新控制技術(shù)的應(yīng)用研究

丁江明 祝乾坤 趙英萍 洪睿 馮月明

摘要：設(shè)計在歌曲中疊加超聲波控制信號，通過常用放音設(shè)備（DVD、手機(jī)、電腦、音響等）的揚聲器播出歌曲，來控制玩具進(jìn)行互動對唱及按音樂節(jié)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(shù)，并完成軟硬件設(shè)計和制作出成品，啟發(fā)人們在更廣泛領(lǐng)域?qū)嵱卯a(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)意。

關(guān)鍵詞：動漫洐生品 互動玩具 新控制技術(shù) 音樂中疊加超聲波

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展文化產(chǎn)業(yè)的決定，隨著國務(wù)院《文化產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》、文化部《十二五時期文化產(chǎn)業(yè)倍增計劃》、國家十二五發(fā)展規(guī)劃的《文化產(chǎn)業(yè)規(guī)劃綱要》先后出臺，文化產(chǎn)業(yè)已成為國家重要的支柱產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長點。

為此，我設(shè)想用在音樂中疊加超聲載波的方式來設(shè)計一款智能互動玩具，通過調(diào)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(chǎn)業(yè)振興發(fā)展的方向的動漫洐生品。

2設(shè)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(jié)奏搖擺和動嘴唱出單一圣誕歌曲。用這款玩具為基礎(chǔ)，通過以下的設(shè)計、改造：在放音設(shè)備（DVD、手機(jī)、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(shè)備進(jìn)行對唱、合唱和按播放音樂的不同節(jié)奏跳舞，既增加了玩具的逼真性和趣味性，又為傳統(tǒng)玩具市場填補(bǔ)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(dá)驅(qū)動電路的通斷使其內(nèi)部齒輪動作來模擬人的嘴動的。只要設(shè)計、制作出歌曲中由玩具唱出部分的控制電信號，就能實現(xiàn)玩具的對唱、合唱功能。只要設(shè)計、制作出歌曲中音樂節(jié)奏的控制電信號，就能實現(xiàn)玩具按音樂節(jié)奏跳舞的功能。

2.2音源處理

為實現(xiàn)以上電動功能，就必須對播放的歌曲進(jìn)行技術(shù)處理。根據(jù)歌曲的結(jié)構(gòu)分成三個部分：純音樂、人聲和節(jié)奏。因為利用專業(yè)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(xiàn)對唱，如AB重復(fù)則實現(xiàn)合唱，由嘴動馬達(dá)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(jié)奏控制信號）錄制成背景音樂，B類歌曲及其對應(yīng)的節(jié)奏錄制成前景音樂，燒錄進(jìn)語音芯片（或稱：語音IC）。

2.3工作原理（圖1）

2.4系統(tǒng)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(jìn)語音IC，利用外界的喇叭播放混合好的背景音樂；當(dāng)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(qū)動馬達(dá)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(shè)計制作過程

3.1軟件部分設(shè)計

3.1.1 指令部分的設(shè)計

首先，利用EasyTone軟件將不同控制指令進(jìn)行編碼。

第1：根據(jù)歌曲的結(jié)構(gòu)分成3個部分：純音樂、人聲和節(jié)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(jù)0.5秒內(nèi)單詞的個數(shù)來決定張嘴的次數(shù)（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(dá)（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(jié)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(jìn)制指令范圍是1～255，可自定義自己需要的指令及應(yīng)用。

由邏輯位0、1二進(jìn)制組成的1個字節(jié)（8bit）。規(guī)定“0”為某頻率波形的疊加并持續(xù)一段時間；“1”為另外頻率波形的疊加并持續(xù)一段時間，當(dāng)將上述頻率波形按序列依次產(chǎn)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(nèi)，采用EasyTone軟件將不同控制指令進(jìn)行編碼，調(diào)制成9位數(shù)據(jù)格式（8位的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)奏或格式內(nèi)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(shè)備的存儲器中。

超聲波編碼方式：

1個起始位+8個數(shù)據(jù)位+1個校驗位，總時長310ms，1個起始位40ms，8個數(shù)據(jù)位240ms，1個奇偶校驗位30ms。

1個起始位的編碼規(guī)則：30ms超聲波信號，10ms靜音；

1個數(shù)據(jù)0的編碼規(guī)則：10ms的信號，20ms的靜音；

1個數(shù)據(jù)1的編碼規(guī)則：20ms的信號，10 ms的靜音；

奇偶校驗位：把8位數(shù)據(jù)位相加，得到1為奇數(shù)位0為偶數(shù)位。

3.1.2 背景音樂的合成（圖3）

3.1.3 前景音樂的調(diào)用

當(dāng)超聲波解碼模組接收到超聲波的編碼后進(jìn)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(yīng)的前景音樂片段。

解碼方式：（1）起始位：讀AD信號，如果連續(xù)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(shù)據(jù)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(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)框圖

玩具須包括殼體、內(nèi)置的傳動裝置（嘴動電機(jī)、頭肩動電機(jī)）、內(nèi)設(shè)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(shè)置有微處理芯片、存儲器、D/A信號轉(zhuǎn)換器、功率運算放大電路、驅(qū)動電路等，如圖4所示。

3.2.2控制電路設(shè)計

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

3.2.3電路工作原理

（1）麥克風(fēng)：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(shù)轉(zhuǎn)換SNCAD02：把超聲波的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；

（5）主控芯片SNC715：接收數(shù)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(qū)動玩具嘴動電機(jī)、頭肩動電機(jī)和揚聲器發(fā)聲。

3.3技術(shù)參數(shù)

（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(jìn)思路

（1）不同主人在距離8米范圍內(nèi)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(guān)動作時，玩具可能會有誤動作。

解決的思路：電器開關(guān)干擾為單一信號觸發(fā)，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(fā)，避免其誤動作。

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