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IC卡電子語(yǔ)音書(shū)
摘要：基于ISD單片語(yǔ)音錄放集成電路和大容量IC卡，給出了IC卡電子語(yǔ)音書(shū)的設(shè)計(jì)方法。這種電子語(yǔ)音書(shū)具有體積小、重量輕、用電省和成本低的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：IC卡 語(yǔ)音錄放 文本轉(zhuǎn)換
所謂"IC卡電子語(yǔ)音書(shū)"，即讀取IC卡中的信息，再將其轉(zhuǎn)換成聲音信息，用以取代現(xiàn)有的書(shū)籍的電子裝置，可供不便于視覺(jué)閱讀的人群（如老年人、盲人或患者等）使用。
目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷(xiāo)售的IC卡的容量可達(dá)500K字節(jié)，如直接存儲(chǔ)語(yǔ)音信號(hào)（以8K/秒采樣率計(jì)），可存儲(chǔ)約62.5秒的直接語(yǔ)音信息。雖然所存儲(chǔ)的音質(zhì)比較好，但顯然還不能滿(mǎn)足一般書(shū)藉大量信息存儲(chǔ)的要求。筆者以漢字的語(yǔ)音編碼（自定義）形式存儲(chǔ)，存儲(chǔ)一個(gè)漢字只占用1.5個(gè)字節(jié)（12位），則500K字節(jié)的IC卡可存儲(chǔ)的漢字不少于33.3萬(wàn)個(gè)，可連續(xù)播放近30小時(shí)，足以滿(mǎn)足實(shí)用要求。
本文給出的設(shè)計(jì)方案以AT89LV51單片機(jī)為微處理機(jī)，配以ISD4004作語(yǔ)音支持，采用AT45D041型IC卡作為電子書(shū)籍信息存儲(chǔ)載體。AT45D041型IC卡是由美國(guó)ATMEL公司于近年推出的大容量存儲(chǔ)卡（4M位），是目前市場(chǎng)上易于購(gòu)得的容量最大的IC卡。隨著技術(shù)的進(jìn)步，改用容量更大的其它類(lèi)型IC卡時(shí)，只要通訊方式不變，本設(shè)計(jì)方案仍然適用。即使是通過(guò)方式有所改變，亦只需對(duì)本設(shè)計(jì)方案銷(xiāo)作修改即可。
該裝置的基本工作過(guò)程如下：首先將漢字文本文件（如《三國(guó)演義》）轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音編碼文件存儲(chǔ)于IC卡中（這一工作由PC機(jī)完成）；然后，當(dāng)IC卡電子語(yǔ)音書(shū)工作時(shí)，播放裝置中的CPU將從IC卡中讀出語(yǔ)音編碼；最后，CPU再按此編碼控制ISD單片語(yǔ)音錄放電路，播放出相應(yīng)的語(yǔ)音。
本設(shè)計(jì)方案是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用型電子語(yǔ)言書(shū)基本設(shè)計(jì)方案，雖然在音質(zhì)方面不如語(yǔ)音直接存儲(chǔ)的方案，但具有裝置成本低廉、體積小巧、用電省和連續(xù)播放時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。
1 硬件設(shè)計(jì)
播放裝置的電氣原理圖如圖1所示。
圖1 IC卡電子語(yǔ)音書(shū)電氣原理圖
本設(shè)計(jì)中設(shè)有6個(gè)按鍵，分別為"播放"（BUTTON0）、"快進(jìn)"（BUTTON1）、"慢進(jìn)"（BUTTON2）、"快退"（BUTTON3）、"慢退"（BUTTON4）和"停止"（BUTTON5）。
為了能夠在下一次開(kāi)機(jī)時(shí)從上一次中止處繼續(xù)播放，需要一個(gè)掉電保持的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，本文中使用了AT24C01A。
為使播放裝置的體積和重量盡可能減小，本裝置僅使用一節(jié)AA型（即5號(hào)）電池，因此需采用升壓式開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源，本文采用的是MAX856。為了節(jié)省電池消耗，本裝置應(yīng)具有自動(dòng)斷電的功能。按下"播放"鍵時(shí)，MAX856芯片1腳將抬高為高電平，裝置上電。以后每隔16秒由單片機(jī)向MAX856芯片1腳發(fā)送一個(gè)高電平脈沖，讓裝置繼續(xù)被供電。當(dāng)定時(shí)時(shí)間（60分鐘）到時(shí)，裝置停止向MAX856芯片發(fā)送高電平脈沖，則裝置自動(dòng)斷電。
本設(shè)計(jì)中采用的AT45D041型大容量IC存儲(chǔ)卡的主要功能和技術(shù)參數(shù)如下：
（1）具有與SPI兼容的串行接口；
（2）4325376位；
（3）低功耗，動(dòng)態(tài)電流為15mA，靜態(tài)待機(jī)電流為20μA；
（4）最大時(shí)鐘頻率為10MHz。
AT45D041型大容量IC存儲(chǔ)卡的引腳及命令請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)[1]。圖1中IC_CARD的1～8腳對(duì)應(yīng)于AT45D041的1～8引腳；9和10為IC卡座的輔助觸點(diǎn)，用于檢測(cè)IC卡是否已插入。
本設(shè)計(jì)中采用的ISD4004語(yǔ)音芯片的主要功能和技術(shù)參數(shù)如下：
（1）16分鐘語(yǔ)音錄放，最小段長(zhǎng)200～400ms（本設(shè)計(jì)采用300ms）；
（2）最大段數(shù)2400段；
（3）SPI接口方式。
ISD4004語(yǔ)音芯睡的主要引腳及與單片機(jī)的連接方法描述如下：AUD OUT--輸出音頻信號(hào)，為了得到較大的輸出，采用功率放大器LM386進(jìn)行放大再提供給耳機(jī)或喇叭。SS--片選，低電平有效，兩條指令之間為高電平。MOSI--串行輸入端，主控制器應(yīng)在串行時(shí)鐘上升沿之前半個(gè)周期將數(shù)據(jù)放到本端。MIS0--串行輸出端。SCLK--串行時(shí)鐘輸入端，由主控制器產(chǎn)生，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸。上述4個(gè)端子分別接單片機(jī)的P1.7～P1.4。/INT--中斷，本端為漏極開(kāi)路輸出，在任何操作中檢測(cè)到EOM或OVF時(shí)，本端變低并保持；接單片機(jī)的INT0。RAC--行地址時(shí)鐘，漏極開(kāi)路輸出，用于存儲(chǔ)管理，接單片機(jī)的P1.3。
2 語(yǔ)音碼文件的形成
ISD4004語(yǔ)音芯片是按段存放聲音的，每段一個(gè)音，每個(gè)音300ms。但應(yīng)注意到有許多字具有相同的發(fā)音（如ye3：也、冶、野）；而有些發(fā)音并無(wú)漢字（如：wai2、sai3、ka2等）。對(duì)于每一個(gè)不同的音，又有5個(gè)基本的發(fā)聲（即陰平1、陽(yáng)平2、上聲3、去聲4和輕聲5）順序。只要有漢字與之對(duì)應(yīng)（相同發(fā)音只取一個(gè)），則賦予其一個(gè)編碼，如此即可得到全部語(yǔ)音碼。漢字現(xiàn)有發(fā)音共計(jì)1311個(gè)。設(shè)計(jì)時(shí)，把所有不同的音按英文字節(jié)和發(fā)聲順序排列，共有1337個(gè)（1311漢字+26英文字母）語(yǔ)音碼，亦即1337個(gè)語(yǔ)音。用1.5個(gè)字節(jié)可存儲(chǔ)一個(gè)語(yǔ)音碼（亦即1個(gè)漢字讀音），則4M位的IC卡可存儲(chǔ)近349500個(gè)漢字語(yǔ)音。語(yǔ)音碼確定后，即可將1337個(gè)語(yǔ)音按語(yǔ)音碼的順序?qū)懛臝SD4004語(yǔ)音芯片中。
首先按GB2312-80給出兩級(jí)漢字的內(nèi)碼與語(yǔ)音碼的轉(zhuǎn)換表，參見(jiàn)表1。對(duì)于給定的文本文件中的每個(gè)字，只需查出其區(qū)位碼，然后通過(guò)查表即可得到其拼音碼，最后將拼音碼寫(xiě)入大容量IC卡。對(duì)于標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，將其處理為停頓（不發(fā)聲）。值得注意的是，有些漢字（如：和，he2、he4、huo2、huo4、hu2）有多種發(fā)音，對(duì)于這些漢字將有多個(gè)語(yǔ)音碼與之對(duì)應(yīng)。究竟轉(zhuǎn)換為哪個(gè)語(yǔ)音碼，則需參考該漢字的前一漢字或后一漢字。仍不能確定時(shí)，應(yīng)取出現(xiàn)概率為最大的音（如和，取he2）。
表1 區(qū)位碼與拼音碼的轉(zhuǎn)換表（片段）
采用VB程序?qū)㈦娔X中的文本文件轉(zhuǎn)換成本文的語(yǔ)音碼，并將其寫(xiě)入IC卡中，從而形成了"電子語(yǔ)音書(shū)"。不同IC卡裝有不同的內(nèi)容，即不同的"書(shū)"。注意到IC卡的內(nèi)容是可以改寫(xiě)的，一本書(shū)聽(tīng)過(guò)之后，還可以到特約的服務(wù)點(diǎn)換一本新的"書(shū)"來(lái)聽(tīng)。
按照本文給出方案所設(shè)計(jì)的IC卡電子語(yǔ)音書(shū)插放裝量的體積約為120mm×80mm×14mm。本裝置的語(yǔ)音發(fā)音略顯生硬。如能進(jìn)一步引入智能處理算法，使各漢字發(fā)音之間的連接變得柔和一些，發(fā)聲效果將得到改善。
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