汽车检测中语音合成器的设计与实现

1 主要技术指标 

1.1 语音合成器输出语音信号要求 

(1)输出语音信号特征 

语音合成器输出语音信号特征为，语速：3～4字／秒；信噪比：20 dB；频率：300～3000 Hz，公输出大约90句话语。 

(2)输出语音信号参数 

电压幅值:3 V (带负载,有效值); 

输出阻抗: ＜50 Ω;负载阻抗: 600 Ω。 

2 结构及工作原理 

2.1 结构 

汽车检测中语音合成器为一独立的智能语音合成块，配有标准串行口供测试及与主处理机通讯,与主处理机连接关系如图1。 

  

2.2 工作原理 

当语音合成器加电时，首先要做初始化、自测试工作等。 

当主处理机要求输出语音时，通过RS232接口把命令字传送给语音合成器， 语音合成器响应中断后，进入中断服务程序，完成读取命令字、清除命令字等任务，然后返回，按读取的命令字报出对应的语音。 

3 设计与实现 

3.1 设计思想 

针对语音合成器特定需要，音质要求高，词汇量小等特点，语音合成拟采用波形编码技术，这种方法相对简单、易行，合成的语音质量好。合成器的工作任务量较为有限，CPU可选用价格低廉，工作可靠，便于开发，应用面极广的8031单片微处理机芯片，编码芯片选用TCM2916，它是一种电话编码/解码芯片，内有放大滤波电路，可对输入语音，输出语音进行滤波处理，用它合成的语音音质好，清晰自然。 

3.2 主要功能部分的设计与实现 

3.2.1 功能 

语音合成器是一独立的功能块。 当主处理机用RS232口告知语音合成器有语音输出要求时， 语音合成器的CPU从相应的串口数据寄存器读取信息，并进行判断，按要求产生输出语句。 

3.2.2 硬件配置 

语音合成器硬件配置如下： 

CPU芯片: M8031;时钟频率: 11.059 MHz; 

程序存储器: 8K×8 b;数据存储器: 64K×8 b; 

“看门狗”定时器;一个RS232串行口; 

两个外部中断INT0，INT1;语音编码U律编码。 

3.2.3 语音合成器的设计实现考虑 

语音合成块负责着语音的重构工作，下面说明设计实现的一些问题。 

(1)语音合成 

语音合成包括有限词汇的合成和无限词汇的合成。实现语音合成有两种方法，一种是采用波形编码技术进行合成；另一种是采用声码技术合成。前者能高质量地重建语音，很适于合成音质要求好，词汇量不太大的系统，特别是军用特定系统。它的缺点是占用的存贮量大，但随着存储器芯片集成度的大大提高及价格的下降，这个问题并不那么明显，目前的应用已发挥了很好的社会效益。后者包括三种实现方法，即线性预测参数合成法，共振峰合成方法，发音器官参数合成法。由于这些技术在实验中很难找到精确描述声道参数的模型，因而合成的语音质量较差，它的优点是所需的存贮量小， 当要合成无限词汇量系统时必须采用这种技术。目前，民用市场有许多这方面的芯片，如用TI公司语音合成芯片TMS5220构成的有限词汇量的系统，由于要求的存储量小，相对语音质量高而得到广泛的应用。针对飞控系统语音合成器特定需要:音质要求高，词汇量小等特点， 语音合成采用波形编码技术实现，并选词组为存贮基元。 

(2)CPU的选择考虑 

语音合成器的主要任务是实时地响应主处理机送来的命令字，并把固化在语音参数存储器的语音参数按命令字进行解码回放，因此对CPU要求有一定的中断处理及控制能力，8031单片机可胜任这一工作。8031单片机具有功能强、外围接口丰富、指令控制能力强、价格低廉、工作稳定可靠等特点，能够实时处理该项任务，因此， 语音合成器CPU选8031。 

其主要性能如下: 

· 最高时钟频率: 12 MHz 

· 片内128×8 bit RAM 

· 片外128 k×8 bit存储器 

· 32位I／O口 

· 两个16位定时器／计数器 

· 两个外部中断INT0，INT1 

· 串行口 

· 低功耗: 150 mW 

(3)语音参数的解码 

语音芯片承担着语音的重构工作，从量化理论得知，对PCM编码，要达到电话质量，编码需11 bit的量化位数，而采用μ律PCM编码，只需7 bit的量化位数，本设计中我们选用TCM2916，为一μ律PCM编码芯片，量化位数为8 bit，因此可满足语音合成器要求，其主要特点如下: 

·μ律PCM编码技术 

·内部放大滤波电路，通带频率:200 Hz～3.4 kHz? 

·低功耗: 140 mW 

·串行PCM编码I／O 

·易于与单片机接口 

3.2.4 参数存贮器 

参数存贮器用来固化语音参数，按给定的检测输出语句（大约80句语句，这里未给出）及采用的μ律PCM编码技术，考虑到检测语句词汇的重复，语音合成器占用存储量大约为:512 k×8 b，因此参数存储器选用D72C4001D-15固化语音参数。 

3.2.5 看门狗电路 

为防止语音合成器失控，设计看门狗电路实现对语音合成器的监视，当发生失控时，强迫语音合成器进入确定状态。 

3.2.6 软件 

要实现语音合成器所要求的功能，必须配置有相应的软件，软件包括语音合成软件和通讯软件。其中语音合成软件包括测试模块、控制模块及合成模块。 

(1)语音合成软件 

语音合成软件由自测试模块、控制模块及合成模块组成。 

自测试模块完成语音合成模块的自测试工作，包括 8031指令系统，程序EPROM，语音参数EPROM及整个放音系统的测试工作。 

控制模块控制模块实现对语音合成器的控制管理工作。包括语音合成器的初始化工作，与主处理机的通讯管理工作及输出语音信息的检索、判断工作以及词组的编排、组织工作。 

结语