汽車檢測中語音合成器的設計與實現

名稱:汽車檢測中語音合成器的設計與實現
汽車檢測中語音合成器的設計與實現
王尚武
（陝西省科技信息研究所西安710054）
汽車數量的急劇增加，加大了汽車檢測工作的工作量。汽車檢測中，檢測人員要用眼瀏覽並判定許多屏幕上的信息，並做出判斷。調查研究發現，檢測人員的耳未發揮出應有的功能，而用語音的形式告知檢測人員的檢測結果，可減輕檢測人員的工作負擔，汽車檢測線語音合成器就是為此目的研製的。
1主要技術指標
1.1語音合成器輸出語音信號要求
(1)輸出語音信號特徵
語音合成器輸出語音信號特徵為，語速：3～4字／秒；信噪比：20 dB；頻率：300～3000 Hz，公輸出大約90句話語。
(2)輸出語音信號參數
電壓幅值：3 V (帶負載，有效值);
輸出阻抗： <50Ω；負載阻抗： 600Ω。 2結構及工作原理
2.1結構
汽車檢測中語音合成器為一獨立的智能語音合成塊，配有標準串列口供測試及與主處理機通訊，與主處理機連接關係如圖1。
2.2工作原理
當語音合成器加電時，首先要做初始化、自測試工作等。
當主處理機要求輸出語音時，通過 RS232介面把命令字傳送給語音合成器，語音合成器響應中斷後，進入中斷服務程序，完成讀取命令字、清除命令字等任務，然後返回，按讀取的命令字報出對應的語音。
3設計與實現
3.1設計思想
針對語音合成器特定需要，音質要求高，辭彙量小等特點，語音合成擬採用波形編碼技術，這種方法相對簡單、易行，合成的語音質量好。合成器的工作任務量較為有限，CPU可選用價格低廉，工作可靠，便於開發，應用面極廣的 8031單片微處理機晶元，編碼晶元選用TCM2916，它是一種電話編碼/*晶元，內有放大濾波電路，可對輸入語音，輸出語音進行濾波處理，用它合成的語音音質好，清晰自然。 3.2主要功能部分的設計與實現3.2.1功能語音合成器是一獨立的功能塊。當主處理機用 RS232口告知語音合成器有語音輸出要求時，語音合成器的CPU從相應的串口數據寄存器讀取信息，並進行判斷，按要求產生輸出語句。
3.2.2硬體配置
語音合成器硬體配置如下：
CPU晶元： M 8031 ;時鐘頻率： 11.059 MHz;
程序存儲器： 8K×8 b;數據存儲器： 64K×8 b;
「看門狗」定時器；一個 RS232串列口；
兩個外部中斷INT0，INT1;語音編碼U律編碼。
3.2.3語音合成器的設計實現考慮
語音合成塊負責著語音的重構工作，下面說明設計實現的一些問題。
(1)語音合成
語音合成包括有限辭彙的合成和無限辭彙的合成。實現語音合成有兩種方法，一種是採用波形編碼技術進行合成；另一種是採用聲碼技術合成。前者能高質量地重建語音，很適於合成音質要求好，辭彙量不太大的系統，特別是軍用特定系統。它的缺點是佔用的存貯量大，但隨著存儲器晶元集成度的大大提高及價格的下降，這個問題並不那麼明顯，目前的應用已發揮了很好的社會效益。後者包括三種實現方法，即線性預測參數合成法，共振峰合成方法，發音器官參數合成法。由於這些技術在實驗中很難找到精確描述聲道參數的模型，因而合成的語音質量較差，它的優點是所需的存貯量小，當要合成無限辭彙量系統時必須採用這種技術。目前，民用市場有許多這方面的晶元，如用TI公司語音合成晶元TMS5220構成的有限辭彙量的系統，由於要求的存儲量小，相對語音質量高而得到廣泛的應用。針對飛控系統語音合成器特定需要：音質要求高，辭彙量小等特點，語音合成採用波形編碼技術實現，並選片語為存貯基元。
(2)CPU的選擇考慮
語音合成器的主要任務是實時地響應主處理機送來的命令字，並把固化在語音參數存儲器的語音參數按命令字進行*回放，因此對CPU要求有一定的中斷處理及控制能力， 8031單片機可勝任這一工作。 8031單片機具有功能強、外圍介面豐富、指令控制能力強、價格低廉、工作穩定可靠等特點，能夠實時處理該項任務，因此，語音合成器CPU選 8031。
其主要性能如下：
·最高時鐘頻率： 12 MHz
·片內128×8 bit RAM
·片外128 k×8 bit存儲器
· 32位I／O口
·兩個16位定時器／計數器
·兩個外部中斷INT0，INT1
·串列口
·低功耗： 150 mW
(3)語音參數的*
語音晶元承擔著語音的重構工作，從量化理論得知，對PCM編碼，要達到電話質量，編碼需11 bit的量化位數，而採用μ律PCM編碼，只需7 bit的量化位數，本設計中我們選用TCM2916，為一μ律PCM編碼晶元，量化位數為8 bit，因此可滿足語音合成器要求，其主要特點如下：
·μ律PCM編碼技術
·內部放大濾波電路，通帶頻率：200 Hz～3.4 kHz
·低功耗： 140 mW
·串列PCM編碼I／O
·易於與單片機介面
3.2.4參數存貯器
參數存貯器用來固化語音參數，按給定的檢測輸出語句（大約80句語句，這裡未給出）及採用的μ律PCM編碼技術，考慮到檢測語句辭彙的重複，語音合成器佔用存儲量大約為：512 k×8 b，因此參數存儲器選用D72C4001D-15固化語音參數。
3.2.5看門狗電路
為防止語音合成器失控，設計看門狗電路實現對語音合成器的*，當發生失控時，強迫語音合成器進入確定狀態。
3.2.6軟體
要實現語音合成器所要求的功能，必須配置有相應的軟體，軟體包括語音合成軟體和通訊軟體。其中語音合成軟體包括測試模塊、控制模塊及合成模塊。
(1)語音合成軟體
語音合成軟體由自測試模塊、控制模塊及合成模塊組成。
自測試模塊完成語音合成模塊的自測試工作，包括 8031指令系統，程序EPROM，語音參數EPROM及整個放音系統的測試工作。
控制模塊控制模塊實現對語音合成器的控制管理工作。包括語音合成器的初始化工作，與主處理機的通訊管理工作及輸出語音信息的檢索、判斷工作以及片語的編排、組織工作。
4結語
以上給出了汽車檢測中語音合成器主要部分的工作原理及實現方法，實際應用中，語音合成器的設計還應包括結構、可靠性、可維護性、可測試性方面的設計。