丁江明 祝乾坤 趙英萍 洪睿 馮月明

摘要：設(shè)計(jì)在歌曲中疊加超聲波控制信號(hào)，通過(guò)常用放音設(shè)備（DVD、手機(jī)、電腦、音響等）的揚(yáng)聲器播出歌曲，來(lái)控制玩具進(jìn)行互動(dòng)對(duì)唱及按音樂(lè)節(jié)奏跳舞，增加了玩具的逼真性和趣味性。首次在互動(dòng)玩具中使用超聲波控制技術(shù)，并完成軟硬件設(shè)計(jì)和制作出成品，啟發(fā)人們?cè)诟鼜V泛領(lǐng)域?qū)?shí)用產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)意。

關(guān)鍵詞：動(dòng)漫洐生品 互動(dòng)玩具 新控制技術(shù) 音樂(lè)中疊加超聲波

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(huì)通過(guò)了大力發(fā)展文化產(chǎn)業(yè)的決定，隨著國(guó)務(wù)院《文化產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》、文化部《十二五時(shí)期文化產(chǎn)業(yè)倍增計(jì)劃》、國(guó)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(tái)，文化產(chǎn)業(yè)已成為國(guó)家重要的支柱產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

為此，我設(shè)想用在音樂(lè)中疊加超聲載波的方式來(lái)設(shè)計(jì)一款智能互動(dòng)玩具，通過(guò)調(diào)查、咨詢了解到，市場(chǎng)上還沒(méi)有這種控制類型的互動(dòng)玩具，屬于符合我國(guó)文化產(chǎn)業(yè)振興發(fā)展的方向的動(dòng)漫洐生品。

2設(shè)計(jì)思路

市場(chǎng)上有一種純電動(dòng)圣誕老人玩具，只有簡(jiǎn)單的功能：打開(kāi)電源就能按固定節(jié)奏搖擺和動(dòng)嘴唱出單一圣誕歌曲。用這款玩具為基礎(chǔ)，通過(guò)以下的設(shè)計(jì)、改造：在放音設(shè)備（DVD、手機(jī)、電腦、音響等）的揚(yáng)聲器播放歌曲的同時(shí)，也播放出在歌曲中疊加的超聲載波控制信號(hào)，控制玩具與放音設(shè)備進(jìn)行對(duì)唱、合唱和按播放音樂(lè)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(chǎng)填補(bǔ)了空白。

2.1電動(dòng)功能

純電動(dòng)圣誕老人玩具中，嘴巴動(dòng)作是通過(guò)嘴動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的通斷使其內(nèi)部齒輪動(dòng)作來(lái)模擬人的嘴動(dòng)的。只要設(shè)計(jì)、制作出歌曲中由玩具唱出部分的控制電信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)玩具的對(duì)唱、合唱功能。只要設(shè)計(jì)、制作出歌曲中音樂(lè)節(jié)奏的控制電信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)玩具按音樂(lè)節(jié)奏跳舞的功能。

2.2音源處理

為實(shí)現(xiàn)以上電動(dòng)功能，就必須對(duì)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(gè)部分：純音樂(lè)、人聲和節(jié)奏。因?yàn)槔脤I(yè)的音樂(lè)編輯軟件（EasyTone_V1.00.35，以下稱EasyTone），只能將音樂(lè)分成左右聲道，左聲道是背景音樂(lè)，右聲道是前景音樂(lè)。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(shí)現(xiàn)對(duì)唱，如AB重復(fù)則實(shí)現(xiàn)合唱，由嘴動(dòng)馬達(dá)完成嘴動(dòng)，由喇叭完成歌唱。

將純音樂(lè)、A類歌曲和超聲波控制信號(hào)（含AB交互控制信號(hào)及節(jié)奏控制信號(hào)）錄制成背景音樂(lè)，B類歌曲及其對(duì)應(yīng)的節(jié)奏錄制成前景音樂(lè)，燒錄進(jìn)語(yǔ)音芯片（或稱：語(yǔ)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(hào)頻率采用21kHz，通過(guò)EasyTone把左聲道的背景音樂(lè)合成超聲波的信號(hào)編碼（1～255），再把前景音樂(lè)燒錄進(jìn)語(yǔ)音IC，利用外界的喇叭播放混合好的背景音樂(lè)；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(yǔ)音IC，再由語(yǔ)音IC驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和前景音樂(lè)，由于超聲波控制信號(hào)人耳聽(tīng)不到，播放混合加載了超聲波控制信號(hào)的歌曲，不會(huì)影響正常的歌曲的聽(tīng)覺(jué)效果。

3設(shè)計(jì)制作過(guò)程

3.1軟件部分設(shè)計(jì)

3.1.1 指令部分的設(shè)計(jì)

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(gè)部分：純音樂(lè)、人聲和節(jié)奏。

第2：人聲的部分平均0.5秒插1個(gè)ToneCode（EZToneTool支持0.5秒自動(dòng)插ToneCode），根據(jù)0.5秒內(nèi)單詞的個(gè)數(shù)來(lái)決定張嘴的次數(shù)（51--55），有拉長(zhǎng)音的地方需要抖動(dòng)（先插50，再插59）。

第3：純音樂(lè)的部分可以插41/40來(lái)啟動(dòng)/停止頭肩動(dòng)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(lè)開(kāi)頭就要有動(dòng)作，事先要在歌曲開(kāi)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(gè)工具自動(dòng)移動(dòng)ToneCode）。

每一個(gè)編碼就是一個(gè)指令，可以控制實(shí)物做一個(gè)動(dòng)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(gè)字節(jié)（8bit）。規(guī)定“0”為某頻率波形的疊加并持續(xù)一段時(shí)間；“1”為另外頻率波形的疊加并持續(xù)一段時(shí)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(yàn)位）的超聲波控制信號(hào)（21kHz），即一個(gè)超聲波編碼信息時(shí)長(zhǎng)為310ms，每個(gè)編碼信息包括8位數(shù)據(jù)位，1位校正位，相鄰的兩個(gè)超聲波編碼信息之間相隔最小310ms，按照歌曲的音樂(lè)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(chǔ)到電腦或移動(dòng)播放設(shè)備的存儲(chǔ)器中。

超聲波編碼方式：

1個(gè)起始位+8個(gè)數(shù)據(jù)位+1個(gè)校驗(yàn)位，總時(shí)長(zhǎng)310ms，1個(gè)起始位40ms，8個(gè)數(shù)據(jù)位240ms，1個(gè)奇偶校驗(yàn)位30ms。

1個(gè)起始位的編碼規(guī)則：30ms超聲波信號(hào)，10ms靜音；

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

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

奇偶校驗(yàn)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(lè)的合成（圖3）

3.1.3 前景音樂(lè)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(guò)串行通訊的方式傳送到語(yǔ)音IC，控制語(yǔ)音IC播放相應(yīng)的前景音樂(lè)片段。

解碼方式：（1）起始位：讀AD信號(hào)，如果連續(xù)30ms是高電平，那么判為“起始位”，等到下一個(gè)上升沿，開(kāi)始判斷數(shù)據(jù)位。（2）15ms后讀一次AD的訊號(hào)，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(jì)

3.2.1 系統(tǒng)框圖

玩具須包括殼體、內(nèi)置的傳動(dòng)裝置（嘴動(dòng)電機(jī)、頭肩動(dòng)電機(jī)）、內(nèi)設(shè)置揚(yáng)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(chǔ)器、D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換器、功率運(yùn)算放大電路、驅(qū)動(dòng)電路等，如圖4所示。

3.2.2控制電路設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)電路圖設(shè)計(jì)軟件altium designer來(lái)設(shè)計(jì)、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(hào)；

（2）一級(jí)運(yùn)算放大器LM358：把微小的超聲波信號(hào)放大；

（3）二級(jí)運(yùn)算放大器LM358：高通濾波，讓超聲波的信號(hào)通過(guò)，濾除其他的音頻信號(hào)；

（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換SNCAD02：把超聲波的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；

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

（6）從控語(yǔ)音芯片SNC26000：接收到碼值后，驅(qū)動(dòng)玩具嘴動(dòng)電機(jī)、頭肩動(dòng)電機(jī)和揚(yáng)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(shí)，接收距離大于8米。

（如需更長(zhǎng)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(wèn)題與改進(jìn)思路

（1）不同主人在距離8米范圍內(nèi)同時(shí)使用該玩具時(shí)，會(huì)互相干擾。

解決的辦法：給每個(gè)玩具增加不同的識(shí)別碼。

（2）附近有大電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，玩具可能會(huì)有誤動(dòng)作。

解決的思路：電器開(kāi)關(guān)干擾為單一信號(hào)觸發(fā)，可采用另加一路不同的控制信號(hào)加載到超聲波上，使語(yǔ)音芯片需要兩路信號(hào)同時(shí)控制才能觸發(fā)，避免其誤動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1]席細(xì)平，馬重芳，王偉.超聲波技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J].山西化工，2007.

[2]范百剛.超聲原理與應(yīng)用[M].江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[3]趙廣林.新型語(yǔ)音芯片應(yīng)用手冊(cè).電子工業(yè)出版社，2008.

[4]高 平.電子線路設(shè)計(jì)基礎(chǔ).化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]李響初.數(shù)字電路基礎(chǔ)與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2008.