基于ISD1420的高響度語音電路設計

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2語音信號控制

2.1語音電路構成
　　
　　根據訓練要求，語音電路在起跑前10秒發出“長提示音”一聲，然后每隔一秒發“短提示音”一聲，計時回零時發“發令槍聲”(發聲規律可調)。
　　
　　語音部分電路設計見圖2。“提示音”與“起跑槍聲”由語音存儲/再生芯片ISD1420分段存儲，ISD1420輸出的音頻信號經電容耦合到兩片集成功率放大器TDA2003構成的BTL功放電路，最后由揚聲器輸出。MAX232將PLC送過來的RS?232電平信號轉換成TTL電平并送到單片機AT89C51，AT89C51根據PLC的指令，通過P3.6控制ISD1420的放音，P3.2～P3.5用來調整放音地址。MAX813L則作為看門狗為單片機AT89C51提供上電復位和運行監控，由P3.7提供喂狗信號。

2.2語音電路特性
　　
　　選用語音存儲/再生芯片ISD1420。該電路采用EEPROM存儲方法將模擬語音數據直接寫入半導體存儲單元中，具有音質自然、可反復錄放、抗干擾、低功耗等許多優點。ISD1420放音時間為20秒；最多可分為160段，每段段長最少125ms；輸入采樣6.4kHz；100000次錄音周期；5V單電源供電，放音電流15mA，維持電流0.5μA。完全滿足設計需要。使用28引腳的DIP封裝芯片，引腳功能見參考文獻［5］。

　　地址引腳(A0～A7)有兩個作用，取決于A7、A6的狀態。當A7或A6有一個為“0”時，A0～A7解釋為地址位，作為當前錄放操作的起始地址。我們設計的電路使用了A0～A7的地址位功能。ISD1420的地址空間分配見表1。?

　　根據需要，語音信號分為“提示音”和“發令槍聲”兩段存儲數據，“長提示音”或“短提示音”則由放音時間來區分。利用A0～A7引腳的地址功能，將ISD1420的內部存儲空間分成兩部分。20秒存儲空間分為前8秒存儲“提示音”，后12秒存儲“發令槍聲”。本設計對語音信號的音質要求并不高，所以語音數據事先由模擬方式錄入。由于實際放音持續時間都小于存儲的時間(8秒、12秒)，可以通過調整語音芯片的低位地址A0、A1、A2(P3.2～P3.4控制)來選擇合適的數據段播放。
　　
　　如圖2所示，語音電路在現場使用時只受控放音，
　　
AT89C51的P3.6控制，放音時間長短由P3.6低電平保持時間決定。放音地址則由P3.2～P3.5決定。P3.5=0為“提示音”地址；P3.5=1為“發令槍聲”地址，P3.2～P3.4為地址微調。何時放音、放哪段聲音、放多長時間均由PLC發布命令。

2.3BTL功放電路
　　
　　起跑裝置要求在無交流電源時，可用電瓶供電，所以電源設定為12V。由于在戶外使用，要求發出的聲音具有一定的響度，即要求語音電路有較大功率輸出。ISD1420內部輸出級帶有放大器，其直接的揚聲器驅動功率為12.2mW(16Ω負載)，這距離我們的實際需要相差很大，因此后級功放必須保證能在低電壓下輸出大功率信號，以推動揚聲器發聲。
　　
　　要在單電源低電壓條件下輸出大功率信號，功放電路選擇橋接式無變壓器輸出電路(即BTL電路)，其基本工作原理由圖3所示的分立元件BTL電路簡圖說明。圖中有四個輸出管VT₁～VT₄，揚聲器接在兩個輸出端之間。在輸入信號u的正半周，VT₁、VT₄導通，VT₂、VT₃截止，輸出電流如圖中I₁所示。在輸入信號u的負半周，VT₂、VT₃導通，VT₁、VT₄截止，輸出電流如圖中I₂所示。正、負半周，揚聲器上的電位差方向相反，大小相等，都接近電源電壓，所以對電源的利用率很高。理論上BTL電路效率可達78.5%。?
　　
　　實際使用的電路如圖2所示，兩片10W集成功率放大器TDA2003接成BTL電路形式，通過電容與揚聲器直接耦合，利用同時“推”“挽”的原理，揚聲器上正弦波峰峰值電壓近似為電源電壓的兩倍。輸出基本能滿足要求。

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3軟件設計
　　
　　AT89C51的軟件設計相對簡單。主要包括與PLC的串行通訊程序(12MHz晶振、4800波特率、八位異步方式)，放音控制程序，顯示控制程序及喂狗程序。由于都是常規的方法，這里不在贅述。?

4結論
　　
　　本起跑訓練裝置的語音環節結構簡單，成本較低，調整方便，可靠性高，實際使用證明能夠滿足場地自行車訓練要求。通過適當調整，該環節可用于其他場地競賽訓練。同時，該設計也為智能儀器提供較大功率語音信號輸出給出了有益的嘗試。?

參考文獻

［1］朱民雄，等.計算機語音技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.
［2］STMICRO DataSheet. TDA2003?10W Car Radio Audio Amplifier［EB/OL］. ［3］ISD DataSheet. ISD1400 Series Single?Chip Voice Record/Playback Devices［EB/OL］.
［4］鄧寬林.如何利用集成功放構成BTL電路［J］.現代電子技術，2003，(14).
［5］張守波，郭松林.高保真語音錄放電路及其在儀器中的應用［J］.儀表技術，2004，(3).