基于SYN6288 的超声波语音测距拐杖的设计

2015-11-28陈培兴张晓飞

山西电子技术 2015年1期

陈培兴，张晓飞，杨娟

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051;2.电子测试技术重点实验室，山西太原 030051;3.中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051)

我国听力语言残疾居视力残疾、肢残、智残等五大残疾之首，为2 057 万人，占中国人口总数的1.67%。在发达国家，大多数盲人都有配备导盲犬，然而在中国，导盲犬数量严重不足，如何改善盲人的出行条件是一件很重要的工作。

为了方便盲人的安全出行，世界各国一直进行着导盲系统的研制［1］。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，其测量精度也能达到使用要求。目前国内生产的带语音功能的超声波导盲拐杖存在类似的问题:一方面是语音芯片使用前需预先录制，使用不便。另一方面，因为录制者的不同而产生语音音质的差别容易导致误听，需要有统一的语音音质。本文采用STC89C52R 单片机，结合超声波测距技术设计导盲杖，并通过语音合成芯片SYN6288 实现文本到语音的直接转换，无需预先录制，通过外置扬声器提醒盲人前方道路情况，实现语音导盲功能。

1 工作原理

1.1 超声波测距原理

超声波作为一种新型的、非常有用的工具在各方面都有很大的发展空间，其原理是发射器发出的超声波在空气中以速度v 传播，在接触到被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2 即可算出被测物体的距离［2］。

1.2 TTS 语音合成原理

TTS(Text To Speech)文本转换语音技术是人机智能对话发展的趋势，利用此技术，通过MCU 或者PC 机控制语音芯片发音，能够实现多种场合下的文字即时播报功能。

TTS 转换过程是先将文字序列转换成音韵序列，再由系统根据音韵序列生成语音波形。这个过程涉及语言学处理和韵律处理，目前实现这个过程较好的途径是，把基于规则的波形拼接技术和参数语音合成方法结合起来［3］。

2 系统设计

2.1 硬件设计

硬件电路主要由数据采集电路、数据处理电路、语音合成输出电路以及系统电源四部分组成，其硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构图

数据采集电路主要由高性能KS103 超声波测距模块组成。KS103 含温度补偿功能，测量精度高，使用温度修正的测距命令，近距离内最高精度达1 mm;测量盲区最小至1 cm，最大量程可达8 m，基本无盲区;使用ⅡC 接口与主机通信，自动响应主机的ⅡC 控制指令;省电模式:具有自动休眠功能，模块5 s 内未收到主机指令自动进入休眠状态，随时被主机ⅡC 控制指令唤醒。

数据处理电路由单片机最小系统构成，MCU 采用51 系列单片机STC89C52RC。该芯片采用40 引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，8 kB 的Flash，512 B 的RAM，4 个8b 的I/O 端口:P0、P1、P2、P3，一个全双功串行通信口等组成［4-5］。该最小系统负责整个系统的数据处理功能。

语音合成传输电路主要由SYN6288 模块和扬声器组成。其中SYN6288 负责实现文本到语音的转换(TTS)，扬声器负责发出声音提示。SYN6288 是北京宇音天下科技有限公司于2010 年初推出的采用PSOLA 拼接合成技术的一款语音合成芯片。SYN6288 通过异步串口(UART)通信方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音(或TTS 语音)的转换，可直接通过PWM 输出方式驱动扬声器或外接功率放大电路驱动扬声器，进行语音输出，并可以通过读取BUSY管脚的电平获取芯片当前的状态。该芯片支持GB2312 等格式的文本，支持标点符号、汉字、数字、英文字母及特殊字符处理，可正确识别数值、号码、时间日期及常用的度量衡符号，具备很强的多音字处理和中文姓氏处理能力［3］。SYN6288 模块引脚示意图如图2 所示。

图2 SYN6288 模块引脚示意图

系统电源采用的是5 V 可充电锂电池，可以多次反复使用，节能环保。基于SYN6288 的超声波测距拐杖系统的硬件电路图如图3 所示。

图3 系统硬件电路图

2.2 软件设计

单片机首先初始化有关的参数和相应的模块以及传感器，包括单片机串口的设置［6-7］、超声波模块和SYN6288 语音合成模块。接着单片机通过IIC 总线读取KS103 超声波模块的值获得前方障碍物的信息，然后单片机通过读取SYN6288 的BUSY 管脚判断SYN6288 是否正在转换语音，如果是的话则等待，如果不是的话则将前方障碍物信息转换成语音信息，并通过扬声器发声，进行语音提示。具体程序流程图如图4 所示。