多功能語音人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1 引言

指紋門禁系統(tǒng)、pos系統(tǒng)(電子收款系統(tǒng))、atm（自動(dòng)取款機(jī)）等嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)都需要友好的人機(jī)接口，高端應(yīng)用的人機(jī)接口一般都采用觸摸屏，但價(jià)格高，一般性應(yīng)用難以接受。觸摸屏加鍵盤模式的應(yīng)用目前只見于各大銀行的atm機(jī)上。所以開發(fā)一款簡(jiǎn)單易用且價(jià)格低廉的人機(jī)接口產(chǎn)品有著重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。筆者采用微控制器控制鍵盤、液晶顯示、語音芯片、標(biāo)準(zhǔn)通信口來實(shí)現(xiàn)語音人機(jī)接口模塊。該語音人機(jī)模塊具有接口友好、實(shí)現(xiàn)方便、成本低廉等特點(diǎn)。它適應(yīng)于成本敏感，主處理器處理能力強(qiáng)大但控制能力弱的場(chǎng)合。

筆者設(shè)計(jì)的人機(jī)接口模塊已應(yīng)用于某指紋門禁系統(tǒng)中。該系統(tǒng)中，主處理器(dsp，數(shù)字信號(hào)處理器)主要用來處理指紋算法(指紋增強(qiáng)、二值化、細(xì)化、特征提取及特征匹配等)．如果要求主處理器擴(kuò)展適當(dāng)外圍電路來實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口．勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的處理速度，因?yàn)橹讣y處理算法有著很高的時(shí)間和空間復(fù)雜度。將占用絕大部分處理器資源。采用該智能語音人機(jī)接口模塊后．微控制器通過rs232接口與主處理器(dsp)交換數(shù)據(jù)，大大提高了指紋處理程序的運(yùn)行速度，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

2 人機(jī)接口模塊總體設(shè)計(jì)

人機(jī)接口模塊主要由at89c51型微控制器、isd2560型語音錄放器件、lcml602型液晶顯示、rs232接口、鍵盤和控制執(zhí)行單元組成。人機(jī)接口模塊組成框圖如圖1所示。

微控制器負(fù)責(zé)整個(gè)模塊的功能控制和與主處理器的通信。鍵盤用來接收用戶輸入信號(hào)。語音錄放單元實(shí)現(xiàn)交互提示語言的錄制和播放。液晶顯示單元輔助用戶輸入并為用戶顯示提示信息(包括在模塊開發(fā)調(diào)試過程中的調(diào)試信息)。控制執(zhí)行單元屬于可選用單元，針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行取舍。指紋門禁系統(tǒng)中需要控制執(zhí)行單元來彈開電子鎖。

3 各組成單元的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

下面以人機(jī)模塊的4個(gè)主要組成單元來說明。重點(diǎn)論述語音錄放電路單元和液晶顯示接口單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出調(diào)試通過的匯編源代碼。

3．1 鍵盤、控制執(zhí)行單元

鍵盤是4×4結(jié)構(gòu)，微控制器從p1口通過掃描方式接收鍵盤輸入信息?？刂茍?zhí)行單元由基本三極管電路驅(qū)動(dòng)繼電器，通過微控制器的通用i／o口來控制。鍵盤、控制執(zhí)行單元易于實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述。

3．2 rs232接口單元

采用帶有1個(gè)uart[1](通用異步收發(fā)器)的微控制器，用uart來實(shí)現(xiàn)rs232接口是非常容易的。原因在于，uart的收發(fā)協(xié)議與rs232接口是一致的，只存在電氣特性上的差異。故uart只需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換即可配置成rs232串口。

利用max232來實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，將uart轉(zhuǎn)換為rs232串口。電路圖如圖2所示。

3．3 語音錄放單元

為了使本系統(tǒng)的人機(jī)接口更加友好．采用了用戶易于接受的語音交互方式。語音播放單元選用的語音器件是isd2560。isd2560是美國isd(information storage devices)公司的高性能單片語音錄放集成電路，具有音質(zhì)好、斷電信息不丟失及與微處理器接口方便等特點(diǎn)，并且只需很少的外圍電路就能組成語音錄放基本電路[2]。

介紹isd2500系列的文獻(xiàn)很多，故對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介紹從略。下面重點(diǎn)探討isd2560在此模塊中與微控制器的硬件接口設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)。

isd2560主要有3類信號(hào)．分別是錄放控制信號(hào)：p／r、ce、pda0-a9；級(jí)聯(lián)及放音狀態(tài)指示信號(hào)：ovf、eom；模擬語音輸入輸出信號(hào)：mic、micref、sp+和sp-。主要信號(hào)的功能如表1所列。isd2560與微控制器的接口電路如圖3所示。

isd2560的錄音總長(zhǎng)度為60 s，要使語音器件分段錄放音，只需給出錄音或放音的起始地址。微控制器的p0口（p0口有一4．7 kω的上拉電阻1與p3．6、p3．7配合作為語音器件的地址輸入．但當(dāng)：p3．6與p3．7均為高電平時(shí)(即a8與a9為高電平)，a0-a6分別對(duì)應(yīng)isd2560的7種工作模式(其中a2對(duì)應(yīng)m2為保留待用模式)。a0-a6作為模式控制輸入時(shí)，高電平有效。例如當(dāng)a8、a9和a3均為高電平時(shí)，語音器件工作在循環(huán)放音模式m3下。微處理器的通用i／0口p2．2、p2．3和p2．4分別接至語音器件的控制輸入端p／r、pd和ce，用來控制語音器件的錄放及功耗。每段錄音結(jié)束處，isd2560會(huì)自動(dòng)插入信息結(jié)束標(biāo)記麗eom(end-of-message)，這樣在播放語音至信息段尾時(shí)，在eom引腳上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)12．5ms的低電平脈沖。將eom接至微控制器的中斷輸入口int0。就會(huì)在每段信息播放完畢后觸發(fā)微控制器中斷。在中斷子程序中，可以重新設(shè)定語音器件的地址，然后緊接著播放與上一段信息連貫的詞句，從而實(shí)現(xiàn)片斷語句的連續(xù)組合播放。這種硬件連接有助于節(jié)省語音時(shí)間資源。從而大大節(jié)省硬件成本。

控制錄音和放音的基本時(shí)序如圖4所示。編寫控制語音器件錄放程序時(shí)，圖4中標(biāo)示出的幾個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間參數(shù)是需要重點(diǎn)注意的。由于各控制信號(hào)(p/r、pd、a0-a9)都是在使能信號(hào)ce的下降沿采樣，故采樣前這些控制信號(hào)都必須穩(wěn)定建立，采樣后必須保持一段時(shí)間．以確保正確精準(zhǔn)的采樣，避免語音器件的誤動(dòng)作。tsetc和tseta分別是p／r和a0-a9的建立時(shí)間；tpud是器件從省電模式中退出后，能進(jìn)行正常工作的時(shí)間延遲．也可理解為pd的建立時(shí)間；thold是p／r和a0-a9的保持時(shí)間。另外，需要注意的是．錄音過程中．ce在mic輸入的過程中始終要保持低電平，一旦ce或pd變?yōu)楦唠娖?，錄音將停止。而在放音過程中，ce只需持續(xù)低電平tcep(典型值為100 ns)時(shí)間即可。

理解微控制器與isd2560時(shí)序上的這些特點(diǎn)后，給出微控制器控制語音器件錄音和放音的程序代碼。限于篇幅，只給出錄放音的核心控制代碼：

需要注意的是，上述代碼實(shí)現(xiàn)的功能是整片錄音然后整片放音。如果需要分段錄音、放音，只需要改動(dòng)錄放音的起始地址(由p0、a8、a9給出)及錄放音的等待延遲即可。開始錄入語音或錄制完畢時(shí)．最好有液晶顯示或某一特定指示燈亮，用來提示用戶錄音的開始與結(jié)束。而放音時(shí)，只需給出待播放語音段的起始地址和足夠的等待時(shí)間，放音過程遇到信息結(jié)束標(biāo)志后會(huì)自動(dòng)結(jié)束。限于篇幅，代碼中省略了液晶顯示的提示(需要實(shí)現(xiàn)液晶顯示時(shí)，只需給出待顯示碼及有關(guān)控制命令，直接調(diào)用下文給出的液晶接口子程序可以很方便實(shí)現(xiàn))。全部代碼都已調(diào)試通過，加上延遲子程序后可直接拷貝使用。

在特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如需要播放更長(zhǎng)的語音信息．可以利用溢出標(biāo)志信號(hào)(0vf)來實(shí)現(xiàn)多個(gè)語音器件的級(jí)聯(lián)。

3．4 液晶顯示功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從節(jié)約成本及提高系統(tǒng)可靠性的角度考慮，為實(shí)現(xiàn)液晶顯示功能，本設(shè)計(jì)選用通用lcm(液晶模塊)。lcm重量輕、體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、工作溫度寬，可顯示多達(dá)192種常用字符(包括所有大小寫字母及常用符號(hào))，還可自編8種顯示字符以滿足特殊的顯示需求。值得一提的是，lcm指令功能強(qiáng)大．可以組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的應(yīng)用需求。lcm內(nèi)部集成了液晶控制(一般兼帶驅(qū)動(dòng)功能)芯片，向外提供數(shù)據(jù)傳輸及控制線接口．與微控制器(或微處理器)接口方便[3]。

圖5給出lcm與微控制器的接口，下面介紹各接口線的功能。

lcm由+5v電壓供電，液晶驅(qū)動(dòng)電壓v0由20kω電位器分壓得到。可通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)顯示屏的對(duì)比度。當(dāng)確認(rèn)指令控制正確，但屏上看不到顯示結(jié)果時(shí)，不要輕易懷疑lcm已壞。這往往是由于液晶顯示的驅(qū)動(dòng)電壓不夠而引起的，此時(shí)．可調(diào)節(jié)電位器，直至看到清晰的輸出。bl1、bl2(有的數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)為a、k)分別是lcm背光燈(此lcm是光反射原理顯示的，在光線不足條件下，很難看清其顯示，這時(shí)必須要有背光才能看到其顯示)的陽極與陰極。如果不需要控制背光的亮滅，可直接接至+5 v電源兩端，讓背光燈在模塊上電后一直點(diǎn)亮。

微控制器的p0口復(fù)用(上文設(shè)計(jì)中已作為isd2560的地址選擇信號(hào))作為lcm的數(shù)據(jù)總線 (db0一db7)，p2．5、p2．6、p2．7分別控制lcm的使能信號(hào)e、讀寫控制信號(hào)r／w、寄存器選擇信號(hào)rs。數(shù)據(jù)總線是傳送指令及顯示數(shù)據(jù)的通道；使能信號(hào)e為下跳變有效；讀寫控制信號(hào)r／w用來控制數(shù)據(jù)讀寫，高電平時(shí)為從lcm的內(nèi)部寄存器中讀取數(shù)據(jù)．低電平時(shí)，向lcm的內(nèi)部寄存器中寫入數(shù)據(jù)。rs是寄存器選擇控制信號(hào)，其高、低電平分別選擇數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器。

要編寫微控制器訪問控制lcm的程序代碼．必須徹底理解lcm的訪問控制時(shí)序，如圖6所示。

圖6的簡(jiǎn)要說明：rs在訪問期間，具體的電平取決于所訪問的寄存器類型。r／w(read)、r／w(write)分別與其他控制信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)構(gòu)成完整的lcm讀、寫控制時(shí)序。at89c51執(zhí)行一條單周期指令的時(shí)間為1μs(選用12 mhz晶體時(shí))。tcs、tch、tweh、tdh、tce都是ns(納秒)級(jí)的量，因而只需順序給出指令即可滿足時(shí)序要求。需要指出是tds在讀寫操作時(shí)的意義是不同的。在讀操作時(shí)，tds表示數(shù)據(jù)輸出的延遲(最大值100 ns)；在寫操作時(shí)，表示待寫入數(shù)據(jù)的最小建立時(shí)間(40 ns)。程序中的nop指令是為了保證最低時(shí)序要求有較充分的裕度。以確保高度的可靠性。

上述代碼全部通過調(diào)試，運(yùn)行正確穩(wěn)定，可直接拷貝使用。

4 結(jié)束語

該人機(jī)接口模塊所有功能均已調(diào)試通過，工作穩(wěn)定可靠。

模塊提供有+3.3v電壓及備用i／o接口引出線．為將來擴(kuò)展之用。如可采用低電壓版本的微控制器(at89lv5l、w78le51等)，這種微控制器的引腳電平與主處理器的引腳電平兼容。硬件上可以直接連接。閑置的i／o線可擴(kuò)展i2c接口的e2prom，用來存儲(chǔ)需長(zhǎng)時(shí)間保存的數(shù)據(jù)。

本模塊可擴(kuò)展，裁剪性強(qiáng)，針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)合增加或刪除某些單元電路即可實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的人機(jī)接口。