摘  要： 介紹了具有較強通用性的語音告警系統(tǒng)。系統(tǒng)通過單片機ATMEGA16控制語音芯片ISD1790，實現(xiàn)了在不同情況下提供不同的語音提示告警，且提示語音可以自行錄入。最后通過D類音頻功率放大器TPA3101D2，實現(xiàn)了高音質大音量語音輸出。
關鍵詞： 語音錄放；D類功放；ISD1790；ATMEGA16

    隨著集成電路的高速發(fā)展，越來越多的儀器、設備、家電等擁有極為方便的人機接口，如大屏幕觸摸液晶、智能語音提示等。這些人機接口極大地方便并吸引了用戶，使得系統(tǒng)中集成這樣的模塊變得越來越普及。目前語音錄放技術主要有以下3個顯著特點：(1)以高度集成的語音芯片為核心；(2)與單片機、嵌入式等控制模塊結合，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化；(3)D類功率放大越來越成熟，其效率高、體積小、音質好，成為絕大多數(shù)便攜儀器家電的功放方案。伴隨著上述三項技術的應用，使語音錄放系統(tǒng)具有功耗小、音質好、操作控制方便、性能穩(wěn)定、通用性移植性好等優(yōu)點，有很好的應用發(fā)展前景。
1 系統(tǒng)總體設計
    本文介紹的系統(tǒng)以華邦(WINBOND)公司的ISD1790語音錄放芯片為核心，通過單片機ATMEGA16智能控制，最后通過D類功率放大器TPA3101D2驅動，實現(xiàn)了測試設備語音告警功能，該系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    圖１中，上位機(安裝設備管理軟件的PC機)和下位機(ATMEGA16單片機)通過RS232信號通信，上位機送出錄音或刪除指令，下位機接收后，通過相應子程序，輸出TTL電平，驅動錄音芯片執(zhí)行相應操作。當該測試設備檢測信號超過設定的門限以及其他需要語音提示情況時，系統(tǒng)發(fā)出提示信號，通過控制下位機輸出控制信號，語音芯片播放指針指向相應語音片段，播放該段語音，完成相應操作；當使用人員需要調節(jié)聲音大小時，通過設備面板上的加減兩個語音按鍵，傳送給下位機信號，下位機通過控制錄放芯片ISD1790和功率放大器TPA3101D2音量控制引腳電平按時序變化，實現(xiàn)音量調節(jié)。
2 硬件設計
2.1 語音錄放模塊
    語音錄放芯片ISD1790在控制模塊(下位機)的控制下，可以實現(xiàn)錄音、放音、選段放音、擦除、復位、音量調節(jié)和直通等功能，具體實現(xiàn)方式如下[1]。
    (1)錄音：將麥克風接入如圖2所示麥克風接頭，單片機將ISD1790芯片REC引腳電平置低，經(jīng)大約328 ms后，芯片開始錄音，直到引腳電平拉高或芯片錄滿時結束。錄音結束后，錄音指針自動移向下一個有效地址，而放音指針則指向剛剛錄完的那段語音地址。錄音內容也可以通過電腦接口將錄好的語音直接輸入。

    (2)放音：放音操作有兩種模式：邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)。都由PLAY管腳觸發(fā)，本系統(tǒng)采用邊沿觸發(fā)放音模式。放音具體過程：單片機給PLAY管腳一個下降沿信號，經(jīng)大約216 ms后開始播放，播放指針指向語音段。在放音期間，如需停止播放，單片機再給PLAY管腳一個下降沿信號即可。放音結束后，播放指針回到剛播放語音的起始地址處。在放音期間，LED燈閃爍，以指示正在放音。
    (3)快進：播放指針指向跳到下一個語音段。實現(xiàn)方法為：單片機控制FWD端，將電平拉低并維持大約192 ms以上，啟動快進操作。當播放指針到達最后一段語音處時，再次快進，指針會返回到第一段語音。該引腳在設計時，被用作選段播放，當系統(tǒng)給出一個提示信號要求播放某段語音時，程序設定對應的快進次數(shù)，將播放指針對準需要播放的語音段。
    (4)擦除：分為全體擦除和單段擦除兩種方式，由單片機控制芯片ERASE引腳電平來實現(xiàn)。全體擦除，即擦除芯片內全部語音信息，條件是ERASE管腳被置低超過2.5 s。單段擦除，即只擦除一段已錄入的語音信息，且僅可擦除第一段或最后一段語音。如果ERASE 管腳拉低不超過2.5 s，則執(zhí)行單段擦除，但如何擦除，還要看播放指針的狀態(tài)。如果芯片空閑且播放指針指向第一段語音，則刪除第一段語音，播放指針指向新的第一段(擦除前第二段)語音；如果芯片空閑且播放指針最后一段語音，則刪除最后一段語音，播放指針指向新的最后一段(擦除前倒數(shù)第二段)語音；如果芯片空閑并且播放指針沒有指向第一或最后一段語音，則不會刪除任何語音，播放指針也不會被改變。擦除操作信號由上位機發(fā)出，在軟件界面里分別對應全體擦除和單段擦除，點按軟件中相應的按鈕，執(zhí)行相應的操作。
    (5)復位：用RESET按鍵控制此管腳，RESET管腳與地之間連接一個0.1 μF電容。按下RESET鍵，芯片將播放指針和錄音指針都放置在最后一段語音信息的位置。復位按鍵為一個按鍵，同時提供單片機復位信號。
    (6)音量調節(jié)：單片機將VOL引腳電平下拉一次，音量會減小一檔，直到到達最小檔，再次下拉，會增加音量一檔，如此循環(huán)。語音芯片總共有8個音量檔，每一檔會改變4 dB。復位操作時將音量設為最大音量。
    (7)直通：將FT管腳保持在低電平，啟動直通操作。直通操作會將語音從Analn端(引腳9)直接通往喇叭端或AUD輸出口。在錄音期間將FT引腳置低，會同時錄下直通引腳進入的語音信號。直通信號由上位機軟件發(fā)出，用于測試芯片狀態(tài)。
    語音錄放模塊的具體操作，由相應單片機子程序控制實現(xiàn)。
    音頻信號的輸入(MIC+引腳和MIC-引腳之間)和輸出(SP+引腳和SP-引腳之間)都采用了五線開關式立體聲插座，這使電路子模塊相互獨立，便于調試和維護。在輸入端，麥克風可以借用通用高音質話筒，省去了不必要的錄音電路，提高了可靠性。在輸出端，當插入通用耳機測試時，這種開關式接頭將它與到功放模塊的引腳斷開，避免相互干擾，便于故障隔離。
    振蕩電阻ROSC用來定義芯片的采樣頻率，從而決定芯片的錄放時間和錄放音質。該電路中ROSC選用80 kΩ，可根據(jù)芯片資料自行選擇。
為了提高語音信號質量，該模塊設計注意了以下幾點：
    (1)因模塊電路中有很多電源和電源地，因此PCB上每個電源和電源地之間分開走線，最后匯合。
　(2)濾波電容阻值在10 μF、4.7 μF之間或以相近值試選。
　(3)麥克風質量要好，電源要純凈，電源和地的PCB線寬大于30 mil。
　(4)自動增益控制電容、耦合電容、其他電阻電容擺放靠近芯片，使引線盡量短。
　(5)選用高品質的電容，主要是等效串聯(lián)電阻(ESR)較小的電容。
　(6)單片機控制的開關量盡量不用繼電器來實現(xiàn)，通過模擬電子路數(shù)字電平驅動。
2.2 控制模塊
　控制模塊以單片機ATMEGA16為核心，接收上位機、系統(tǒng)提示信號和操作人員發(fā)出的控制信息，直接控制芯片進行語音錄放、選擇、擦除、音量控制和復位等功能。
　(1)上位機控制信息
控制信息包括錄音、擦除(單段和全體擦除)和直通控制信號。由于設備使用時不用涉及這些控制信號，且權限較高，設定由上位機軟件發(fā)出，上位機和下位機ATMEGA16之間通過串口通信，實現(xiàn)相關操作。
上位機軟件用Visual C++ 6.0編寫，語音操作只是其中部分管理功能。
　(2)系統(tǒng)接口
在設備使用過程中，當系統(tǒng)進入某種狀態(tài)需要語音提示時，系統(tǒng)發(fā)出相關編碼的數(shù)字信號給單片機，激活相應單片機子程序，單片機輸出相應時序電平信號，將語音芯片播放指針指向相關語音，以默認的音量輸出，驅動功放，完成語音輸出。
　(3)音量控制
　在設備上設置兩個按鍵，分別將音量調高和調低。每按一下，將單片機的相應引腳置低。單片機在程序控制下，輸出兩路信號，分別控制語音芯片和功率放大芯片的放大倍數(shù)。
　語音芯片ISD1790音量控制管腳為VOL(19)管腳。該芯片音量有8檔，每一檔改變4 dB。每給該引腳加1個低電平信號，則音量增大一檔；輸入7個低電平信號，則音量減小一檔。
　功放芯片TPA3101D2音量增益有兩個引腳(GAIN0和GAIN1)，對應四檔，增益分別為20 dB、26 dB、32 dB和36 dB。
　(4)復位按鍵
　復位按鍵將觸發(fā)儀器復位，具體到語音模塊是：將單片機程序重啟和引腳電平復位；將語音芯片錄音、放音指針復位，音量最大；將功放模塊初始化。
2.3 D類功率放大
　D類功率放大[2]是目前音頻功率放大迅速發(fā)展的新技術，其效率高、音質好、耗電低、發(fā)熱少，適合薄型化、便攜式設備。
　D類功放首先將輸入的音頻信號與一個固定頻率(一般250 kHz)的三角波相比較，形成一個脈沖寬度調制的方波信號(PWM)。每個脈沖寬度實時體現(xiàn)了輸入信號的幅度，將此信號送到由開關管所組成的功率放大器進行脈沖功率放大，輸出的信號再經(jīng)過一個低通濾波器進行解調，得到音頻信號推動揚聲器發(fā)聲。D類功放原理圖如圖３所示。

　本設計選擇德州儀器公司的TPA3101D2芯片[3]，其供電范圍大(0.3 V~30 V)、效率高(87%)、增益可選(20、26、32、36 dB)，是一立體聲的D類功放，可以同時驅動左右兩個揚聲器。
　功放電路原理簡單、使用方便，在此不再詳述。但是在方案選擇時須注意：因D類音頻放大器一般驅動的揚聲器輸入阻抗比較小(8 Ω)，而以前功放、揚聲器匹配電阻一般比較大(20 kΩ)，因此，要注意阻抗匹配問題。
3 軟件設計
　軟件設計主要包括上位機軟件和下位機軟件設計。
　上位機軟件設計主要是為管理測試設備設計的。與語音模塊相關的主要是語音錄入、擦除和直通測試，在軟件界面下調用這些功能，通過計算機串口，將指令傳給下位機，執(zhí)行相應功能。
　下位機軟件是ATMEGA16的工作程序，其框圖如圖4所示。首先軟件開始并初始化輸出端口，控制語音芯片和功放處于低功耗狀態(tài)；然后掃描ATMEGA16單片機輸入(PA口和串口)，如果輸入沒有狀態(tài)變化，則保持語音模塊待機狀態(tài)；當輸入信號發(fā)生變化，則判斷并啟動相應子程序，在程序控制下，單片機輸出口狀態(tài)按時序發(fā)生相應變化，執(zhí)行相應操作；執(zhí)行結束，返回。

　本文介紹了一種現(xiàn)代儀器設備、家電等的智能語音人機接口的實現(xiàn)方案，該方案實現(xiàn)了目前語音錄放技術方案的3個特點，且各個模塊相互獨立、更改移植方便、以現(xiàn)代最新推出的芯片為核心、高度集成、性能穩(wěn)定。本文提出的方案解決了許多實現(xiàn)具體細節(jié)問題。該模塊已經(jīng)加裝到某測試設備用于語音告警，經(jīng)過較長時間應用表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、后續(xù)維護次數(shù)少，而且其音質好、效率高、發(fā)熱少、控制靈活、錄放保存穩(wěn)定等。
參考文獻
[1] Winbond Electronics Corporation. ISD1700 series device user guide. 2005.
[2] 孫肖子.模擬電子電路及技術基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.
[3] Texas Instruments Incorporated. TPA3101D2 device user guide. 2006.