基于ARM的语音导览系统设计

0 引言

随着我国经济快速发展、城乡居民收入不断提高和闲暇时间大量增加，旅游消费进入一个快速发展的新阶段。为了解决旅游发展过程中交通的问题，基于固定轨道的旅游列车应景而生。本文研究设计了一种景点旅游列车辅助语音自动导览系统。

目前，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惟一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[1].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[2],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[3],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。

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[4?5].芯片ISD4004 内部结构和主要引脚功能如图2所示。

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。

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[6?7].

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

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