基于PM60的砌块机语音提示系统的设计与研究

周文景，曾盛绰，杨德沛，黄海秋

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

随着我国墙改政策力度加大和混凝土砌块机在中国的发展，我国对混凝土砌块机的自动化和智能化程度要求越来越高；我国砌块机经历了20多年的发展[1]，取得了很大的进步，但是仍存在自动化、机械化、智能化程度低，尚无统一的技术标准，功能单一等诸多问题。该设计把语音提示系统首次应用到混凝土砌块机中，提高了全流程的自动化、智能化程度，使用语音报告操作程序及故障排除方法，可直接知道设备或系统的工作状态，并解决了国内大多数混凝土砌块机用显示屏报告故障原因时因显示屏通常在室外、光线强无法看清显示数据以及操作人员的文化水平素质偏低，无法阅读和理解显示屏有关数据的难题。

1 语音提示系统控制技术

1.1 语音技术

近年来，语音电路发展极为迅速，在单片机系统中的应用也越来越广。在生活的很多领域中都用到了语音技术，如智能翻译机、语音拨号、语音查询、语音自动订票系统、语音导航等。语音技术在工业领域中[2]，主要用于报告运行状态、运行结果、提示系统操作过程及故障报警。

在传统的砌块机系统当中，当出现故障时，报警器发出声音报警，虽然能发现故障，但是不知道具体哪个部位出了故障，此时需要逐个排查才能找出原因。而且当一个系统或设备有多个状态需要报警时，难以区分各种报警。现在许多砌块机系统在原来故障报警器基础上，用显示屏报告故障原因。这样就不用工作人员逐个排查故障原因和部位，节省了大量的人力、物力。但由于砌块机通常在室外工作，光线强而无法看清显示数据；同时，显示屏的有关数据需要操作人员具备一定的文化水平和阅读理解能力。本文采用单片机控制技术和固态化语音存储技术对语音系统进行设计和研究。其控制单元利用了比较先进的现代电子技术和电子器件，应用语音芯片具有的内部寄存器可编辑功能，进行语音地址编辑。通过单片机对语音芯片的智能控制，及时、准确地报告操作程序及故障排除方法。在设计和研究过程中，主要解决了把语音系统应用到砌块机领域，以及语音芯片PM60和单片机PIC18F4620之间串行口的连接问题，从根本上解决了上述难题。

1.2 PM60系列语音芯片

PM60系列是一款智能语音产品。与PM50和ISD系列语音芯片相比，有其独特的优势。该系列芯片在烧录、放音电路上基本可以和PM50系列兼容，比PM50增加话筒录音功能，具有长秒数，高品质，易录放的特点。是一个整合了录放音电路，快闪存储，ADPCM编、解码器，功率放大器，稳压器等线路的全功能录放系统。PM60已经包装成标准的COB-28管脚，所以使用者可以很方便的将PM60设计整合到需要录放音的场合上，只需接上电源、喇叭、按键，PM60就是一个独立的声音播放系统，若再加上麦克风，PM60更是一个独立的录放音系统[3]。

2 系统硬件电路设计

2.1 语音芯片控制方式

系统结构原理框图如图1所示。语音提示系统的触发信号为RS232串行通讯传来的协议数据,根据数据内容对故障排除方法和控制状态进行语音提示。该设计采用标准的串行输入接口。为防止串行通讯带来的干扰，系统各芯片使用的电源独立于主板控制系统的电源,PM60语音芯片用一套单独的+5V和GND，其他芯片用另一个电源，并且对通讯信号进行了光电隔离。单片机获得编码后将会触发语音芯片内相应的语音信号，语音信号是之前按一定编码方式录制好的，可以是单独一段也可以是任意不同段落的组合，最后经功率放大电路驱动扬声器进行语音输出。在串行输入接口工作方式下，K1为数据端，K2为同步时钟端，O1为忙信号端。地址数据在时钟上升沿锁存输入到PM60芯片内。语音段的地址为0x80H～0xFFH。外部单片机直接送入要放音的段地址即可播放，结束时PM60的忙信号端O1拉低，在判断一段语音结束时，外部单片机再送下一段语音的段地址。单片机串行输入控制时序图如图2所示，K2时钟为10～500Hz内均可。

2.2 与单片机相连的硬件电路

图2 PM60语音芯片控制时序图Fig.2 PM60 Speech chip control sequence diagram

系统采用单片机PIC18F4620作为控制芯片。具有实用、省电、高速、体积小、驱动和抗干扰强等特点，片上有8K空间的FLASH程序存储器，内部资源丰富，完全满足系统要求[4]。PM60与PIC18F4620的硬件连接是通过6个6N137光电耦合器连接起来的。其中光电耦合器的作用是用来隔离高频电路与低频电路，高频电路产生的高频信号会干扰低频电路，用光电耦合器既能连接两个部分又能屏蔽高频信号。单片机与语音芯片PM60间可采用同步外设接口（SPI总线）进行通讯。SPI是一种串行同步通讯协议,由一个主设备和一个或多个从设备组成,主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI接口由SDI（串行数据输入）、RDO（串行数据输出）、RD2（串行移位时钟）、CS（从使能信号）四种信号构成[5]。在系统的设计中，单片机PIC18F4620为主控芯片，PM60作为从芯片，由于数据为单片机到语音芯片的单向传输，所以可只将RDO引脚接语音芯片K1端，进行数据传输；RD2引脚接K2端，产生数据传输的时钟信号；RC5引脚接语音芯片O1端，查询语音播放是否完毕，以准备下一段数据传输。PM60语音芯片喇叭端1（SP1）通过LM1875T功率放大后接至喇叭输出语音。

语音系统与外部设备串行通讯电路中，串行通讯芯片采用MAX232CSE。为消除串行通讯带来的干扰，采用光耦6N137将通讯信号进行隔离，电路中右边的3个光耦右侧的供电电源为主板的+5V的供电电源，GND为主板供电电源的接地端；左侧的+5V供电电源来自稳压器1 AMS1117输出的+5V电压，GND为输入板提供。左边的3个光耦左侧的供电电源也是由稳压器1 AMS1117输出的+5V电压提供，GND为输入板提供；右侧的+5V电压由稳压器2提供，接地端为GND-F。TR5的6脚,TR1和TR2的3脚分别与单片机的RB2 RB3,RB4管脚连接,作为数据的接收端、发送端以及收发控制端。根据串行通讯协议,语音系统可接收外部设备发送的控制命令，经数据处理后播报当前语音信息。

3 软件程序设计

PM60芯片一共可以录放128段语音，其编码方式如表1所示。

将以上编码编制到程序中，根据工业现场的要求计算语音编码。单片机通过I/O，端检测，PM60的输入状态，当PM60的O1端被拉低时，即表示PM60可以接受信号，此时单片机可将语音编码输出到PM60。PM60语音芯片根据单片机输出过来的地址，自动从语音库EPROM中找到相应的语音段，经功放和音频放大输出至扬声器。这样，可以很灵活地通过编程，将语音库中的语音段按要求进行组合、输出[6]。语音系统程序框图如图3所示。

表1 编码方式Tab.1 Coding style

4 结束语

图4 语音系统程序框图Fig.4 Phonetic system program block diagram

该语音提示系统针对国内大多数混凝土砌块机用报警器或显示屏报告故障原因存在的问题,以PIC18F4620单片机为主控单元，采用新型语音芯片PM60为从设备，通过设计与研究，实现了语音报告操作程序及故障排除方法；提高了砌块机系统的自动化、智能化和人性化的程度。该系统操作简单、使用方便,对操作人员的文化素质和理论水平要求不高。通过仿真与实验，系统能够安全、准确、稳定的运行，达到了预期的效果。对语音技术在工业领域的应用提供参考与借鉴，具有较好的推广应用价值。

[1]仲崇生.QTY6-15型全自动混凝土砌块成型机的设计[J].建筑砌块与砌块建筑，2007，3.

[2]张雄伟，等.现代语音处理技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]PM60系列语音芯片技术手册[Z].

[4]陈建新.PIC单片机开发应用与实验工具制作[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[6]潘新民，等.微型计算机控制技术[M].北京：电子工业出版社，2011.