基于XFS4243CE模块的语音报警系统

胡贤德，李敬明，程家兴

(1.安徽新华学院信息工程学院，安徽合肥230088;2.安徽大学计算机科学与技术学院，安徽合肥230031)

随着经济的发展以及人民生活水平的不断提高，全国各地纷纷建成许多现代化住宅小区。为了有效地确保居民财产和生命的安全，在各小区内均采取了智能化手段进行安全防范管理措施［2］。传统的智能住宅安全防范系统一般不具备发布语音报警信息的功能，缺少人性化［3］。本文基于XFS4243CE中英文语音合成模块，实现智能语音的报警功能，以此适应市场的需求。

1 系统设计原理

系统主要由单片机C8051F410－GQ、XFS4243CE模块、超声波发射、超声波接收、供电模块等组成。整个系统框架如图1所示。高性价比、低功耗的单片机C8051F410－GQ为主控制器，能够实时地接收报警触发信号以及发送报警语音文本到XFS4243CE模块来进行语音合成;XFS4243CE模块接收来自单片机的文本进行多种方式的合成并将数据通过音频功放后播放出来;超声波的发射和接收主要用于对不明物体的探测。超声波信号是由单片机C8051F410－GQ编程产生一个40KHZ的方波，再经一级驱动电路调制后产生的。若发射的超声波遇到物体后则会反射回来与发射波不同频率、不同幅度的超生波。接收探头接收到回波后经滤波、放大、包络检波、比较、整形后送到单片机［4］。单片机对此信号进行识别和处理，向语音合成模块发送命令，完成语音报警功能［5］。

图1 系统框架图

2 硬件电路系统设计

2.1 超声波的发射和调制

超声波的频率一般为40KHZ。为了减少系统的成本和系统设计的复杂度，本文采用单片机自身的定时器精确地产生一个40KHZ的方波来模拟超声波，从而避免只单独使用一个超声波发射器。但是由于单片机本身产生的超生波能量较低，超生波在空间辐射的过程衰减的幅度较大，导致防盗系统检测的范围较小，为了扩大检测的范围必须加大超声波发射的能量。本系统采用了驱动能力较强的具有四个两输入与非门的集成芯片74ALS00A，方波先经过74ALS00A再经超声波发射探头发射出去，这不仅提高了超生波的辐射范围，而且提高了检测的可靠性。超生波发射的电路如图2所示，其中launch为单片机定时器产生的40KHZ方波。

图2 超声波发射原理图

2.2 超声波的接收

超声波接收探头接到超声回波后，先经过中心频率为40HZ的三阶带通滤波器滤去高频噪声和低频干扰后再经电压放大器放大110db分两路输出。一路经波形整形、电平变换成单片机能处理的CMOS电平［5］。另一路经包络检波，将回波的幅度检测出来，经一级40db的电压放大器放大，再经波形整形电平变换送至单片机而触发一个报警的中断。超生波的接收电路如图3所示［5－7］。

图3 超生波接收电路

2.3 XFS4243CE模块接口设计

XFS4243CE是一个高性能的中英文语音合成模块。该模块具有硬件接口简单和功能强大的特点，是一套面向高端应用的语音合成解决方案。主要的特征如下:(1)在硬件上该模块支持UART接口或SPI接口;(2)模块支持任意中、英文文本的合成，可以采用UNICODE、BIG5、GBK和GB2312四种编码方式。每次文本量不超过4KB;(3)支持男、女两种中英文发音;(4)支持多种控制命令。控制命令包括语音合成、暂停合成、恢复合成、停止合成、状态查询、进入Power Down模式、唤醒、进入IDLE模式等8种控制命令。控制器通过对应接口发送控制命令对对应的模块进行有效的控制［8－11］。该模块与单片机的接口电路如图4所示，其中TPA200D1为音频功放部分。

图4 XFS4243CE模块电路和音频放大

2.4 单片机C8051F410－GQ外围电路

单片机C8051F410－GQ外围电路如图5所示。此部分电路组成单片机的控制电路以及引出与其他模块的接口［6］。

3 软件系统设计

3.1 系统工作流程

系统通过启动和停止按键控制系统的启和停。用户按下启动按键后，系统不停地通过定时器精确生成一个频率为40KHZ占空比为50%的方波，此方波经硬件电路调制后发出超声波。当单片机检测到报警信号中断时就向语音合成模块XFS4243CE发送相应的语音合成命令完成报警。为了提高系统的可靠性，防止系统的误报警，单片机对检测到的中断报警信号计数，当计数连续10次则认定该次报警信号有效［11］。系统软件操作流程如图6所示。

图6 系统软件流程图

3.2 主控器与XFS4243CE模块通信协议

主控制器和 XFS4243CE模块之间通过SPI接口或者UART接口连接，控制器可通过相应接口向XFS4243CE模块发送控制命令或文本，当XFS4243CE模块接收文本后，将其合成为语音信号，然后再将其输出，输出的信号经过功率放大器连接到喇叭对其播放。单片机C8051F410－GQ与语音合成模块XFS4243CE之间的通信要遵循约定的通信协议。

命令和数据均以“帧”的方式进行封装后的格式发送给XFS4243CE模块进行传输。帧结构格式为帧头标志、数据区长度和数据区。帧结构如表1所示。数据区是由命令字和命令参数组成的，上位机使用命令字来实现语音合成模块的各种功能。数据区命令字和命令参数如表2所示。XFS4243CE模块收到一个命令帧后，判断其是否正确，若正确则返回“收到正确命令帧”信息，若错误则返回“收到错误命令帧”信息。XFS4243CE模块收到状态查询命令时，若模块正处于合成状态则返回“模块忙碌”信息，若模块处于空闲状态则返回“模块空闲”信息。

表1 命令帧封装格式

表2 数据区命令字与命令参数

4 结语

系统采用智能语音合成模块XFS4243CE嵌入到家居防盗报警系统，将语音技术应用于日常生活中，满足了社会生活的需求，且系统具有精简、性价比高、可靠性高等诸多优点，在智能家居领域的前景广阔。

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