新控制技術的應用研究

丁江明 祝乾坤 趙英萍 洪睿 馮月明

摘要：設計在歌曲中疊加超聲波控制信號，通過常用放音設備（DVD、手機、電腦、音響等）的揚聲器播出歌曲，來控制玩具進行互動對唱及按音樂節奏跳舞，增加了玩具的逼真性和趣味性。首次在互動玩具中使用超聲波控制技術，并完成軟硬件設計和制作出成品，啟發人們在更廣泛領域對實用產品進行創意。

關鍵詞：動漫洐生品 互動玩具 新控制技術 音樂中疊加超聲波

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

1研究背景

2011年10月，中共中央十七屆六中全會通過了大力發展文化產業的決定，隨著國務院《文化產業振興規劃》、文化部《十二五時期文化產業倍增計劃》、國家十二五發展規劃的《文化產業規劃綱要》先后出臺，文化產業已成為國家重要的支柱產業和新的經濟增長點。

為此，我設想用在音樂中疊加超聲載波的方式來設計一款智能互動玩具，通過調查、咨詢了解到，市場上還沒有這種控制類型的互動玩具，屬于符合我國文化產業振興發展的方向的動漫洐生品。

2設計思路

市場上有一種純電動圣誕老人玩具，只有簡單的功能：打開電源就能按固定節奏搖擺和動嘴唱出單一圣誕歌曲。用這款玩具為基礎，通過以下的設計、改造：在放音設備（DVD、手機、電腦、音響等）的揚聲器播放歌曲的同時，也播放出在歌曲中疊加的超聲載波控制信號，控制玩具與放音設備進行對唱、合唱和按播放音樂的不同節奏跳舞，既增加了玩具的逼真性和趣味性，又為傳統玩具市場填補了空白。

2.1電動功能

純電動圣誕老人玩具中，嘴巴動作是通過嘴動馬達驅動電路的通斷使其內部齒輪動作來模擬人的嘴動的。只要設計、制作出歌曲中由玩具唱出部分的控制電信號，就能實現玩具的對唱、合唱功能。只要設計、制作出歌曲中音樂節奏的控制電信號，就能實現玩具按音樂節奏跳舞的功能。

2.2音源處理

為實現以上電動功能，就必須對播放的歌曲進行技術處理。根據歌曲的結構分成三個部分：純音樂、人聲和節奏。因為利用專業的音樂編輯軟件（EasyTone_V1.00.35，以下稱EasyTone），只能將音樂分成左右聲道，左聲道是背景音樂，右聲道是前景音樂。先將人聲部分分成AB兩類，A類為外部播放部分，B類為玩具唱歌部分，如果AB交互則實現對唱，如AB重復則實現合唱，由嘴動馬達完成嘴動，由喇叭完成歌唱。

將純音樂、A類歌曲和超聲波控制信號（含AB交互控制信號及節奏控制信號）錄制成背景音樂，B類歌曲及其對應的節奏錄制成前景音樂，燒錄進語音芯片（或稱：語音IC）。

2.3工作原理（圖1）

2.4系統組成（圖2）

超聲波圣誕老人玩具的超聲波控制信號頻率采用21kHz，通過EasyTone把左聲道的背景音樂合成超聲波的信號編碼（1～255），再把前景音樂燒錄進語音IC，利用外界的喇叭播放混合好的背景音樂；當超聲波解碼模組接收到超聲波的編碼后，把碼制傳送到語音IC，再由語音IC驅動馬達和前景音樂，由于超聲波控制信號人耳聽不到，播放混合加載了超聲波控制信號的歌曲，不會影響正常的歌曲的聽覺效果。

3設計制作過程

3.1軟件部分設計

3.1.1 指令部分的設計

首先，利用EasyTone軟件將不同控制指令進行編碼。

第1：根據歌曲的結構分成3個部分：純音樂、人聲和節奏。

第2：人聲的部分平均0.5秒插1個ToneCode（EZToneTool支持0.5秒自動插ToneCode），根據0.5秒內單詞的個數來決定張嘴的次數（51--55），有拉長音的地方需要抖動（先插50，再插59）。

第3：純音樂的部分可以插41/40來啟動/停止頭肩動馬達（不用平均0.5秒插，但是注意不要和其他的ToneCode間隔小于480ms ）。

第4：節奏的部分，不用插ToneCode。

第5：如果音樂開頭就要有動作，事先要在歌曲開頭增加一段350ms的靜音，把ToneCode插在這段靜音上，其他的ToneCode 也要提前350ms （以后寫個工具自動移動ToneCode）。

每一個編碼就是一個指令，可以控制實物做一個動作。8位二進制指令范圍是1～255，可自定義自己需要的指令及應用。

由邏輯位0、1二進制組成的1個字節（8bit）。規定“0”為某頻率波形的疊加并持續一段時間；“1”為另外頻率波形的疊加并持續一段時間，當將上述頻率波形按序列依次產生，即形成了一段波形組合。

將不同指令編碼的超聲波加載混合到音頻聲音內，采用EasyTone軟件將不同控制指令進行編碼，調制成9位數據格式（8位的數據位加一位奇偶校驗位）的超聲波控制信號（21kHz），即一個超聲波編碼信息時長為310ms，每個編碼信息包括8位數據位，1位校正位，相鄰的兩個超聲波編碼信息之間相隔最小310ms，按照歌曲的音樂節奏或格式內容加載到wav格式的歌曲中，將所述歌曲存儲到電腦或移動播放設備的存儲器中。

超聲波編碼方式：

1個起始位+8個數據位+1個校驗位，總時長310ms，1個起始位40ms，8個數據位240ms，1個奇偶校驗位30ms。

1個起始位的編碼規則：30ms超聲波信號，10ms靜音；

1個數據0的編碼規則：10ms的信號，20ms的靜音；

1個數據1的編碼規則：20ms的信號，10 ms的靜音；

奇偶校驗位：把8位數據位相加，得到1為奇數位0為偶數位。

3.1.2 背景音樂的合成（圖3）

3.1.3 前景音樂的調用

當超聲波解碼模組接收到超聲波的編碼后進行解碼，把解碼后碼制通過串行通訊的方式傳送到語音IC，控制語音IC播放相應的前景音樂片段。

解碼方式：（1）起始位：讀AD信號，如果連續30ms是高電平，那么判為“起始位”，等到下一個上升沿，開始判斷數據位。（2）15ms后讀一次AD的訊號，如果是高電平，那么判為1，低電平判為0。

3.2硬件電路設計

3.2.1 系統框圖

玩具須包括殼體、內置的傳動裝置（嘴動電機、頭肩動電機）、內設置揚聲器和控制電路板。超聲波接收器用話筒（MIC）接收，控制電路板上須設置有微處理芯片、存儲器、D/A信號轉換器、功率運算放大電路、驅動電路等，如圖4所示。

3.2.2控制電路設計

利用計算機電路圖設計軟件altium designer來設計、繪制電路原理圖（附后）。

3.2.3電路工作原理

（1）麥克風：接收超聲波的信號；

（2）一級運算放大器LM358：把微小的超聲波信號放大；

（3）二級運算放大器LM358：高通濾波，讓超聲波的信號通過，濾除其他的音頻信號；

（4）模數轉換SNCAD02：把超聲波的信號轉換成數字信號；

（5）主控芯片SNC715：接收數字信號后解碼，并且把碼值通過串行SPI通訊的方式傳給從控芯片；

（6）從控語音芯片SNC26000：接收到碼值后，驅動玩具嘴動電機、頭肩動電機和揚聲器發聲。

3.3技術參數

（1）電源電壓： 4.5V。

（2）TV/DVD/CD 播放聲音輸出音量60～75dB時，接收距離大于8米。

（如需更長距離，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存在的問題與改進思路

（1）不同主人在距離8米范圍內同時使用該玩具時，會互相干擾。

解決的辦法：給每個玩具增加不同的識別碼。

（2）附近有大電器開關動作時，玩具可能會有誤動作。

解決的思路：電器開關干擾為單一信號觸發，可采用另加一路不同的控制信號加載到超聲波上，使語音芯片需要兩路信號同時控制才能觸發，避免其誤動作。

參考文獻

[1]席細平，馬重芳，王偉.超聲波技術應用現狀[J].山西化工，2007.

[2]范百剛.超聲原理與應用[M].江蘇科學技術出版社，1984.

[3]趙廣林.新型語音芯片應用手冊.電子工業出版社，2008.

[4]高 平.電子線路設計基礎.化學工業出版社，2007.

[5]李響初.數字電路基礎與應用.機械工業出版社，2008.