中原工学院电子信息学院 常静

基于CAN总线的语音提醒器的设计

中原工学院电子信息学院 常静

一、引言

随着工业生产等各部门对生产工艺以及精密度需求的不断提高，出现了许多生产系统语音提醒产品。在工业生产中，正常有序的工作制度是保障生产过程和生产产品质量的有效措施。因此，研究开发此语音提醒系统对工厂车间的生产实践具有指导意义，对产品生产具有广泛的应用价值。本系统还具有专业计算器的功能，来完成对每次工作开始之前的用料与产出之间相对关系的计算，从而更好地完成对生产过程的监控。

语音合成和语音识别技术是实现人机语音通信及建立一个有听和讲能力的口语系统所必需的2项关键技术。语音合成技术的应用范围非常广，如电话查询、话费催缴、呼叫中心、证券股票查询、教育系统资料查询等各类都有应用。该系统能够完成对工作人员的人机互动，并实时地提醒并且显示出下一步的工作内容，使生产工艺有序地进行，保证了生产质量。

二、系统组成及工作原理

1.系统组成。本系统是由单片机最小系统、语音模块、数据存储模块、CAN总线控制模块、键盘、显示等几个部分组成。其组成框架如图1所示。

2.工作原理。本系统设计的目标是低成本、功能强大，适用于各种生产环境。其主要工作原理如下：该系统是以AT89C51单片机为核心进行生产过程信息的处理。系统通过识别CAN系统传过来的信号，并对信号进行处理得到相应的语音提示，实时提醒并且显示出下一步的工作内容，使生产工艺有序地进行下去，保证了生产质量。

三、硬件设计

1.语音模块。所谓语音芯片，就是在人工或者控制器的控制下可以录音和放音的芯片。在设计中用美国ISD公司的语音芯片ISD25120，其录放音时间为120秒。ISD2500系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K，录放时间长。有10个地址输入端，寻址能力可达1024位，并最多能分成600段。设有OVF（溢出）端，便于多个器件多级联。

语音芯片的工作方式如下：采用E2PROM存储方法，将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，不用另加A/D和D/A变换电路，使用方便，且语音音质自然。

2500系列最多可分为600段，只要在分段录/放音操作前（不少于300纳秒）给地址A0～A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）。而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音。

2500系列地址空间是这样分配的：地址0～599作为分段用（见表1），地址600～767未使用，地址768～1023为工作模式选择。

表1 ISD25120地址分配

2.外部数据存储模块。在本系统的设计中采用串行的外部数据存储器，AT24C64作为密码的存储介质。串行存储器采用串行数据传输方式，速度相对较慢，操作也较为复杂，但占用I/O口少，节约了系统资源，适合本系统的应用。由于AT24C64是通过I2C总线进行数据传输的，所以其与单片机的通信方式采用模拟I2C总线方式，通过单片机上的两个引脚模拟I2C总线的数据线与时钟线，实现I2C总线的状态与时续，完成单片机与AT24C64的数据传输。

3.显示系统。液晶显示器是液晶模块通过点阵方式实现的。本系统中，显示系统要求显示出来下一步操作的主要内容，显示内容繁琐，所以在系统中选用长沙太阳人公司生产的SMG12864A作为显示器，来显示下一步的操作内容。

4.键盘系统。键盘系统按种类分为编码式键盘系统和非编码式键盘系统，在本系统中由于按键个数较多，操作繁琐，所以采用编码式键盘系统。

键盘系统采用的是矩阵式编码键盘系统，使用BC7281和SN74LS164作为键盘控制芯片，用于键盘的扫描与键值的确定和发送。

四、软件设计

本系统的设计采用C语言编写，主要完成对显示、语音、通信和外部数据存储等方面的控制。

主程序是本系统控制的中心部分，它完成系统初始化、数据处理、按键判断、整合程序等功能，使所有程序都能成为一个有机的整体。

采用模块化程序设计方法，将子程序划分为显示模块、数据存储模块、键值获取模块、语音录放和通信等模块，然后主程序通过调用各个子程序来实现所要求的功能。

五、总线

本系统用了2种总线技术，对其使用介绍如下。

1.I2C总线。I2C总线是一种用于I2C器件间连接的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线再连到总线上的器件之间来传送信息，并根据地址识别每个器件。

采用I2C总线标准的单片机或I2C器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的扩展与控制。I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。

2.CAN总线。CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN作为一种多主方式的串行通讯总线，其基本设计规范要求高位速率和较高的抗电磁干扰性能，而且要能够检测出通讯总线上产生的任何错误。当信号传输距离达10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。CAN总线与其他几种现场总线比较而言，是最容易实现且价格最为低廉的一种，但其性能并不比其他现场总线差。这也是目前CAN总线在众多领域被广泛采用的原因。节点是网络上信息的接收和发送站。所谓智能节点是由微处理器和可编程的CAN控制芯片所组成。

系统所选用的CAN总线的总线控制芯片是SJA1000，总线收发器是82C250。总线控制器上的数据线直接和单片机的P0口相连，其他控制线分别和P2、P3口上的对应口线相连，如读写线、复位线和中断等。

总线控制器和总线收发器之间直接将数据发送和数据接收线的两根线连接到一起，并在总线收发器和电缆连接线上加一个120欧姆的终端电阻。

在调试过程中，选择的发送和接收方式是中断发送与接收。在有中断发生时，发送一次数据；当总线上有数据传输时产生中断一次，并且接收总线上的数据，通过显示系统显示出来。

六、结束语

本设计完成了系统显示、数据存储和对语音芯片的操作，并通过单片机对系统进行控制，完成语音信号的存储与播放功能。从实验结果来看，该设计的语音提醒系统稳定性较好。但要真正做到商业化还需要做更多的改进工作，这就需要进一步的系统开发。