时实现录音，输出低电平时实现放音。
图4
2.3 RFID读卡器接口电路
RFID读卡器模块使用了Philips的高集成ISO14443A读卡芯片MFRC500.RFID读卡器是一个相对独立的功能模块，其输出可通过中断状态信息和串口与外部连接。因此，系统利用STM32F103RBT6的SPI2接口实现与RFID读卡器接口之间的数据通信，从而自动获得景点位置信息，以控制选择对应景点导览语音的播放。读卡器中断状态直接与STM32F103的PD口I/O引脚连接；SPI2接口电路形式同图3类似。
3主要功能软件设计
3.1软件初始化
3.1.1外设时钟的使能
本设计中涉及的外设时钟可以通过APB2外设时钟使能寄存器来使能。当外设时钟没有启用时，软件无法读出外设寄存器的值，返回的数值始终为0.设计中用到的PA口、PB口、PD口的时钟分别通过APB2ENR寄存器的第2、3、5位来设置，SPI1的时钟通过APB2ENR的第12位来设置。
3.1.2 I/O口的初始化
本设计涉及的I/O口包括：用于控制片选扩展的PA.3、PB.0口，需设置成开端输出模式；用于实现按键控制的PA.15（录音键）、PA.0（强制停止键）等需设置为上拉输入模式；用于实现SPI通信的PA.5、PA.6、PA.7口，它们分别对应SPI1的SCK、MISO、MOSI口，应由软件设置这三个口为复用I/O口即第二功能；用于检测放音结束时语音芯片INT端低电平输出的PA.8和PD.2设置为上拉输入模式。
3.1.3外部中断的初始化
外部中断初始化中主要完成的工作是设置I/O口与中断线的对应关系、开启与该I/O口对应的线上中断/事件以及设置中断的触发条件、配置中断分组并使能中断。本设计中，将强制停止键连接到的PA.0口对应的中断触发条件设置为上升沿触发，对应的中断优先级最高；其余按键连接的I/O口对应的中断触发条件都设置为下降沿触发。把所有的中断都分配到第二组，把所有按键的次优先级设置成一样，而抢占优先级不同。其中，几个放音键连接的I/O口对应的中断共用一个中断服务程序，也就是多个中断线上的中断共用一个中断服务函数，在该中断服务程序里先对进入中断的信号进行区分（通过中断输入I/O口上的电平判断），再分别处理。
3.1.4 SPI模块的初始化
本设计中，通过对CR1寄存器的设置，将SPI1模块设置成全双工模式、软件NSS管理、主机模式、8 b MSB数据格式，并且把SPI1的波特率设置成了最低（281.25 kHz，为系统时钟的256分频），其中最重要的是SPI模块输出串行同步时钟极性和相位的配置，SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。最后，发送0xff启动传输。
根据ISD4004不同相位下的SPI总线传输时序和SPI操作时序关系，要想实现STM32和ISD4004之间的SPI通信，须将其控制位CPHA和CPOL都设置为1.
3.2 SPI控制功能软件实现
3.2.1 SPI1读写字节函数
在读数据时，接收到的数据被存放在一个内部的接收缓冲器中；在写数据时，在被发送之前，数据将首先被存放在一个内部的发送缓冲器中。对SPI_DR寄存器的读操作，将返回接收缓冲器的内容；写入SPI_DR寄存器的数据将被写入发送缓冲器中。
SPI_SR是16位状态寄存器，它的最低位为RXNE，该位为0则接收缓冲为空，为1则接收缓冲非空；SPI_SR的次低位为TXE，该位为0说明发送缓冲非空，为1则发送缓冲为空。不断地查询发送/接收缓冲区是否为空，进而实现数据的有序发送和接收。
3.2.2发送指令函数
首先，语音芯片ISD4004有如下操作规则：
（1）串行外设接口，SPI协议设定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK下降沿动作，在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。
（2）上电顺序，器件延时TPUD（8 kHz采样时，约为25 ms）后才能开始操作。因此，用户发完上电指令后，必须等待TPUD，才能发出下一条操作指令。
例如，从00处放音，应遵循如下时序：
①发POWER UP命令；
②等待TPUD（上电延时）；
③发地址值为00的SET PLAY命令；
④发PLAY命令。
器件会从00地址开始放音，当出现EOM时，立即中断，停止放音。
如果从00处录音，则按以下时序：
①发POWER UP指令；
②等待TPUD（上电延时）；
③发POWER UP命令；
④等待2倍TPUD；
⑤发地址值为00的SET REC命令；
⑥发REC命令。
器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF（存储器末尾）时，录音停止。
本文首先介绍了系统总体结构，然后，给出了系统各主要功能模块的具体设计，并重点研究了基于ARM3核的STM32F103RBT6芯片与语音芯片ISD4004之间的SPI通信控制和实现技术，给出了系统设计实现结果。
最后，给出了有一定工程应用参考价值的结论。
1系统总体设计
本系统结构原理设计如图1所示。本设计利用旅游列车轨道固定的特点，在轨道沿线景点预先安装固定ID的RFID，综合考虑到作用距离、数据通信方式、可靠性、使用寿命和维护成本，选用产品433 MHz有源标签GAO C124061.其存储ID字长32 b.由于在野外自然环境中，出现碰撞的可能性极低，所以，RFID阅读器只需要正确可靠地获得RFID的ID值，与固定景点所对应，用以触发中断，开始播放该景点的语音信息。
图1中，MCU采用STM32F103RBT6芯片，该芯片是基于ARM Cortex-M3内核高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用MCU.本设计选择这款的原因是看重其性价比：128 KB FLASH、20 KB SRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RTC、51个可用I/O脚等一系列性能特征，能完全满足本系统性能要求。总结下来，STM32具有价格低、功能强、使用简单、开发方便等几个很有利的优势。ISD4004为语音录放存储芯片，根据外部控制和外围电路辅助，可随机对其进行语音录入和语音播放。系统MCU通过RFID阅读器获得旅游列车沿途RFID的固定ID，根据ID号所对应的预设语音数据存储位置的起始地址信息，通过对ISD4004内置的SPI端口进行控制，实现景点语音选段自动播放。
图1
2主要模块电路设计
2.1 ISD4004控制电路设计
ISD4004系列语音芯片工作电压为+3 V，单片录放时间8~16 min，音质好。芯片采用CMOS技术，内含时钟、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非易失性存储器阵列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI）送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内非易失性存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。芯片ISD4004内部结构和主要引脚功能如图2所示。
图2
ISD4004内部器件控制单元设置非常便于其与STM32序列芯片的SPI进行通信设置。增设STM32多个I/O口来作为对应语音芯片的片选端，即可实现多片ISD4004扩展。STM32与多片ISD4004的接口电路如图3所示。
图3
STM32和ISD4004通过SPI模块进行通信，两者MOSI、MISO脚对应相互连接，实现STM32和ISD4004之间数据串行传输（MSB位在前）。通信总是由主设备STM32发起。STM32通过MOSI脚把数据发送给ISD4004，ISD4004通过MISO引脚回传数据给STM32.
全双工通信的数据输出和数据输入是用同一个时钟信号同步的；时钟信号由主设备STM32通过SCK脚提供。
扩展为多片语音芯片后，语音信息的存储空间大大增加，便于扩充景点的语音信息量。
2.2语音录放控制电路设计
语音录放控制电路如图4所示。通过MCU的I/O控制端来控制串联调整管Q3或开关管Q1，实现系统放音或者录音。I/O端输出高电平时实现录音，输出低电平时实现放音。
图4
2.3 RFID读卡器接口电路
RFID读卡器模块使用了Philips的高集成ISO14443A读卡芯片MFRC500.RFID读卡器是一个相对独立的功能模块，其输出可通过中断状态信息和串口与外部连接。因此，系统利用STM32F103RBT6的SPI2接口实现与RFID读卡器接口之间的数据通信，从而自动获得景点位置信息，以控制选择对应景点导览语音的播放。读卡器中断状态直接与STM32F103的PD口I/O引脚连接；SPI2接口电路形式同图3类似。
3主要功能软件设计
3.1软件初始化
3.1.1外设时钟的使能
本设计中涉及的外设时钟可以通过APB2外设时钟使能寄存器来使能。当外设时钟没有启用时，软件无法读出外设寄存器的值，返回的数值始终为0.设计中用到的PA口、PB口、PD口的时钟分别通过APB2ENR寄存器的第2、3、5位来设置，SPI1的时钟通过APB2ENR的第12位来设置。
3.1.2 I/O口的初始化
本设计涉及的I/O口包括：用于控制片选扩展的PA.3、PB.0口，需设置成开端输出模式；用于实现按键控制的PA.15（录音键）、PA.0（强制停止键）等需设置为上拉输入模式；用于实现SPI通信的PA.5、PA.6、PA.7口，它们分别对应SPI1的SCK、MISO、MOSI口，应由软件设置这三个口为复用I/O口即第二功能；用于检测放音结束时语音芯片INT端低电平输出的PA.8和PD.2设置为上拉输入模式。
3.1.3外部中断的初始化
外部中断初始化中主要完成的工作是设置I/O口与中断线的对应关系、开启与该I/O口对应的线上中断/事件以及设置中断的触发条件、配置中断分组并使能中断。本设计中，将强制停止键连接到的PA.0口对应的中断触发条件设置为上升沿触发，对应的中断优先级最高；其余按键连接的I/O口对应的中断触发条件都设置为下降沿触发。把所有的中断都分配到第二组，把所有按键的次优先级设置成一样，而抢占优先级不同。其中，几个放音键连接的I/O口对应的中断共用一个中断服务程序，也就是多个中断线上的中断共用一个中断服务函数，在该中断服务程序里先对进入中断的信号进行区分（通过中断输入I/O口上的电平判断），再分别处理。
3.1.4 SPI模块的初始化
本设计中，通过对CR1寄存器的设置，将SPI1模块设置成全双工模式、软件NSS管理、主机模式、8 b MSB数据格式，并且把SPI1的波特率设置成了最低（281.25 kHz，为系统时钟的256分频），其中最重要的是SPI模块输出串行同步时钟极性和相位的配置，SPI主模块和与之通信的外设备时钟相位和极性应该一致。最后，发送0xff启动传输。
根据ISD4004不同相位下的SPI总线传输时序和SPI操作时序关系，要想实现STM32和ISD4004之间的SPI通信，须将其控制位CPHA和CPOL都设置为1.
3.2 SPI控制功能软件实现
3.2.1 SPI1读写字节函数
在读数据时，接收到的数据被存放在一个内部的接收缓冲器中；在写数据时，在被发送之前，数据将首先被存放在一个内部的发送缓冲器中。对SPI_DR寄存器的读操作，将返回接收缓冲器的内容；写入SPI_DR寄存器的数据将被写入发送缓冲器中。
SPI_SR是16位状态寄存器，它的最低位为RXNE，该位为0则接收缓冲为空，为1则接收缓冲非空；SPI_SR的次低位为TXE，该位为0说明发送缓冲非空，为1则发送缓冲为空。不断地查询发送/接收缓冲区是否为空，进而实现数据的有序发送和接收。
3.2.2发送指令函数
首先，语音芯片ISD4004有如下操作规则：
（1）串行外设接口，SPI协议设定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK下降沿动作，在时钟上升沿锁存MOSI引脚数据，在下降沿将数据送至MISO引脚。
（2）上电顺序，器件延时TPUD（8 kHz采样时，约为25 ms）后才能开始操作。因此，用户发完上电指令后，必须等待TPUD，才能发出下一条操作指令。
例如，从00处放音，应遵循如下时序：
①发POWER UP命令；
②等待TPUD（上电延时）；
③发地址值为00的SET PLAY命令；
④发PLAY命令。
器件会从00地址开始放音，当出现EOM时，立即中断，停止放音。
如果从00处录音，则按以下时序：
①发POWER UP指令；
②等待TPUD（上电延时）；
③发POWER UP命令；
④等待2倍TPUD；
⑤发地址值为00的SET REC命令；
⑥发REC命令。
器件便从00地址开始录音，一直到出现OVF（存储器末尾）时，录音停止。
3.3中断服务程序
录音中断服务程序流程如图5所示。它实现的功能是在一次长按录音键时，将一个景点的语音信息录入ISD4004中以预先设定的起始地址存储空间中，松开录音键后，本景点语音内容录音停止。每个景点的导览语音存储的位置，以其起始地址为标示。起始地址的安排根据每段语音的长度决定。每个景点语音录音时需保持录音按键锁下不松开，直至本段景点语音录音结束。
景点语音播放中断服务程序流程如图6所示。系统在获得RFID读卡器的中断申请之后，根据读卡器接口协议，MCU经SPI2接口接收到读卡器传来的数据信息，分析出RFID所含的ID信息内容，并根据ID所对应的景点位置，即原设置的景点语音首地址，将此首地址发送到ISD4004芯片组，并发送放音命令，即可实现对应景点事先录制好的导览语音自动播放。开始播放语音信息期间，ISD4004的I-N-T-端连接到了STM32的I/O口上，不断查询它的状态。当这段语音信息放完时，语音芯片ISD4004的I-N-T-端会置低，由此发送停止播放指令，则实现播音结束，并等待下一个RFID信息的输入和读卡器中断申请。
图5
图6
4系统调试测试结果
4.1录放音模块调试
对于录音模块功能的测试，采用如下的办法：对着麦克风进行放音，用示波器观察语音芯片的输入引脚是否有信号。在语音芯片输入引脚检测到信号，如图7（a）所示。
在成功录入语音后，发送放音指令在语音芯片输出引脚得到如图7（b）所示波形。
图7
4.2 SPI模块调试
在录音电路正确后，发送放音指令，在芯片对应SPI1模块功能的引脚端，可以在示波器上看到正确的时序，如图8所示。
图8（a）是片选和时钟信号输出；图8（b）和（c）分别是不停地发送0×55，在STM32 SPI1的数据发送端MOSI和数据接收端MISO得到的波形，与实际相符。
图8（a）
图8（b）
图8（c）
5结论
本文提出的系统结构简单、实用可靠，特别适用于山区自然景点的有轨旅游列车项目等，因而该系统具有很好的实用价值。可用于复杂环境下的语音导览系统实现结构，详细介绍了系统主要功能模块的实现技术和调试实验结果。