智慧型音乐／语音电路原理及开发应用系列（三）

王南阳

目前语音电路正朝智能型、模块化、音质好、时间长、体积小、价格低等方向发展，各种语音电路尤其是带CPU功能的语音电路，将作为独立的智能语音产品或作为语音模块嵌入到各种电子电器产品中。可程式化OTP系列语音集成电路以其“少量多样化”的独有特色，正在并必将对语音技术的大范围、多层面的推广应用，发挥出极其重要和不可替代的作用。

可程式化OTP系列语音集成电路通常分为常规型OTP语音电路和智能型OTP语音微处理器两大类。

常规型OTP语音集成电路

目前，最常见的OTP语音集成电路当数HY8000系列，HY8000系列有10s/20s/40s语音IC。图1为典型应用电路图。图2是外接LM386音频放大器应用电路图。

HY8000系列有音质差、品种不多、功能单一等弊端。如遇到复杂些的语音控制方案，就必需增加外部单片机。

智能型OTP语音微处理器

电路简述 本文以AN9600系列为例说明其电路原理。AN9600系列增强型OTP语音微处理器电路内部集成了系统时钟振荡器、8位高效DSP微处理器、8位MCU控制接口、I2C 设备序列传输接口、8MB只读语音存储器ROM、波表ROM（可提供128种音色和47种鼓声）、8KB静态读写内存SRAM、RC基频振荡电路、数字倍频控制PLL电路、2级混音滤波运算放大器、电源稳压器和小功率音频放大器等电路单元于一体。目前,AN9600系列可存储语音时长为20～340s，即将推出680s、1360s长时间OTP语音微处理器。AN9600系列内建2×16位数/模转换、256阶语音合成音量调整、可程序化控制音频输出单声道/立体声切换、可程序化控制DAC输出模式(分时/合成/位准调整)、可程序化MCU传输接口、可程序化控制内部波形处理的取样频率、可外挂闪存任意扩展存储容量，以及设智能录放音功能；可播放8～128通道电脑网络音乐；可输出单声道或立体声音频信号直推扬声器；可外接驱动LED数码管/LCD液晶显示屏或LED发光二极管等。工作电压范围2.5～4.5V；省电模式和唤醒特性以减少功耗，静止耗电电流约为2μA。AN9600系列OTP语音微理器具有极强的可编程能力，可播放立体声语音，可控制各种电器设备，可用于开发设计高级玩具、儿童学习机、防盗设备、智能家电、仪器仪表、保健理疗机以及各类自动控制系统等等。

引脚排列及功能AN9600系列OTP语音微理器的封装形式有SDIP28P、QFN32P、QFP44P、LQFP48P等。如AN9170的QFN32P封装的引脚排列如图3所示。引脚功能如表1所列。

MCU模式1.系统初始化：系统上电后，将进行一连串的初始值设定，此时系统处于“忙”状态，无法接收任何数据。当初始值设定完成后，迅速清除“忙”状态，进入等待接收数据状态，且系统会进入省电模式(DAC、EQ-OP、AMP、Clock皆为休眠状态)。这时可通过各种命令对系统进行功能及状态设定操作，以达到主系统所需求的功能。

2. 系统读取/写入操作：对系统作写入操作时，CSB及WRB引脚端必须置为“0”，此时不参考RDB的信号准位。因此RDB信号连接与否取决于MCU的控制信号，若MCU未提供RDB信号时，建议将RDB信号连接至GND或CSB引脚端。

当需要对系统执行写入操作时(不论是命令信号或是数据信号)，必须在系统不是处于“忙”状态时执行。 当对系统完成写入操作后，系统会马上反应为“忙”，直到系统可继续接收新的数据或者相对应的程序处理完毕时，系统才会自动解除 “忙”状态。

读取系统的“忙”状态时，MCU D[1:0]相对反映出MCU传输模式的数据传输要求（IRQ）或“忙”状态（Busy）。

D[0] “忙”状态置“0”=系统目前可接收新的作业处理；置“1”=系统目前无法处理新的作业。

D[1] IRQ的状态置“0”=系统目前没有MIDI数据的要求；置“1”=系统目前需要新的MIDI数据。此位反映出系统是否需要新的MIDI数据作处理。系统中共有32字节的缓冲空间，当剩余的缓冲空间小于或等于所设定的字节大小(初始值为15，可通过命令 = MCU_IRQ_BYTE _SIZE更改设定值)时，此位D[1]会为”1”且脚位信号IRQB会反映出所设定的电平值(可通过命令= MCU_IRQ_高电平或低电平更改设定值)。当有新的MIDI数据被写入缓冲空间后，D[1] 位会为”0”且脚位信号IRQB会被释放。表2为控制功能描述。

MCU接口控制时序：图4所示是MCU读周期时序图。图5所示是MCU写周期时序图。

I2C模式 系统上电后将进行一系列初始化设定，初始化过程中不接收任何数据传输。系统对于I2C的地址处理能力仅支持7位寻址。I2C总线上的数据传输速率并无最低限制，最高可达4Mb以上。I2C的传输规格在此不多作说明，仅描述传输封包的方向及系统字节的关系。图6是I2C模式的SDA和SCL信号完整传输关系。图7为“主”系统对“从”系统写入数据的传输封包及确认关系。图8为 “主”系统对“从”系统读取数据的传输封包及确认关系。图9为数据传输关系及含义的解释。

I2C的主控端分为硬件电路或软件仿真。当主控端为硬件电路时，则一切都不会有问题；当主控端为软件仿真时，需要注意以下几点：

SDA及SCL为“主”系统时，通过I/O所控制。I2C信号为低电平时，I/O输出低准位；I2C信号为高电平时，I/O必须设定为输入。因为“从”系统于确认后会将SCL设定为低电平后再进行内部运算，直到运算结束可再接收另外的数据时，才会将信号释放，在此过程中，“主”系统必须监测信号是否为高电平，若不为高电平时，则必须等到信号为高电平后才可继续执行传输操作。“主”系统必须全程监测SCL为高电平状态时，才可在传输正确情况下将传输速率提高。“主”系统读取SDA的数据必须在SCL准位为高电平期间，因为在SCL为高电平的时候，SDA由低电平变为高电平时为停止工作，由高电平变低电平是启动控制，这两种状况都是由“主”系统产生的。

典型应用

1、能自动辨识方位的语音门铃 日常生活中，许多人恐怕都有出门时忘带钥匙的尴尬经历吧。自动辨识方位的语音提示门铃能解决这个问题。该电子门铃具有独特的智能语音提示功能，它能自动判别来人的进出门方向，并根据情况播放不同的提示语音。当进门时便发出：“请取钥匙、请随手关门”，当出门时则发出：“请关好门窗、关水、关电、关煤气”等提示语音。 该门铃具有功能强、用途多、音质好、成本低以及贴近生活、新颖实用等特点，深受广大消费者的喜爱。

图10所示是该语音门铃电原理图。该门铃采用了内部存储 “叮—咚—叮—咚—叮—咚—请稍等”、“请取钥匙、请随手关门”和“请关好门窗、关水、关电、关煤气”等三段语音的AN9020型OTP语音微理器IC，所有控制功能及工作时序均由IC内部电路及控制程序完成。因此具有电路简单、制作容易、性能优越、性价比高、且电路保密性好、不易仿造等特点。

AN9020的P0-2、P0-3、P0-4三个输入端口分别连接门铃按钮SB1、门控微动开关SB2和光敏电阻CDS。SB2可用两块金属片自制, SB2的开启与关闭受门扇操纵。当按下SB1时，P0-2口与直流电源的负极相通，获得负脉冲触发信号， AN9020输出“叮—咚—叮—咚—叮—咚”声电信号，经IC内部的功率放大器放大后，直推扬声器B发出三声连续的的“叮—咚”声, 停顿2s后,接着又发出“请稍等”的语音；P0-3口为开门自动提示语音触发端，当门关闭时SB2接通, AN9020无输出。当开门进屋时, SB2释放处于断开状态，AN9020延迟2s即输出内储“请取钥匙、请随手关门”电信号，经放大后，推动扬声器B发出提示语句。当外出欲开门时，首先必定经过光敏感应开关CDS，这时SB2释放处于断开状态，AN9020便输出内储的“请关好门窗、关水、关电、关煤气”电信号，经放大后，由扬声器B发出提示语音。

本电路设计的关键是自动语音触发电路。图10中的P0-2、P0-3口分别为门铃触发端和进门语音提示控制端，P0-2、P0-3之间不存在特殊逻辑关系。而P0-3口和P0-4口分别接收门状态和光敏感应(检测是否有人准备出门的光感应电信号)，以获得正确的触发信号。出门时须先后满足两个条件：第一是光敏感应头探测到有人经过；第二则是门处于打开状态，只有满足上述条件，才能播放相关提示语音。

发光二极管VD作为来人按铃的记忆指示。当有人按门铃按钮SB1, AN9020第5脚为低电平，驱动外部LED发光二极管以4Hz的频率闪烁，即表明有客人曾经来过。当进门时,先是接通SB2，然后再经过CDS光敏感应开关，其先后顺序恰好与出门时的情况相反,10s后LED自动熄灭复位。爱好者还可利用该端的这一特性扩展门铃功能，例如制作声光语音门铃、多功能彩灯音乐门铃等。

2、电冰箱音乐/语音告知器 该语音告知器的电路极其简单，核心部分就是一片AN9020，外部只需连接常闭型微动按钮开关AN1、1/8W碳膜电阻R、8Ω/1W扬声器SP。AN9020内部存储了3首8声道“聪明的一休”、“贝多芬·钢琴协奏曲片段”、“大海啊，故乡” 音乐，每首乐曲的长度大约在30～40s，并存储有“请关好冰箱”、“嘀、嘀、嘀－请关好冰箱门”等6段音乐/语音信息。本告知器也可采用CDS光敏感应开关取代按钮开关，其基本电路可参照图10。

当电冰箱门关闭时，由于箱门的机械作用力，将安装在箱门框内侧的告知器微动按钮开关AN1的常闭触点顶开，这时，IC1的电源回路断开，电路不工作。当开启电冰箱门时，微动开关AN1自动释放，常闭触点便接通3V电源回路。IC1为上电触发工作模式，即上电后，首先随机播放IC1内储存的3首音乐中的1首，播放完毕后，假如此时箱门未关好，便接连3遍发出“请关好箱门”提示语音，如果箱门仍未关好的话，扬声器SP连续不断地发出响亮的“嘀、嘀、嘀－请关好冰箱”的警告语，直到冰箱门关好为止。

3、超声波防盗声光警戒器超声波防盗声光警戒器由超声波发送、接收、时间计测、检测单元、采样和校正、警报声发生、警灯驱动等软硬件功能单元组成。图11所示为电路原理图。

超声波发送部分包括超声波信号发生、放大及换能器等。超声波发送脉冲信号由AN9020的P0-7口送出，发送脉冲频率为40kHz，其脉冲宽度及脉冲间隔均由软件控制。脉冲宽度约为125μs。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离等。由三极管Q2将电信号放大后，经脉冲变压器T2（变比为1∶10）升压处理，最后由超声发送换能器T将电信号脉冲转换为40kHz的超声波定向往外辐射。

超声波接收部分由接收换能器R、比较器、放大单元及控制电路等组成。当遇到物体反射回的超声波被接收换能器R接收，由于在距离较远的情况下接收的回波信号微弱，因而转换为电信号的幅值也较小，采用高速运算放大器LM358二级放大，其带宽为15MHz，放大倍数为100倍时，能充分满足要求；放大后的交流信号送入Q4三极管比较器，其作用是将交流信号整形输出一个方波信号，然后再由T8050三极管Q1放大后，直接输入到AN9020的P0-6口。AN9020 立即产生控制信号和警报声输出，一路由P0-0口输出每秒钟3Hz频率的脉冲信号，经三极管Q3放大推动继电器吸合，使流动式红蓝警灯交替闪烁；与此同时，AMP-P、AMP-N输出语音信号，推动扬声器发出警报声以及“站住，不许动！你已在有效监控范围”等语音。

本电路还可用于超声波测距的汽车倒车语音提示器、危险地禁区语音告警电子标示牌、垂钓用的“语音型鱼群探测器”等。