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IC卡電子語音書
摘要：基于ISD單片語音錄放集成電路和大容量IC卡，給出了IC卡電子語音書的設計方法。這種電子語音書具有體積小、重量輕、用電省和成本低的特點。關鍵詞：IC卡 語音錄放 文本轉換
所謂"IC卡電子語音書"，即讀取IC卡中的信息，再將其轉換成聲音信息，用以取代現(xiàn)有的書籍的電子裝置，可供不便于視覺閱讀的人群（如老年人、盲人或患者等）使用。
目前，國內(nèi)市場銷售的IC卡的容量可達500K字節(jié)，如直接存儲語音信號（以8K/秒采樣率計），可存儲約62.5秒的直接語音信息。雖然所存儲的音質(zhì)比較好，但顯然還不能滿足一般書藉大量信息存儲的要求。筆者以漢字的語音編碼（自定義）形式存儲，存儲一個漢字只占用1.5個字節(jié)（12位），則500K字節(jié)的IC卡可存儲的漢字不少于33.3萬個，可連續(xù)播放近30小時，足以滿足實用要求。
本文給出的設計方案以AT89LV51單片機為微處理機，配以ISD4004作語音支持，采用AT45D041型IC卡作為電子書籍信息存儲載體。AT45D041型IC卡是由美國ATMEL公司于近年推出的大容量存儲卡（4M位），是目前市場上易于購得的容量最大的IC卡。隨著技術的進步，改用容量更大的其它類型IC卡時，只要通訊方式不變，本設計方案仍然適用。即使是通過方式有所改變，亦只需對本設計方案銷作修改即可。
該裝置的基本工作過程如下：首先將漢字文本文件（如《三國演義》）轉換成語音編碼文件存儲于IC卡中（這一工作由PC機完成）；然后，當IC卡電子語音書工作時，播放裝置中的CPU將從IC卡中讀出語音編碼；最后，CPU再按此編碼控制ISD單片語音錄放電路，播放出相應的語音。
本設計方案是一個經(jīng)濟實用型電子語言書基本設計方案，雖然在音質(zhì)方面不如語音直接存儲的方案，但具有裝置成本低廉、體積小巧、用電省和連續(xù)播放時間長的優(yōu)勢。
1 硬件設計
播放裝置的電氣原理圖如圖1所示。
圖1 IC卡電子語音書電氣原理圖
本設計中設有6個按鍵，分別為"播放"（BUTTON0）、"快進"（BUTTON1）、"慢進"（BUTTON2）、"快退"（BUTTON3）、"慢退"（BUTTON4）和"停止"（BUTTON5）。
為了能夠在下一次開機時從上一次中止處繼續(xù)播放，需要一個掉電保持的數(shù)據(jù)存儲器，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）電池，因此需采用升壓式開關型穩(wěn)壓電源，本文采用的是MAX856。為了節(jié)省電池消耗，本裝置應具有自動斷電的功能。按下"播放"鍵時，MAX856芯片1腳將抬高為高電平，裝置上電。以后每隔16秒由單片機向MAX856芯片1腳發(fā)送一個高電平脈沖，讓裝置繼續(xù)被供電。當定時時間（60分鐘）到時，裝置停止向MAX856芯片發(fā)送高電平脈沖，則裝置自動斷電。
本設計中采用的AT45D041型大容量IC存儲卡的主要功能和技術參數(shù)如下：
（1）具有與SPI兼容的串行接口；
（2）4325376位；
（3）低功耗，動態(tài)電流為15mA，靜態(tài)待機電流為20μA；
（4）最大時鐘頻率為10MHz。
AT45D041型大容量IC存儲卡的引腳及命令請參閱參考文獻[1]。圖1中IC_CARD的1～8腳對應于AT45D041的1～8引腳；9和10為IC卡座的輔助觸點，用于檢測IC卡是否已插入。
本設計中采用的ISD4004語音芯片的主要功能和技術參數(shù)如下：
（1）16分鐘語音錄放，最小段長200～400ms（本設計采用300ms）；
（2）最大段數(shù)2400段；
（3）SPI接口方式。
ISD4004語音芯睡的主要引腳及與單片機的連接方法描述如下：AUD OUT--輸出音頻信號，為了得到較大的輸出，采用功率放大器LM386進行放大再提供給耳機或喇叭。SS--片選，低電平有效，兩條指令之間為高電平。MOSI--串行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數(shù)據(jù)放到本端。MIS0--串行輸出端。SCLK--串行時鐘輸入端，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個端子分別接單片機的P1.7～P1.4。/INT--中斷，本端為漏極開路輸出，在任何操作中檢測到EOM或OVF時，本端變低并保持；接單片機的INT0。RAC--行地址時鐘，漏極開路輸出，用于存儲管理，接單片機的P1.3。
2 語音碼文件的形成
ISD4004語音芯片是按段存放聲音的，每段一個音，每個音300ms。但應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)音并無漢字（如：wai2、sai3、ka2等）。對于每一個不同的音，又有5個基本的發(fā)聲（即陰平1、陽平2、上聲3、去聲4和輕聲5）順序。只要有漢字與之對應（相同發(fā)音只取一個），則賦予其一個編碼，如此即可得到全部語音碼。漢字現(xiàn)有發(fā)音共計1311個。設計時，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（1311漢字+26英文字母）語音碼，亦即1337個語音。用1.5個字節(jié)可存儲一個語音碼（亦即1個漢字讀音），則4M位的IC卡可存儲近349500個漢字語音。語音碼確定后，即可將1337個語音按語音碼的順序寫放ISD4004語音芯片中。
首先按GB2312-80給出兩級漢字的內(nèi)碼與語音碼的轉換表，參見表1。對于給定的文本文件中的每個字，只需查出其區(qū)位碼，然后通過查表即可得到其拼音碼，最后將拼音碼寫入大容量IC卡。對于標點符號，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，對于這些漢字將有多個語音碼與之對應。究竟轉換為哪個語音碼，則需參考該漢字的前一漢字或后一漢字。仍不能確定時，應取出現(xiàn)概率為最大的音（如和，取he2）。
表1 區(qū)位碼與拼音碼的轉換表（片段）
采用VB程序將電腦中的文本文件轉換成本文的語音碼，并將其寫入IC卡中，從而形成了"電子語音書"。不同IC卡裝有不同的內(nèi)容，即不同的"書"。注意到IC卡的內(nèi)容是可以改寫的，一本書聽過之后，還可以到特約的服務點換一本新的"書"來聽。
按照本文給出方案所設計的IC卡電子語音書插放裝量的體積約為120mm×80mm×14mm。本裝置的語音發(fā)音略顯生硬。如能進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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