语音处理系统在电动汽车声音模拟器中的研究与应用

王晓丽 和雪姣 黄志福

(1:吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，长春 130118;2:启明信息技术股份有限公司，长春 130122)

在交通发达的现代社会，大街小巷行驶着各种机动车辆都能发出不同程度的声音，行走在马路上的人们已熟悉了各种不同车辆的发动机声音，凭耳朵就能判断出其行驶的速度与距离.但近年来推出的电动助力汽车，由于使用噪声很低的无刷电机，人们几乎感觉不到它的存在，这在靠近行人时尤其危险.此时如果鸣响喇叭予以提醒，一是不够文明;二是当行人突然听到喇叭声临近会“慌不择路”，反而易导致事故发生.而要让噪声分贝很低的电动助力汽车使行人感到它的临近，有意识地去提高电动机的声音又觉得不妥.为此，若在电动汽车中装载上声音模拟器，专用于播放模拟电动汽车在不同速度下行驶时发出的声音，对行人做出避让提示，既环保又大大提高了电动汽车行驶的安全性.

1 声音模拟器的功能及特点

在电动汽车上安装声音模拟器，包括机壳、内置足够功率的扬声器和记录了模拟汽车发动机声音的电路线路板，机壳的上面板上设有音量调节旋钮和模拟声指示灯;在机壳的正侧面设有电源指示灯，汽车模拟声按钮，声音模拟器的电源取自电动汽车蓄电池，其中，音量调节旋钮还与把手上的霍尔并联连接.

当电动车的驾驶者看到前面有行人正在同方向行走，或者行人横过道路未发现侧后方有电动汽车驶来时，即可打开模拟声开关，根据实际需要而发出汽车的模拟声，提醒行人回头观望，从而采取避让措施.

声模拟器具有3个特点:①声音柔和;②能够提醒行人，尽量不产生噪声污染;③声音抵消电驱动系统自身的高频噪音.

2 声音模拟器中语音处理系统的功能及特点

该方案中，利用MCU和音频放大芯片，通过霍尔信号和转动方向盘信号(以下简称转把信号)来检测当前的车速，播放模拟电动汽车在不同速度下行驶的声音，从而对行人做出避让提示.利用MCU和语音处理软件实现的声音处理系统的原理如图1所示.其中:

图1 系统原理

(1)HALL信号与转把信号通过A/D转换器输入MCU;

(2)定时器输出的PMW频率为80 K;

(3)电源电压为48 V;

(4)校准器为5 V输出稳压芯片稳压管;

(5)功能模块输出电压为15 V.

该方案具有如下功能及特点:

(1)操作简单，利用上位机软件，可以快速得到需要的音频数据文件;

(2)占用资源少，MCU使用端口少，只需要利用2个8 bit的定时器，以及一个PWM的输出端口，即可满足音频输出要求［1］;

(3)兼容性强，该音频放大芯片，可使用的MCU多样化，软件音频库可以适用于大部分的MCU产品;

(4)扩展性好，该方案的MCU也可以同时用于新能源电动汽车的主面板的控制.

3 语音处理系统

3.1 主控MCU资源的使用

由于该方案具有通用性，因此使用ROM较大且资源丰富的通用芯片.该芯片有内置8 M振荡器，最多有55个I/O可供选择，具有低电压保护功能，丰富的通讯接口，多路定时器，以及看门狗功能，该MCU还集成了乘除法器的模块［2］.主控MCU资源的使用见图2.其中:

(1)MCU:VDD=2.7 V ～5.5 V ，T A=(－40)～(+85)℃;

(2)8位定时器:需要两个8位定时器和一个PWM的输出;

(3)A/D转换功能模块:前端对模拟信号的采集需要用到A/D端口;

(4)存储器:128 KM，为了存放音源数据，需要较大的ROM空间;

(5)中断控制:如果需要判断霍尔信号，需要用到外部中断信号;

(6)外部震荡器:为了获得更高的PWM频率，使用20 M的外部振荡器.

图2 主控MCU资源使用框图

3.2 音频放大器

该放大器在8Ω的负载电阻的情况下可输出15 W双通道功率，支持PWM输入，单电压范围从11 V～25 V之间，嵌入过电流和过温保护及低电压保护等监控模块，具有静音和播放等待功能，且载波频率及输出功率可通过外部电阻调节.在静音状态和等待状态的控制输入终端加上电压，可以对静音状态、等待状态和正常运行状态进行控制.

(1)等待状态. 当截断所有MOSFET(场效应晶体管)的输出并静音时，等待状态所消耗的电流达到最小值.除了等待状态控制电路之外，由于其他所有电路完全停止运行，同时也停止输出一个脉冲调整信号，所以不会产生输出噪音［3］.

(2)静音状态. 静音一个输入信号和一个输出信号，与此同时输出一个脉冲调整信号.

为了防止因为对放大器的非正常操作而引起的损坏，该放大器嵌入了保护电路.

(1)过流保护电路. 过流保护电路用于检测输出功放FET非正常操作时的过大电流，并及时保护集成电路.能被检测到的电流值一般为7 A左右.

(2)过温保护电路. 过温保护电路用于检测由于非正常操作而引起的过温现象，并及时对集成电路提供保护.当外部节点的温度达到150℃的标准温度时，过温保护电路开始工作.过温保护开始值:150℃;过温保护恢复值:120℃

(3)低压保护电路. 低压保护电路用于检测供电电压非正常操作时引起的低压现象并给予保护.当AC总线上的功率增加或减少，负载电流改变，供电电压临时降低时，低压保护电路开始工作.该电路不仅可以防止非正常操作导致的损坏，而且可以将噪声降低至最小.低压保护检测值:7 V;低压保护释放值:8 V

当上述3种保护电路运行时，音频放大器的所有FET输出状态都变成“Hi－Z”状态，并且输出终端为“打开”.

(4)恢复. 由一种保护电路状态恢复为正常运行状态是系统自动执行的.通常一种保护电路正在运行，每经过一个恒定的时间，系统就会自动执行恢复.

如果取消一种保护状态，系统将恢复到正常运行的状态;如果该保护状态没有被取消，那么，这个保护状态通常会继续被执行.由一种保护状态恢复为正常运行状态的循环时间取决于与保护状态定时器相连的电容器的电容值，当电容值为10 uF(设定值)时，循环的时间改变0.7 s.

3.3 上位机软件的设计

上位机软件的设计基于主界面操作简单，编辑过程方便的两大特点，在主界面左侧显示音频波形，右侧设置相关应用图标，如“打开文件”、“保存文件”、“开始播放”、“终止播放”、“输出数据”等图标，使操作人员一目了然，因此，加载音频的操作步骤快捷方便.具体操作如下:

(1)打开软件，选择软件中的“打开文件”图标，找到需要的音频文件(wav格式);

(2)点击“输出数据”图标，根据需要选择2 bit解码或者4 bit解码，以及编辑语言如C语言;

(3)选择需要保存的路径，并命名，生成需要的.C文件.

软件库源文件的调用过程具体分为以下3个步骤:

(1)把语音库添加到工程中;

(2)把生成的语音文件添加到工程中;

(3)利用库函数调用语音文件中的数据，输出相应的PWM［4］.

4 用MCU和语音处理软件实现语音处理系统

上述表明，用MCU和语音处理软件来实现声音模拟器中的语音处理系统，因为不需要语音合成集成电路，可减少部件数量，语音处理系统见图3.此方案能满足电动汽车对声音模拟器的所有要求，即能够提醒行人注意到车辆的存在，且声音柔和尽量不产生噪声污染，声音抵消电驱动系统自身的高频噪声.

图3 语音处理系统框图

5 结论

本文针对目前电动汽车过于安静的问题，提出了安装声音模拟器的解决方案，重点阐述了声音模拟器的功能及特点，以及声音模拟器中语音处理系统的功能、特点和具体实现方法，即用MCU和语音处理软件来实现声音模拟器中的语音处理系统，并分别详细分析主控MCU资源的使用、音频放大器性能特征和上位机软件的操作流程.该方案的提出，有效地解决了电动汽车过于安静的问题，使行人在远距离就能够感到有车辆靠近，从而及时发现车辆，避免或减少电动汽车与行人相撞等交通事故的发生.

［1］沙占友，昌春来，李春明.语音处理技术及其应用［J］.电子测量技术，2000(2):20－24.

［2］李勇华，万旺根.一种新型语音处理系统［J］.上海大学学报，1999(3):33－37.

［3］易小琳，王 鑫，曹 屹.带噪语音处理系统的研究与设计［J］.计算机工程，1999(11):46－49.

［4］王大方，殷小贡.数字语音处理软件及其接口电路设计［J］.电讯技术，2003(2):52－56.