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基于语音合成芯片TC8830AF的语音报时系统的设计.doc
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基于语音合成芯片TC8830AF的语音报时系统的设计.doc
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目 录
绪 论 ...............................................................................................................................................1
第 1 章 语音合成技术概述 ...........................................................................................................2
1.1 语音信号................................................................................................................................2
1.1.1 语音有关的术语概念 .....................................................................................................2
1.1.2 语音信号的采样频率 .....................................................................................................2
1.2 语音的数字合成方法............................................................................................................2
1.2.1 波形存储法 ....................................................................................................................2
1.2.2 参数合成法 ....................................................................................................................3
1.2.3 规则合成法 ....................................................................................................................3
1.3 语音记录与语音库的建立...................................................................................................4
1.3.1 语音记录 .........................................................................................................................4
1.3.2 语音库的建立 .................................................................................................................4
1.4 语音输出与语音库的调取...................................................................................................5
1.4.1 语音输出 .........................................................................................................................5
1.4.2 语音库的调取 .................................................................................................................5
第 2 章 8031 单片机功能简介 ......................................................................................................6
2.1 8031 单片机的组成及结构...................................................................................................6
2.1.1 8031 单片机的基本组成 ................................................................................................6
2.1.2 8031 单片机处理器及内部结构 ....................................................................................6
2.2 8031 单片机的引脚功能.......................................................................................................7
2.3 CPU 时序...............................................................................................................................9
2.4 8031 单片机的指令系统.......................................................................................................9
2.5 8031 的中断系统.................................................................................................................10
2.5.1 中断的定义 ...................................................................................................................10
2.5.2 中断系统 ......................................................................................................................10
2.5.3 中断响应 ......................................................................................................................11
第 3 章 语音芯片 TC8830AF 的基础知识和外围电路 .............................................................12
3.1 语音芯片 TC8830AF 简介.................................................................................................12
3.2 引脚功能.............................................................................................................................13
2
3.3 操作原理..............................................................................................................................14
3.3.1 如何完成命令的写入 ..................................................................................................14
3.3.2 TC8830AF 语音芯片 11 种命令简要说明 ..................................................................14
3.3.3 TC8830AF 语音芯片状态寄存器简介 ........................................................................15
3.3.4 声音再生的有关流程框图 ..........................................................................................16
3.3.5 标记索引方式下的操作 ..............................................................................................16
3.4 TC8830AF 语音合成芯片的外围电路...............................................................................18
第 4 章 语音报时系统的设计 .....................................................................................................19
4.1 语音报时系统的总体设计思想及工作原理.....................................................................19
4.2 语音报时系统的硬件设计..................................................................................................19
4.2.1 硬件的模块化设计 ......................................................................................................19
4.2.2 语音报时系统的硬件总体设计 ...................................................................................21
4.3 语音报时系统的软件设计.................................................................................................24
4.3.1 语音录制系统的软件设计 ...........................................................................................24
4.3.2 语音报时系统的软件设计 ...........................................................................................25
设 计 小 结 .................................................................................................................................33
1 系统评价................................................................................................................................33
2 体会........................................................................................................................................33
致 谢 ...........................................................................................................................................34
参考文献 .......................................................................................................................................35
附录 源程序清单 .........................................................................................................................36
1
绪 论
随着现代社会电子技术的发展和生产生活实际的需求,语音合成电路的应用将日益广
泛。尤其用在智能仪器仪表上,能使设备的功能增强,给使用者带来极大方便。在许多不
便于直接目测的场合,将检测结果用语音输出,实现以耳听代替目测,会收到很好的效果。
目前,市场上已有许多语音合成芯片供选择、开发应用,如 ISD4002、TMS3477、
YYH16、T6668 和 TC8830AF 等都具有较强的记录功能,可以应用于许多语音专用系统。
本次设计选用高级语音处理器 TC8830AF 语音合成芯片,这种语音芯片是由东芝公司推出
的使用自适应增量 δ 调制(ADM)方式的大规模集成电路,连接 EPROM27256 固化语音数据,
外围配置扬声器和放大器组成的音频电路。单片机 8031 给出语音存放的地址信号和控制
信号可实现语音的录制和放音,达到报时的目的。
本课题在具体设计前详细介绍了语音合成的基本原理,叙述了三种语音合成的方法:
波形存储法,分析合成方式以及规则合成方式,并对波形存储方式及其分类做了详细叙述。
了解基本原理之后,就进入了设计部分。本课题既详细介绍了TC8830AF语音芯片的特点、
结构、基本工作原理及其外围电路,同时又对8031微处理器的结构和基本原理做了简要的
叙述,并且在此原理及特性基础上进行语音报时系统的硬件及软件设计。
2
第 1 章 语音合成技术概述
1.1 语音信号
1.1.1 语音有关的术语概念
(1)语音
由人的声道发出的声音,主要由共振峰确定其频率特性。
(2)发音
所谓发音是指出语音的基本生理过程。语声波形是一种声压波。语音主要是由于声带
振动而发出的声能。
(3)声道
声道是一根从声门延伸到嘴唇的非均匀截面的声管,它的形状变化是时间的函数。
(4)共振峰
由一些语音引起声道共振,组成一个音响共鸣系统。声道管的谐振频率和声道的形状
与大小有关,每种形状都有一种或一套共振峰频率作为特征。
(5)滑音
是一种中间形式,即发音时,从某个音素A变化到另一个音素B时,便产生一种从A的
固有发音形式转向B的固有发音形式的中间发音形式。
1.1.2 语音信号的采样频率
香农采样定理表明,语音信号的采样频率是语音所必需的频带宽度的2倍以上。例如,
要保持最高频率为5kHz带宽的频谱,采样频率最低必须为10kHz。
人的耳朵可听到频率为20Hz-20kHz的声音。在处理连续语音时,我们可以根据前后的
信息进行估计与识别的处理,所以用8kHz就足以胜任了。
对语音信号进行采样的频率叫做采样频率,将采样频率 f 乘以语音信号采样值的编码
位数 m,即 f×m,就得到了表征语音合成芯片的一个重要参数指标——比特率。f×m,就是
存储 1 秒钟的语音信息所必需的位数,其数值与传输语音信号的线路所必需的频带宽度有
关系。
1.2 语音的数字合成方法
1.2.1 波形存储法
波形存储法是一种相对简单的语音合成技术。其基本思想和作法是:首先由人讲一些
单词、词组或短语,在内存中建立特别的词汇语音库,然后就可以在今后的处理过程中,
将相应的数字量调取出来。在建立词汇语音库的过程中,将特定的单词、词组或短语的声
波波形通过转变成数字信号而存入存储单元中。
图1.1所示为波形存储法的过程示意图。
3
图1.1 波形存储法过程示意图
1.2.2 参数合成法
参数合成法也称为分析合成法,是一种比较复杂的方法,它是基于分析与模拟人的发
音器官,以便寻求并建立描述过程。可以有共振峰、频谱包络和声道滤波三种方式来提取
语音信息,因此这种方法不是直接利用人发出的声音,而是从人的语音中提取与语音参数
有关的特征参数。最常用的方法是提取PARCOR系数(偏自相关系数)和LPC系数(线性
预测系数)。在合成过程中,通过相应数学模型的计算去人工控制这些参数的合成。实现
合成的方法,则因线性预测系数、语音共振峰等而各不相同。利用这种方法,信息量可压
缩到1200—9600bps。
另外,所提取出的PARCOR系数也好,LPC系数也好,都是将数据存放入计算机内存
中,当要合成某个语音时,就去调用已存储在相应的内存单元中的系数,通过有关运算还
原出数字语音,以便最终获取声音。不过,这种方式也受内存容量的限制,所能合成的词
汇数也是有限的。
图1.2所示是用参数合成法实现的语音输出系统原理示意图。
图1.2 用参数合成法的装置框图
1.2.3 规则合成法
规则合成法以音素法为例,它将每个发音的音素(对应具有固定或一定范围的频率)
预处理。将含有所
需单词、句的话音
由声转电信号
采样获得语音
信号的数字表
示
建 立 所
要 求 的
语音库
存储器
待 合 成
内容
计算机根据词
汇表结构,按
一定规则获取
语音数据
组织逻辑
语 音 合
成装置
功放
扬
声
器
CPU
存储器
I/O 接口
电路
通信
接口
语音合成部分
专用存储器
控 制 接
口电路
语 音 合 成
器
总线
上位机
扬
声
器
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