基于STM32的語音導覽系統的設計

　　景點語音導覽主要有以下幾種方式：一種是通過全球定位系統(GPS)的用戶終端接收工作衛星的導航信息，從而解算出車輛的經緯度信息，進而計算出實時坐標，將其與景點坐標相比較，當車輛駛入景點一定距離范圍內時，不用人工干預，系統自動播報景點語音信息;另一種是對車輪軸的轉角脈沖進行計數，將計數值和預置值對比，即可確定播放時刻，達到準確播放景點語音信息的目的;第三種方案是利用無線射頻識別技術，在每一個景點范圍內設置一個具有唯一ID的射頻發射器，采用間歇工作方式發射信號，當旅游列車即將到達景點時，車載系統接收到射頻發射器信號并解碼出景點的ID號，由系統控制自動播放對應編號的景點語音信息。由于景點自然環境的復雜性，第一種方式難以滿足系統要求;第二種方式簡單可靠，但旅游軌道車輛運行方向存在不確定性，其相對位置往返變化，系統的自動化程度較低且復雜度較高。本文采用第三種方案實現景點語音自動導覽系統。

　　本文首先介紹了系統總體結構，然后，給出了系統各主要功能模塊的具體設計，并重點研究了基于ARM3核的STM32F103RBT6芯片與語音芯片ISD4004之間的SPI通信控制和實現技術，給出了系統設計實現結果。

　　最后，給出了有一定工程應用參考價值的結論。

　　1系統總體設計

　　本系統結構原理設計如圖1所示。本設計利用旅游列車軌道固定的特點，在軌道沿線景點預先安裝固定ID的RFID，綜合考慮到作用距離、數據通信方式、可靠性、使用壽命和維護成本，選用產品433 MHz有源標簽GAO C124061.其存儲ID字長32 b.由于在野外自然環境中，出現碰撞的可能性極低，所以，RFID閱讀器只需要正確可靠地獲得RFID的ID值，與固定景點所對應，用以觸發中斷，開始播放該景點的語音信息。

　　圖1中，MCU采用STM32F103RBT6芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3內核高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用MCU.本設計選擇這款的原因是看重其性價比：128 KB FLASH、20 KB SRAM、2個SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、RTC、51個可用I/O腳等一系列性能特征，能完全滿足本系統性能要求。總結下來，STM32具有價格低、功能強、使用簡單、開發方便等幾個很有利的優勢。ISD4004為語音錄放存儲芯片，根據外部控制和外圍電路輔助，可隨機對其進行語音錄入和語音播放。系統MCU通過RFID閱讀器獲得旅游列車沿途RFID的固定ID，根據ID號所對應的預設語音數據存儲位置的起始地址信息，通過對ISD4004內置的SPI端口進行控制，實現景點語音選段自動播放。

　　圖1系統結構原理框圖

　　2主要模塊電路設計

　　2.1 ISD4004控制電路設計

　　ISD4004系列語音芯片工作電壓為+3 V，單片錄放時間8~16 min，音質好。芯片采用CMOS技術，內含時鐘、抗混疊濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平非易失性存儲器陣列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存儲在片內非易失性存儲器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。芯片ISD4004內部結構和主要引腳功能如圖2所示。

　　圖2 ISD4004內部結構

　　ISD4004內部器件控制單元設置非常便于其與STM32序列芯片的SPI進行通信設置。增設STM32多個I/O口來作為對應語音芯片的片選端，即可實現多片ISD4004擴展。STM32與多片ISD4004的接口電路如圖3所示。

　　圖3多片ISD4004與STM32的連接

　　STM32和ISD4004通過SPI模塊進行通信，兩者MOSI、MISO腳對應相互連接，實現STM32和ISD4004之間數據串行傳輸(MSB位在前)。通信總是由主設備STM32發起。STM32通過MOSI腳把數據發送給ISD4004，ISD4004通過MISO引腳回傳數據給STM32.

　　全雙工通信的數據輸出和數據輸入是用同一個時鐘信號同步的;時鐘信號由主設備STM32通過SCK腳提供。

　　擴展為多片語音芯片后，語音信息的存儲空間大大增加，便于擴充景點的語音信息量。

　　2.2語音錄放控制電路設計

　　語音錄放控制電路如圖4所示。通過MCU的I/O控制端來控制串聯調整管Q3或開關管Q1，實現系統放音或者錄音。I/O端輸出高電平時實現錄音，輸出低電平時實現放音。

　　圖4語音錄放控制電路

　　2.3 RFID讀卡器接口電路

　　RFID讀卡器模塊使用了Philips的高集成ISO14443A讀卡芯片MFRC500.RFID讀卡器是一個相對獨立的功能模塊，其輸出可通過中斷狀態信息和串口與外部連接。因此，系統利用STM32F103RBT6的SPI2接口實現與RFID讀卡器接口之間的數據通信，從而自動獲得景點位置信息，以控制選擇對應景點導覽語音的播放。讀卡器中斷狀態直接與STM32F103的PD口I/O引腳連接;SPI2接口電路形式同圖3類似。