嵌入式语音暴风雨警警模块的研制

嵌入式语音暴风雨警警模块的研制

利用话路滤波器和pcm编解码器进行集体定位脉冲码调用（pcm），尤其是采用a-u节奏或量化的脉冲码调用系统（log-pcm），是目前最成熟的语音压缩收码方法，通常用于数字电话系统。PCM编码最大的优点就是音质好,编解码简单,且可以以WAV格式方便地存储。随着大规模集成电路的飞速发展,已出现很多将话路滤波器和PCM编解码器集成在一起的芯片,如TI公司TCM29C13,HARRIS公司的CD22354AE等,使得开发变得越来越简单容易。在一些嵌入式的控制系统中,当出现紧急情况或者系统出现故障时,需要及时地发出警告以提醒操作人员迅速做出反应。告警的方式一般有声、光、符号等,各自都有其优势和特点,而声音常常是最直接的,因此一般都是采用铃声警告的方式。但是操作人员往往并不知道是因为什么原因导致告警。如果在常用的警铃告警上再用语音直接说明出现的情况,提醒操作人员进行正确的相关操作,那么将会有效地避免由于操作人员判断不及时或者误判而导致的重大损失。本文讨论在嵌入式系统中,采用PCM编码的语音告警的一种实现方法。1语音我国新型意识和设计语音告警模块应当具有这些功能:首先是放音,要求能够同时发出语音告警声和警铃告警声;其次是录音,由于应用的场合不同,需要发出的语音也不尽相同,因此实际使用中如果具有录音功能那么维护更改将容易得多;再次是通信,嵌入式系统需要发出警告时,主机向语音告警模块传达相应的指令,由语音告警模块实现告警的功能。为了便于开发和维护,同时也考虑到其通用性,将语音告警模块设计成一个智能板卡不失为一种比较好的选择。嵌入式环境下的处理器最简单的有单片机,复杂些的有ARM、DSP等等,设计中考虑到语音告警的功能需求和性价比等因素,作者选用了TI公司的一款DSP:TMS320F240。该处理器广泛应用于电机控制、家用电器等领域,它是一种16位的定点DSP,运算速度20MIPS,内部具有16KW的FLASH。本模块运算速度不高,但是要求能够方便地与主机通信,同时应当具有一定容量的寻址空间以用于语音数据的保存,因此TMS320F240比较合适。TMS320F240作为语音告警模块的核心,用于整个模块的自测试、控制以及与主机之间的通信等。模块的自测试是指DSP测试自身、存储器等,主机可以访问到自测试的结果,这样可以方便地实现该模块的维护。控制主要是录音和放音,将语音编码电路的编码存入存储器或者将存储器中的语音数据送到语音解码电路。通信实现模块与主机之间的交互,以使模块执行各种操作。外部存储器包括RAM和FLASH,前者用作DSP的程序存储器和数据存储器,后者保存录取的语音数据。具体设计中,RAM一般不需要太大的容量,几兆就可以了,而FLASH的大小可以根据存储语句所占空间的需要来决定。设计2路编码/解码电路,第1路用于录音和语句告警,第2路用于警铃告警。编码/解码电路实现语音的模拟信号与数字信号的相互转换,具有A/D、D/A、滤波、编/解码等功能,支持μ律的PCM。录音时将放大后的模拟信号转换成PCM编码值,送到DSP后保存到FLASH中。在放音时将DSP送出的语音数据或警铃数据转换成模拟信号输出,信号经过放大便可连接到扬声器上。控制逻辑主要辅助DSP完成与主机的通信、录音/放音控制等功能,由CPLD编程实现。与主机之间的接口可以跟据需要选择各种总线,如ISA,VME,甚至是串行接口RS232等。作者按照某嵌入式项目的要求采用了PMC结构的PCI总线方式进行通信,取得了很好的效果。语音告警模块的原理框图如下图所示。2dsp技术在usb文件的读取语音告警模块准备好后,由主机向该模块发送录音文件名称并启动进入录音状态。此时,DSP开始接收来自第1路编码/解码电路的语音编码,同时记录录音长度。当主机发命令结束录音时,DSP将所记录的录音长度、语音编码等信息烧写到FLASH中,并将录音文件名称和在FLASH中的地址保存在语句索引表中。实际上这种方式并不是很好,作者曾尝试着在PC机环境下录音,并使用一些优秀的语音编辑软件对录音所得的语音文件进行剪辑、修改、优化等操作,再通过DSP开发环境保存到语音告警模块的存储器中,实践证明其效果非常好。然而实际使用中该方法只能是在实验室中设计者使用,用户不便于进行。3警超声设计及原理语音告警模块准备好后,由主机发送命令和语音文件名,以及警铃告警的频率。当然,也可以选择只发出语音告警或者警铃告警。语音告警根据语音文件名在语句索引表中查找,找到后根据在FLASH中的地址获取语句长度、语音编码等信息,向第1路编码/解码电路送出语音编码值实现语句告警功能。同时,根据设定值,按照某一频率间隔地输出两种频率的正弦波产生警铃声。人的听觉范围从20Hz到20KHz,频率越高声音听起来越尖。主机向语音告警模块发送两种正弦波的频率F1和F2以及两种正弦波切换输出的频率F,告警模块根据这些数据由第2路编码/解码电路交替地发出两种正弦波,产生警铃声。正弦波使用软件查表方法生成。其原理是,首先制作一个正弦表,表中共256对数据,用于记录正弦波上不同相位处的PCM编码值。相邻两对数据相位相差。为了要生成频率为(<4KHz)的正弦波,由于采样频率为8KHz,所以正弦波每个周期应包含(取整数)个点,相邻两个点相位相差。计算各个点的相位并查表取得PCM编码值后,由解码电路生成正弦波信号。8位PCM编码格式定义为PSSSQQQQ,其中P为符号位,0代