總體設計

　　語音測距系統要求實現以下功能：運動靶車入庫時，超聲波模塊（集成溫度補償）即實時測量靶車與庫區極限位置之間的距離，操作者按下遙控器，語音播報模塊激活，開始播報測量數據。

　　溫度測量采用1-Wire 器件DS18B20實現，語音播報的核心器件是華邦公司出品的ISD1730，單片機選用51系列AT89S51。除此之外，還有LCD顯示、矩陣鍵盤、紅外遙控等單元，其中語音芯片ISD1700是整個系統的關鍵器件，本文著重介紹ISD1730的性能特點、電路設計及編程要點。圖1是系統結構框圖。

　　圖1 總體結構框圖

　　ISD1730是一種高集成度、高性能、高音質的語音錄放芯片，內部含有自動增益控制、麥克風前置放大器、揚聲器驅動等電路;可處理多達255段語音信息，可以多段錄音并由片內專門的存儲系統來管理;采樣率可在4KHz至12KHz間調節，支持獨立按鍵和SPI兩種操作模式;帶負載能力強，可直接驅動小型揚聲器;具有4 種預設音效，錄音數據存儲在FLASH 內，不經任何壓縮，因此有較好的音質。

　　為便于單片機控制，本文將ISD1730置于SPI工作模式，根據芯片手冊，ISD1730可直接驅動8Ω阻抗揚聲器或普通耳機，但為增強帶負載能力，保證語音傳輸距離，在ISD1730的后置環節設計了功率放大電路—LM386，見圖2所示，功率放大電路能提供50倍以上的增益，可以驅動阻抗16Ω的揚聲器。

　　圖2 ISD1730語音錄放系統

　　超聲波測距單元

　　結合庫區的實際，本文采用分立元件，自行設計超聲波測距電路，如圖3所示。超聲波探頭中心頻率為40kHz，方向角60度，工作溫度-20—70℃，能滿足庫區工作的需要。圖4是設計的超聲波測距模塊實物。

　　圖3 超聲波測距單元原理圖

　　其他單元

　　其余單元功能如下，LCD單元用來顯示實驗數據，便于系統調試。矩陣鍵盤單元用來實現按鍵輸入;紅外遙控單元負責整個系統的觸發，一體化紅外接收頭與單片機Int0連接，當用戶按下遙控器按鍵時，Int0產生中斷，單片機發出語音播報指令。

　　軟件編程

　　ISD1730軟件設計

　　SPI相關命令

　　SPI模式下，ISD1730相關命令如表1所示。注意芯片管腳2連接一只藍色LED，用以指示語音芯片工作狀態，為使能此LED，所有的指令碼bit4必須置1。

　　表1 ISD1730相關命令

　　ISD1730編程要點

　　ISD1730采用flash作為存儲器，內存地址0x00~0xff，其中0x00~0x0f為音效存儲單元。實現語音播報，需預先錄制距離數據，下列數組可以作為數據緩存：

　　unsigned char code voic_mem［］={ //定義語音儲存單元

　　0x10，0x13，0x14，0x17， //語音“0”、“1”起始地址和結束地址

　　0x18，0x1b，0x1c，0x1f， //語音“2”、“3”起始地址和結束地址

　　0x20，0x23，0x24，0x27， //語音“4”、“5”起始地址和結束地址

　　0x28，0x2b，0x2c，0x2f， //語音“6”、“7”起始地址和結束地址

　　0x30，0x33，0x34，0x37， //語音“8”、“9”起始地址和結束地址

　　0x40，0x43，0x44，0x47， //語音“百”、“十”起始和結束地址

　　0x48，0x4b，0x4c，0x4f， //語音“點”、“米”起始和結束地址

　　};

　　ISD1730的語音錄制有5種采樣頻率可選，采樣頻率越高，語音品質越好，但可錄制的時間越短，采樣頻率取決于芯片ROSC管腳的外接電阻，錄音時長、采樣頻率與振蕩電阻的對應關系見表2。

　　表2 錄音時長、采樣頻率與振蕩電阻阻值的對應關系

　　圖2的接法設定采樣頻率為8kHz，根據ISD1730技術手冊，采樣頻率為8kHz時，每一內存單元可錄制125ms語音，實驗時需要錄制16段語音，程序規劃每一語音片斷占用4個內存單元，即每一語音片斷占用0.5s時長。

　　超聲波測距編程要點

　　距離測量與換算在 INT1 中斷服務子函數中完成，該子函數啟動計數器計算收到回波的時長，再根據超聲波傳播速度計算得到測量距離，在此注意增加延時函數，確保測量完成。

　　超聲波傳播速度易受溫度影響，因此需增加溫度測量以修正超聲波傳播速度，從而實現對測量距離的補償。讀取溫度時應注意數據轉換，將溫度低8位和高8位轉換為1個16位的數，其高5位是相同的，代表符號，低11位，是溫度的二進制數，其中高7位是溫度整數，低4位是溫度小數;如果是負溫度，則從溫度寄存器讀出的是補碼，應將補碼取反加1得到原碼。

　　DS18B20的小數位可以這樣理解：單片機發出讀取溫度寄存器命令后，DS18B20會返回9組數據，其中第一組數據的低4位代表溫度小數部分，換言之，即是把1度分解為16個4位二進制數來表示，則溫度小數部分的精度為1/16=0.0625。

　　應用與測試

　　將本系統安裝在運動靶車上，靶車入庫時，按下遙控器，揚聲器持續播報靶車與極限位置之間的距離，當距離達到要求時，即控制靶車停止運行。經實際測試，操作者用本系統在庫區外即可完成距離測量，測量距離最遠可達4米，效果令人滿意。