接口技术-人机对话接口电路设计与实现

中图分类号:TP273+.5 文献标识码:A 文章编号:1009-2552(2009)07-0035-04
人机对话接口电路设计与实现
徐伟业1,宋宇飞1,纪贤宝1,虞湘宾2
(1.南京工程学院通信工程学院,南京210013; 2.南京航空航天大学信息科学与技术学院,南京210016)
摘　要:语音是人类交往的重要手段,当被应用在电子系统中关键的一点就是人机界面要良好。

文中就语音或其他音频信号的人机交互设计了一种实用、良好的接口电路,该电路可以应用到不同的语音智能控制系统中。

关键词:IS D4004;串行外设接口(SPI);语音入Π出
Design and implementation of hum an2m achine
dialogue interface circuit
X U Wei2ye1,S ONG Y u2fei1,J I X ian2bao1,Y U X iang2bin2
(1.College of Communication E ngineering,N anjing I nstitute of T echnology,N anjing210013,China;
2.School of I nform ation Science and T echnology,N anjing U niversity of Aeronautics
and Astronautics,N anjing210016,China)
Abstract:V oice is a very im portant way in human2communication.Excellent human2machine interface becomes a key point in electronic system.A practical and g ood human2machine interface circuit is designed for v oice or other audio signals in this paper.Besides,this circuit can be applied in different v oice intelligent control system.
K ey w ords:IS D4004;serial peripheral interface;v oice IΠO
0　引言
随着通信技术与计算机技术的发展,除了人与人之间的自然语言的通信方式之外,人机对话及智能控制等领域也开始使用语言了,从而使语音合成,语音识别,语音存储和语音回放技术得到越来越广泛的应用。

本文就语音或其他音频信号的人机交互设计了一种实用、良好的接口电路并且该电路可以应用到不同的语音智能控制系统中。

1　方案选定
一个基本的语音接口电路一般需要语音采集、语音存储、语音再现以及语音控制几个模块。

语音采集是整个系统的最前端,它是系统与外界的一个接口。

语音的采集可以是非电量,也可以是电量,这取决于所需要的控制电路。

如果是电量采集需要通过相关电路将非电量转换成电量。

语音存储是将采集后的语音信号(一般来说,这时的语音信号已经由连续的语音信号转换为离散、量化的数字量)存储于存储器中。

考虑到语音存储时间和存储器利用率,会对语音信号进行压缩。

语音再现是对存储器中的语音信号进行回放,并且在某限定的参数要求或语音标准下确保再现的语音信号质量。

语音控制就是将上述三个模块合理地安排,使整个电路满足语音控制的人性化要求。

设计这样的电路方案有很多种,但考虑到成本、性能、实用性以及智能化等方面,本文电路选择单片机加语音芯片的架构。

众所周知,单片机凭借其集
收稿日期:2008-12-26
基金项目:南京工程学院院级科研基金项目(K X J06038)
作者简介:徐伟业(1977-),女,讲师,硕士研究生,2007年硕士毕业于河海大学,主要研究方向为智能电路设计与数字图像
处理。

成度高、体积小、可靠性高,控制功能强,电压低、功耗低等特点而赢得优异的性能价格比。

因为接口电路可能作一些小的修改移植到不同的控制电路里,这里选择AT ME L公司生产的可在线擦写的AT89S51芯片。

语音芯片也有很多种类,且随着技术的发展,新产品的不断涌现,使芯片的价格不断走低,而且设计控制也随着集成技术的发展由极为复杂变得非常简单,但是,如何选择这些芯片以达到最佳的性价比?从以下四个方面考虑语音芯片的选择。

(1)语音内容录制到语音芯片后,内容是否要经常修改。

(2)看语音录制的长度。

(3)看要求的语音回放音质。

(4)芯片价格与电路应用场合的匹配。

综合几方面考虑,由美国IS D公司制造的IS D4004系列芯片符合多方要求。

IS D4004是一种微控制器“从”设备;工作电压为3V;单片录放时间为8～16分钟;采用多电平直接模拟量存储技术,能非常真实、自然地再现语音、音调和效果声;内含振荡器、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闪存阵列;片内信息存于闪存中,可在断电情况下保存100年;可反复录音10万次。

为了达到正常听觉效果,这里选择IS D4004208M (以下简称IS D)。

2　电路设计
2.1　硬件设计
2.1.1　电源设计
由于语音芯片IS D的工作电压为3V,而单片机的工作电压为5V,因此二者供电时需要进行电压转换,本文使用一个LM317将电源电压5V转换为3V 为IS D供电。

2.1.2　语音采集与存储
因为IS D采用多电平直接模拟量存储技术,所以在语音采集的时候非常方便,只要通过麦克风讲话从芯片的同相模拟输入端(ANA I N+)输入便可,此时可把反相模拟输入端(ANA I N-)通过耦合电容接地。

考虑到采集的语音信号可能来自计算机,也可以附加一条音频线随时准备与计算机声卡输出接口相连。

当对采集的语音信号进行存储时,由软件自动判断语音采集的开始与结束。

2.1.3　信号传输与控制设计
单片机的IΠO口很丰富,其中P1口为准双向口,P3口为多功能口。

定义P1.0,P1.1连接的两个发光二极管作为人机接口的视觉提示灯,分别提示采集与重现过程;P1.2和P1.3连接的两个按键分别作为人-机、机-人语音交互控制键。

P1.6控制IS D的片选(ΠSS),P1.7控制IS D的串行输入(MOSI),在芯片串行时钟(SC LK)上升沿时,数据通过MOSI传送锁存到IS D。

P3.3接芯片中断(ΠI NT), P3.2接芯片串行时钟(SC LK)。

RESET接复位按键,用来对单片机寄存器清零。

电路原理图如图1与图2
所示。

图1　AT89S51控制电路原理图
2.1.4　语音再现设计
语音再现电路比较简单,只要在IS D的音频输出端(AUDOUT)接一滤波电容加一个扬声器就可以了。

当采集存储的语音信号需要再现时,就触动
机-人语音交互控制键。

图2　IS D受控电路原理图
2.2　软件设计
软件设计主要是按硬件设计完成人机交互的控制流程,在程序设计时考虑到接口的实用性,采用信号检测与查询的方式进行控制。

电路接通电源后一
直对控制键进行查询,一旦某键有驱动信号,判断控键指示,然后转向相应的子程序执行。

具体过程见流程图图3所示。

图3　软件设计流程图
前面提到过IS D 是一种微控制器“从”设备,它
工作于SPI 串行接口。

SPI (Serial Peripheral Interface )全名串行外设接口,是由MOT ORO LA 公司开发的全双工同步串行总线接口,该接口一般使用4条线:串行时钟线(SC LK )、主机输入Π从机输出数据线(MIS O )、主机输出Π从机输入数据线(MOSI )和低电
平有效的从机选择线(SS )。

由于SPI 系统总线一共只需3～4位数据线和控制即可与各种I ΠO 器件进行接口,因此,采用SPI 总线接口可以简化电路设计,节省很多常规电路中的接口器件和I ΠO 口线,提高设计的可靠性。

对于不带SPI 串行总线接口的MCS51系列单片机来说,可以使用软件来模拟SPI
的操作,包括串行时钟、数据输入和数据输出。

IS D 的SPI 协议内容较多,必须严格按照协议编
制程序才能实现与主设备AT 89S51的正确通信。

本文由于篇幅关系不再给出,但可以由具体的程序作一些说明。

以主从器件之间的主机输入Π从机输出的子程序为例:MOSI :
C LR SS ;选中IS
D C LR MOSI ;清串口C LR SC LK ;时钟输出为1MOV R0,#8;置循环次数8MOSI LOOP :
STE B SC LK ;时钟SC LK 为1NOP NOP ;延时
MOV MOSI ,C ;进位C 送MOSI R LC A ;带进位循环左移NOP
NOP
C LR SC LK ;时钟SC LK 为0
D JNZ R0,MOSI LOOP ;判断是否循环8次SET B SS ;关片选;RET ;返回
给出了用89S51单片机与IS D 进行SPI 串行通信程序,体现的协议内容是片选SS 在传输期间必须保持为低电平,8位数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。

经过8次循环,将8位数据送到MOSI 。

在程序设计中,无论是人机交互的语音采集还是机人交互的语音再现,与之相应的地址要送到IS D ,而且遵循上电顺序。

如从地址00H 处录音,则
按以下时序:发上电命令;等待(上电延时,8kH z 采
样时延时约25ms );发地址值为00的SETREC 命令;发REC 命令。

器件便从00地址开始录音,一直到出现OVF (存贮器末尾)时或遇到stop 命令,采集停止。

所用指令可参考IS D 的SPI 指令表。

如语音采集子程序:C O LLECT:
C LR SS ;选中IS D
LC A LL UP ;调用IS D 上电程序LC A LL Y S25;调用25ms 延时程序SET B KEY 2;接受按键重录MOV A ,X ;语音寄存;
LC A LL REC ADD ;调用SETREC 指令存放程序MOV A ,ADDR LI ;低8位地址
LC A LL MOSI ;调用MOSI 数据传输程序,以便
将控制码与地址码送到IS D
MOV A ,ADDRHI ;高8位地址LC A LL MOSI
MOV A ,SETREC ;控制指令SETREC LC A LL MOSI SET B SS ;关片选
…
当单片机查询到语音采集控键KEY 2按下,转入语音采集子程序。

因为IS D 语音芯片的控制指令格式是由8位控制码加16位地址码组成的,而单片机仅传送8位数据,所以一次控制指令要分3次传送,根据指令排列,先传送16位地址码再传送8位控制码。

就如上面程序,先传送低8位地址A D DR LI ,后高8位地址A D DRHI ,再传送控制指令SETREC 从指定地址开始录音。

再传送REC 从当前地址开始录音。

3　测试与性能评估
3.1　测试
设计的接口电路经过实验测试,目前的交互时间最长可以达到8分钟,可以方便地进行语音采集与释放且音质无噪、真实,达到预期设计要求与需要。

如果要进行语音或音频预警或者其他相关的音频接口应用,可以直接引用此电路,只要把控键去掉,将外部的驱动信号与相应的端口相连,在软件的查询下,判断是什么样的驱动信号。

也可以依照此电路软、硬件设计进行适当的改变便可。

3.2　性能评估
该接口电路在实际应用中存在两滚限制条件:采集质量与持续时间。

要解决这两个问题主要从语音芯片本身着手。

音频信号频率范围20H z～20kH z,人的语音信号频率范围在20H z～3400H z,按照奈奎斯特抽样定理, 6.8kH z采样就可以无失真恢复录制的语音信号, 8kH z采样可以去除一定的频谱混叠,较好地完成语音的重播。

但是采样频率越高,需要的存储容量就越大,而IS D4004系列各个型号的内存容量是一样的,因此,在一定的存储容量下,持续时间与播放质量成为一对矛盾,因此也制约了芯片的选择。

IS D4004系列芯片在不同采集频率下的持续时间关系如表1所示。

从表1可以看出如果用6.4kH z 或以下的采样频率,存储时间可相应的延长,但同时语音中的高频部分会有损失,采样频率越低,损失越大,当采样频率降低到4kH z左右时,如果单词、词组发音区别较大尚可分辨,但发音相近就不容易分辨了。

因此,在一片IS D情况下,可根据具体应用场合作具体的选择、考虑。

在成本计算不主要的情况下,还可以用片选端SS级联扩展存储容量以增加存储时间。

芯片之间可以任意组合,如将IS D4004-08M 与IS D4004-16M级联,重要的内容存入前者,不重要的内容存入后者。

这样可以将持续时间延长到将近半小时。

表1　IS D4004各型号参数表
IS D4004采样频率持续时间IS D4004-08M8kH z8分钟
IS D4004-10M 6.4kH z10分钟
IS D4004-12M 5.3kH z12分钟
IS D4004-16M4kH z16分钟
4　结束语
本电路经过不同的改装可应用到不同的电路中去,如用于语音中介、语音公交报站、语音驾驶提示,高危音频报警(非语音,但有频率限制,高频不应超过4kH z)等等各种与语音或者音频有关应用电路。

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责任编辑:肖滨
(上接第34页)
3　结束语
TPM芯片目前已广泛应用到PC中,极大地增强了平台的安全性。

这样的安全性增强是通过TPM 功能设计和比较安全的构架完成的,但考虑在任意TPM命令执行序列下,TPM系统状态是否安全的判定属于NP2com plete问题,只有在特定的条件下可解,同时,通过对TPM接口的两个基本密码功能的执行时间进行测试,可以看出TPM芯片构造和命令实现模块设计的独立性和性能。

参考文献:
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