新控制技术的应用研究

丁江明 祝乾坤 赵英萍 洪睿 冯月明

摘要：设计在歌曲中叠加超声波控制信号，通过常用放音设备（DVD、手机、电脑、音响等）的扬声器播出歌曲，来控制玩具进行互动对唱及按音乐节奏跳舞，增加了玩具的逼真性和趣味性。首次在互动玩具中使用超声波控制技术，并完成软硬件设计和制作出成品，启发人们在更广泛领域对实用产品进行创意。

关键词：动漫洐生品 互动玩具 新控制技术 音乐中叠加超声波

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

1研究背景

2011年10月，中共中央十七届六中全会通过了大力发展文化产业的决定，随着国务院《文化产业振兴规划》、文化部《十二五时期文化产业倍增计划》、国家十二五发展规划的《文化产业规划纲要》先后出台，文化产业已成为国家重要的支柱产业和新的经济增长点。

为此，我设想用在音乐中叠加超声载波的方式来设计一款智能互动玩具，通过调查、咨询了解到，市场上还没有这种控制类型的互动玩具，属于符合我国文化产业振兴发展的方向的动漫洐生品。

2设计思路

市场上有一种纯电动圣诞老人玩具，只有简单的功能：打开电源就能按固定节奏摇摆和动嘴唱出单一圣诞歌曲。用这款玩具为基础，通过以下的设计、改造：在放音设备（DVD、手机、电脑、音响等）的扬声器播放歌曲的同时，也播放出在歌曲中叠加的超声载波控制信号，控制玩具与放音设备进行对唱、合唱和按播放音乐的不同节奏跳舞，既增加了玩具的逼真性和趣味性，又为传统玩具市场填补了空白。

2.1电动功能

纯电动圣诞老人玩具中，嘴巴动作是通过嘴动马达驱动电路的通断使其内部齿轮动作来模拟人的嘴动的。只要设计、制作出歌曲中由玩具唱出部分的控制电信号，就能实现玩具的对唱、合唱功能。只要设计、制作出歌曲中音乐节奏的控制电信号，就能实现玩具按音乐节奏跳舞的功能。

2.2音源处理

为实现以上电动功能，就必须对播放的歌曲进行技术处理。根据歌曲的结构分成三个部分：纯音乐、人声和节奏。因为利用专业的音乐编辑软件（EasyTone_V1.00.35，以下称EasyTone），只能将音乐分成左右声道，左声道是背景音乐，右声道是前景音乐。先将人声部分分成AB两类，A类为外部播放部分，B类为玩具唱歌部分，如果AB交互则实现对唱，如AB重复则实现合唱，由嘴动马达完成嘴动，由喇叭完成歌唱。

将纯音乐、A类歌曲和超声波控制信号（含AB交互控制信号及节奏控制信号）录制成背景音乐，B类歌曲及其对应的节奏录制成前景音乐，烧录进语音芯片（或称：语音IC）。

2.3工作原理（图1）

2.4系统组成（图2）

超声波圣诞老人玩具的超声波控制信号频率采用21kHz，通过EasyTone把左声道的背景音乐合成超声波的信号编码（1～255），再把前景音乐烧录进语音IC，利用外界的喇叭播放混合好的背景音乐；当超声波解码模组接收到超声波的编码后，把码制传送到语音IC，再由语音IC驱动马达和前景音乐，由于超声波控制信号人耳听不到，播放混合加载了超声波控制信号的歌曲，不会影响正常的歌曲的听觉效果。

3设计制作过程

3.1软件部分设计

3.1.1 指令部分的设计

首先，利用EasyTone软件将不同控制指令进行编码。

第1：根据歌曲的结构分成3个部分：纯音乐、人声和节奏。

第2：人声的部分平均0.5秒插1个ToneCode（EZToneTool支持0.5秒自动插ToneCode），根据0.5秒内单词的个数来决定张嘴的次数（51--55），有拉长音的地方需要抖动（先插50，再插59）。

第3：纯音乐的部分可以插41/40来启动/停止头肩动马达（不用平均0.5秒插，但是注意不要和其他的ToneCode间隔小于480ms ）。

第4：节奏的部分，不用插ToneCode。

第5：如果音乐开头就要有动作，事先要在歌曲开头增加一段350ms的静音，把ToneCode插在这段静音上，其他的ToneCode 也要提前350ms （以后写个工具自动移动ToneCode）。

每一个编码就是一个指令，可以控制实物做一个动作。8位二进制指令范围是1～255，可自定义自己需要的指令及应用。

由逻辑位0、1二进制组成的1个字节（8bit）。规定“0”为某频率波形的叠加并持续一段时间；“1”为另外频率波形的叠加并持续一段时间，当将上述频率波形按序列依次产生，即形成了一段波形组合。

将不同指令编码的超声波加载混合到音频声音内，采用EasyTone软件将不同控制指令进行编码，调制成9位数据格式（8位的数据位加一位奇偶校验位）的超声波控制信号（21kHz），即一个超声波编码信息时长为310ms，每个编码信息包括8位数据位，1位校正位，相邻的两个超声波编码信息之间相隔最小310ms，按照歌曲的音乐节奏或格式内容加载到wav格式的歌曲中，将所述歌曲存储到电脑或移动播放设备的存储器中。

超声波编码方式：

1个起始位+8个数据位+1个校验位，总时长310ms，1个起始位40ms，8个数据位240ms，1个奇偶校验位30ms。

1个起始位的编码规则：30ms超声波信号，10ms静音；

1个数据0的编码规则：10ms的信号，20ms的静音；

1个数据1的编码规则：20ms的信号，10 ms的静音；

奇偶校验位：把8位数据位相加，得到1为奇数位0为偶数位。

3.1.2 背景音乐的合成（图3）

3.1.3 前景音乐的调用

当超声波解码模组接收到超声波的编码后进行解码，把解码后码制通过串行通讯的方式传送到语音IC，控制语音IC播放相应的前景音乐片段。

解码方式：（1）起始位：读AD信号，如果连续30ms是高电平，那么判为“起始位”，等到下一个上升沿，开始判断数据位。（2）15ms后读一次AD的讯号，如果是高电平，那么判为1，低电平判为0。

3.2硬件电路设计

3.2.1 系统框图

玩具须包括壳体、内置的传动装置（嘴动电机、头肩动电机）、内设置扬声器和控制电路板。超声波接收器用话筒（MIC）接收，控制电路板上须设置有微处理芯片、存储器、D/A信号转换器、功率运算放大电路、驱动电路等，如图4所示。

3.2.2控制电路设计

利用计算机电路图设计软件altium designer来设计、绘制电路原理图（附后）。

3.2.3电路工作原理

（1）麦克风：接收超声波的信号；

（2）一级运算放大器LM358：把微小的超声波信号放大；

（3）二级运算放大器LM358：高通滤波，让超声波的信号通过，滤除其他的音频信号；

（4）模数转换SNCAD02：把超声波的信号转换成数字信号；

（5）主控芯片SNC715：接收数字信号后解码，并且把码值通过串行SPI通讯的方式传给从控芯片；

（6）从控语音芯片SNC26000：接收到码值后，驱动玩具嘴动电机、头肩动电机和扬声器发声。

3.3技术参数

（1）电源电压： 4.5V。

（2）TV/DVD/CD 播放声音输出音量60～75dB时，接收距离大于8米。

（如需更长距离，可加大放音功率）。

（3）水平控制角度： -90°～90°，

垂直控制角度： -45°～45°。

4存在的问题与改进思路

（1）不同主人在距离8米范围内同时使用该玩具时，会互相干扰。

解决的办法：给每个玩具增加不同的识别码。

（2）附近有大电器开关动作时，玩具可能会有误动作。

解决的思路：电器开关干扰为单一信号触发，可采用另加一路不同的控制信号加载到超声波上，使语音芯片需要两路信号同时控制才能触发，避免其误动作。

参考文献

[1]席细平，马重芳，王伟.超声波技术应用现状[J].山西化工，2007.

[2]范百刚.超声原理与应用[M].江苏科学技术出版社，1984.

[3]赵广林.新型语音芯片应用手册.电子工业出版社，2008.

[4]高 平.电子线路设计基础.化学工业出版社，2007.

[5]李响初.数字电路基础与应用.机械工业出版社，2008.