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3 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第 4期 基 于 T T S模 块 的 S 72 0 0 P LC 语音播报 功能扩展 张利民 ， 邹益民 1 ． 兰州石化职业技术学院 人文社会 系， 兰州 7 3 0 0 6 0 ； 2 ． 金陵科技 学院 网络与通信 工程学院， 南京 2 l 1 1 0 0 摘要 介绍一种基于单片机和科大讯飞 T T s语音模块的语音播报 系统， 可用 于扩展 S 72 0 0 P L C的语音播报功能。该文对 P L C与单片机之间的串行通信方式， 以及单片机语音播报 系统的控 制方式等进行 了较详细地介绍 ， 并开发 了一种基 于 S 7 2 0 0 P L C实际应用环境的语音播报 系统。 文中详细地给 出了系统硬件设计方案及主要软件流程 图， 可对同类装置的设计及应用提供借鉴。 关键词 单片机； 1 _ r s ； P L C ； 语音合成模块； 语音播报 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 5 0 4 0 0 3 4 0 4 Ex t e nd S 72 0 0 PLC v o i c e b r o a dc a s t f e a t u r e b a s e d o n TTS mo d ul e Z HANG L i mi n ，Z OU Y i mi n 1 ．D e p a r t m e n t o fHu ma n i t ie s a n d S o c i a l ，L a n z h o u P e t r o c h e mi c a l C o l l e g e of V oca t i o n a l T e c h n o l o g y， L a n z h o u 7 3 0 0 6 0， C h i na ； 2 ． S c h o o l ofNe two r k a nd C o mm u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g， J i n l i n g I n s t it e of T e c h n o l o gy ， Na n j i n g 2 1 1 1 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e o f a v o i c e b r o a d c a s t s y s t e m b a s e d o n S C M a n d I F L YT E K TF S v o i c e mo d u l e， w h i c h c o u l d b e u s e d t o e x t e n d t h e S 72 0 0 P L C v o i c e b r o a d c a s t f e a t u r e ．I n t h i s p a p e r ．d e t a i l e d d e s c r i p t i o n s a b o u t t h e s e ri a l c o mmu n i c a t i o n b e t we e n P L C wi t h S C M ，a n d t h e c o n t r o l me t h o d o f S C M v o i c e b r o a d c a s t s y s t e m we r e p r e s e n t e d ．A v o i c e b r o a d c a s t s y s t e m b a s e d o n S 72 0 0 P L C a c t u a l a p p l i c a t i o n wa s d e v e l o p e d ．T h e s y s t e m’ S h a r d wa r e s c h e me a n d s o f t ware f l o w c h a r t we r e a l s o g i v e n ．T h u s ．i t c o u l d p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e de s i g n a n d a pp l i c a t i o n o f s i mi l ar me a s u r i n g d e v i c e ． Ke y wo r d s s i n g l e c h i p mi c r o p r o c e s s o r ；T TS；P L C；s p e e c h s y n t h e s i s mo d u l e ；s p e e c h b r o a d c a s t 0 引言 P L C由于功能强 、 性价 比高、 可靠性 高、 扩展灵 活、 环境适应性强及安装维护方便等突出优点， 在 自 动控制系统中得到广泛应用。但在单独使用 P L C 构建控制系统时存在某些不足 P L C的数据处理和 管理能力较弱， 也不能提供 良好的人机交互界面。 故在某些特定应用场合 ， 若 能将 P L C与单片机系统 相结合， 可大大丰富 P L C的应用功能 j 。 收稿 日期 2 0 1 41 1 2 6 基金项 目 江苏省轨 道交通 工程研发 中心 开放基 金项 目“ 基 于 计算机视觉及多信息融合的轨道交通异常客流实时监控系统” 作者简介 张利 民 1 9 6 4 ， 女 ， 甘 肃兰州 人 ， 1 9 8 6年毕业 于西北 师范大学政法 学院 ， 获得学士学位 ， 副教授 ， 主 要研究方 向为汽车 技 术服务与营销。 该文介绍一种利 用单片机及 模块在 P L C 上实现语音播报 功能 的应用实例。系统设计方案 采用单 片机及 1 f I 1S构成语音播报模块 ， 而 s 72 0 0 P L C则通过 自由口通信方式控制该模块以实现语音 播报功能。系统应用于 R S 4 8 5联网模式时 ， 多个位 于不同地 理位置 的 P L C与语 音模 块可 相互选 择。 一 个 P L C可控制 多个语 音模块 ； 同理 ， 一个语音模 块也可为多个 P L C服务 ， 从而形成一个语音播报网 络系统。 1 S 7- 2 0 0 P L C与单片机的 串行通信 s 7 2 0 0 P L C支持多种通信协议， 如点对点接 口 P P I 、 多点 接 口 M P I 、 P R O F I B U S ， 自由 口等。 在 自由口通信模式下 ， P L C可通过 P C ／ P P I 电缆实现 串行 口与单片机的 R S 4 8 5通信。R S 4 8 5标准最多允 2 0 1 5年第4期 工业仪表与 自动化装置 3 5 许并联 3 2 个站点联网， 非常方便多个 P L C与语音 模块进行 网络互联 。 1 ． 1 s 7-2 0 0系列 P L C的 自由口通信方式 s 72 0 0的 串 行 口共 有 2个 端 口 P O R T O ／ P O R T 1 ， 当 C P U处 于 R U N模 式时 ， 才能使用 自由 口模式 。下面将 以 P O R TO 为例加 以说明 ， 另一端 口 P O R T 1 的使用可参见相关技术手册 ] 。 对 S 7 2 0 0自由口串行通信的控制需借助其内 部的特殊寄存器 。其 中 S M 0 ． 71可设置端 口进入 自由口模式 ； 特殊寄存器 S MB 3 0可用于设置端 口的 通信协议 波特率、 奇偶校验方式、 字符的有效数据 位等 。串 口收发 可通过 R C V 接收 或 X M T 发 送 指令实现， 由于 R S 4 8 5是半双工接 口， 故编写 P L C程序的关键是避免在通信端 口上 同时发送 和接 收。若端口当前处于接收方式， 可先使 S M 8 7 ． 7 0 ， 然后再执行 R C V指令 ， 即可使端 口退出接收模式。 发送控制 比较简单 ， S M4 ． 51表示数据传输完 成， 并产生中断信号。而接收控制相对复杂， 首先通 过 S MB 8 7设定接收条件 如首尾字符 ， 超时， 最大字 符数等 ； 而 S M B 8 8 及 S M B 8 9可用于设定接收报文 开始和结束 的条件 ； S MB 9 2可用于设定接收超时时 间； S MB 9 4用于设定最大接收字符数。 1 ． 2 单片机 R S 4 8 5串行通信功能实现 系统采用 A T 8 9 C 5 1单 片机为核心 。MC S 5 1串 行接口是一个可编程的全双工通信接 口， 通过管脚 R X D和T X D与外界通信。串行口通信的控制主要 涉及 S B U F 、 S C O N、 T H1 、 T L 1 、 T C O N、 T MO D、 I E共 7 个特殊功能寄存器 的操作 ， 只要 通过编程实现对上 述寄存器 的操作 ， 便可实现对单 片机串 口通信 的控 制。因单片机 串行 口使用 1 - r L电平 ， 而 P L C 自由 口 使用 R S 4 8 5电平 ， 故需借助 M A X 4 8 5芯片进行 电平 转换。考虑到 R S 4 8 5工作于半双工模式， 故单片机 需分配一个 I／ O引脚以控制 M A X 4 8 5的传输方向， 以避免单 片 机控 制 下 的 串行 接 口同 时进 入 发送 状态 。 2 X Fs 4 2 4 0语音合成模块 语音合成 1 T r s T e x t T o S p e e c h ， 其 目 标是解决 如何将文字信息转化为声音信息。语音合成技术在 国内外发展迅速 ， 在我 国， 已逐步从理论 向研制开发 方面发展 ， 技术也 日趋成熟 。目前 ， 在嵌入式应用领 域 ， 最具代表性 的模块有科大讯 飞 X F一 4 2 4 0 、 X F 一 4 0 4 1 C N及宇音天下 的 S Y N 6 2 8 8 - 8 ] 。 该系统中选用讯 飞 X F一 4 2 4 0嵌入 式 中文语 音合 成模 块。该模 块支 持 G B 2 3 1 2 、 G B K、 B I G 5及 U N I C O D E四种内码格式的中文文本 ， 同时提供英文 字母的合成 ， 支持男／ 女声发音 ， 并可灵活地调节语 速 、 语调及音量。 3系统的硬软件设计 3 ． 1 系统总体结构 系统 的整体结构如 图 1所示 ， s 7 2 0 0 P L C与 单片机语音系统通过 R S 4 8 5连接。由于采用 R S 4 8 5 通信， 多个 P L C与单片机语音系统之间可通过网络 方式实现总线 式互 联 ， 构 成灵 活方 便 的语 音 播报 网络。 图 1 P L C语音播报系统总体框图 单片机语音系统 的硬件 电路设计如 图 2所示 ， 由 A T 8 9 C 5 1 单片机、 X F一 4 2 4 0嵌入式 中文语音合 成模块 、 L M3 8 6音频放大器 、 放音 喇叭、 M A X 4 8 5电 平变换模块、 1 2 8 6 4点阵 L C D屏及薄膜键盘等组 成。单片机作为主控芯片， 使用 S P I 接 口控制 X F一 4 2 4 0实施语 音合成 ， 再经 L M 3 8 6推动喇 叭发音。 语音模块使用 R D Y引脚指示模块的工作状态， 与单 片机的 I N T 1引脚相连。 点阵式 L C D配合 4 4薄膜键盘 ， 实现系统的 操作输入及显示。必要 时， 也可 以作为 P L C的一种 辅助人机接 口使用 。 3 ． 2 通信协议设计 P L C与单片机语音模块的通信协议采用命令响 应方式。s 7 2 0 0 P L C向单片机发送语音文本信 息 ， 而单片机则将相应的工作状态作为响应 回复给 P L C。为扩展方便 ， 协议支持多个 P L C通过 R S 4 8 5 连网方式 向一个或多个单片机发送语音播报命令 ； 并且支持多段文本拼接 ， 以实现超长文本播报。 P L C发送可变长度的控制命令 ， 其格式为 3 6 工业仪表与自动化装置 2 0 1 5年第4期 字 宇 字 字 字 节 节 竹 节 。协 字 _ 厶 。 c 一 十_ 。 { j 2 0 2 } } } _ 三 _ 源 H 数 起 据 播 始 标 拼 播 播 报 ∞ 结 髓 接 报 报 信 泵 校 字 验 符 宁 站 码 符 点 片 播 次 地 机 报 期 数 址 地 控 址 制 其中 起始／ 结束字符分别为 0 x t O及 0 x f l 。命 令 中指定了源 P L C及 目标单片机的地址 ， 方便实现 多机的网络寻址。数据拼接命令字可用于控制单片 机播报缓冲区的清除或追加功能 ； 而播报控制字则 可用于指定单片机 的单次播报 、 循环播报或周期播 报功能， 后续字节 8 1 1 则可用于指定播报周期及 循环播报次数。播报 的语音信 息为 Ⅳ字节 G B码。 B C C校验码是将字节 1 2～字节 Ⅳ1 1的全部 内容 以字节为单位作 XO R累加 ， 再将结果求反后转换成 A S C I I 码获得。 XF - 4 2 4 0 图 2 单片机语音系统硬件设计图 单片机发回的响应命令为定长 1 0个字节 ， 其格 式为 字节 1 字节 2 3 字节 4 5 字节 6～ 7 字节 8～ 9 字节 1 0 起始字符 源 P L C站点地址 目标单片机地址 状态信息 B C C校验码 结束字符 其中 起始／ 结束字符分别为0 x f 2及 0 x f 3 ， 以区 别于 P L C下发的命令。其中状态信息字用于返回 单片机数据接收及播报状态， 其余信息含义同上。 3 ． 3 软件系统设计 系统中 需分别对P L C 及单片机进行 序设计。 3 ． 3 ． 1 P L C程序设计 P L C程序包括主程序 、 接收完成 中断服务子程 序、 发送完成中断服务子程序等。 ①主程序 用于对 P L C进行初始化 ， 并在必要时控制 向单 片机发送语音播报命令。以下为主程序片断 ／ ／自由口初始化 L D S M0． 1 MOVB 2 0 00 01 0 01， S MB3 0 2 0 1 5年第 4期 工业仪表与自动化装置 3 7 ／ ／ 设置端 口为 9 6 0 0 8一 N一1 ， 自由口方式 MOVB 2 1 1 0 001 0 0， S MB8 7 ／ ／ 允许接收， 检测开始、 结束字符， 检测超时 MOVB 1 6 t 2， S MB 8 8 ／ ／ 设置接收起始字符 MOVB 1 6 t3， S MB 8 8 ／ ／ 设置接收结束字符 MOVW 5， S MW 9 2 ／ ／ 设置超时时间为 5 m s MOVB 2 5 5， S MB 9 4 ／ ／ 设置 R C V指令接收的最大字符数位 2 5 5 ATCH RX I N T， 2 3 ／ ／ 接收完成中断连接 ATCH T X I N T ， 9 ／ ／ 发送完成 中断连接 E N I ／ ／ 中断允许 L D S M0 ． 7 ／ ／ 更改 自由口模式 S M3 0． 0 LD S M0． 1 R M1 0 ． 0 1 ／ ／ 清除发送标志 S S M 8 7 ． 7 ， 1／ ／S M8 7 ． 7置 1 ， 初始化端 口0接收方式 RCV VB1 0 0，0 ／ ／ ⋯P L C控制功能程序 L D M1 ． 0 ／ ／ P L C进入状 态 S ， 准 备播报 EU s M 1 0 ． 0 ， 1 ／ ／ 置发送标志 L D M1 0 ． 0 ／ ／ 启动播报 EU R S M8 7 ． 7 ， 1 ／ ／S M8 7 ． 7清 0 ， 禁止在端 口0接收信息 R C V V B 1 0 0， 0 ／ ／ 执行 R C V虚指令 ， 停止 端 口 0的接收。 ／ ／ ⋯根据 P L C所 处状态 s i ， 填充 首地 址为 V B 2 0 0的 P L C发送缓冲区 X M T V B 2 0 0 ， 0 ／ ／ 发送数据， 发送缓冲区 首地址为 V B 2 0 0 。 L D N M1 0 ． 0 ／ ／ 若发送标志无效 EU S S M8 7 ． 7 ， 1 ／ ／S M8 7 ． 7置 1 ， 开始端 口 0接收 RCV VB1 0 0， 0 ②发送中断处理 当 P L C发送完成时 ， P L C会产生发送 中断。在 这个中断中 ， 重新把端 口0置于接收状态 ， 用来接收 单片机发回的响应串， 同时将 M1 0 ． 0发送标志复位 以便检测下一次发送请求 ， 最后清空 R C V指令 的接 收缓冲区。发送中断程序片断如下 LD M0． 0 S S M8 7 ． 7， 1 ／ ／S M8 7 ． 7置 1 ， 开始端 口 0接收 RCV VB1 0 0，0 R M1 0 ． 0，l ／ ／ 清除发送标志 L D S M0 ． 0 ／ ／ 清空接收缓冲区 FI L L 0， VW 1 0 0，1 ③接收中断处理 P L C接收到单片机 的响应后 ， 将接 收到 的字符 保存到V B I O 1 开始的存储区， 而 V B I O 0中存放的是 接收的总字符数。若接收到指定的开始及结束字 符， 或超过 5 m s 仍接收不到下一个字符时， 就认为 本次接收已经完成， 此时将产生接收完成中断。在 接收完成中断服务中， 可对接收的响应信息进行处 理 首先进行 B C C校验 ， 其后检查是否是对本 P L C源 信息的响应， 再判断响应信息是否正确。若响应不正 确 ， 则启动重发 ； 若连续重发次数超过 5次 ， 则报错 。 注意 在处理数 据收发 中断 时 ， 均应 首先禁止 R C V指令， 以避免在处理过程中因继续接收数据而 改变缓冲区内容。 3 ． 3 ． 2 单片机程序设计 单片机系统主程序框图如图 3所示 。 系统／ 设备初始化， 定时器中断初始帆 串行口初始化， 外部中断初始化 ． 1 等待 P L C发送语音指令 1 L 命令正确性检测 毒 语音播报 键盘信息读取 与处理 I L C D信息显示 图 3单片机主程序框 图 程序首先 对单片机 各 I ／ O端 口、 定 时器、 串行 口、 中断系统等外部设备进行初始化 ， 随后进入工作 循环。等待 P L C给出的播报信息及控制命令， 返回 应答信号， 并将相关信息送 1 T r s 模块以语音方式播 报； 之后读取用户按键信息， 完成相关功能操作， 最 后根据需要更新 L C D显示。 下转第 7 5页 2 0 1 5年第4期 工业仪表与自动化装置 7 5 显地节省 了投资。 2 ． 4 代替人工记录报表 开发报表功能 ， 通过调取实 时数据库 中的历史 数据 ， 使数据收集 由管理人员人工 录入完成 的传统 方式转变为管理信息系统 自动采集完成的高效方 式 ， 不仅节省了人力成本 ， 降低了人工录入的出错概 率 ， 也确保 了数据“ 不落地” 后的客观真实性。 2 ． 5 应用于企业能源管理 开发能源管理信息系统 ， 全面管理全公 司能源 使用和利用情况 ， 实时监测公用工程 中水 、 煤 、 电、 蒸 汽生产或使用情况， 在实时生产数据基础上， 选择提 取能耗相关数据 ， 监控各 车间各工段能源实时消耗 情况 ， 并对能源单耗进行计算 ， 在借助 I N P MC开发 的能流图中进行展示 ； 同时动态 的能耗情况可以反 映动态的生产成本 ， 在生产过程中实现成本控制 ， 达 到降低成本的目的。 2 ． 6 保存历史数据 利用实时数据库平台将 3套各 自独立的 D C S 系统 的数据整合在统一 的平 台上 ， 同时长期保存生 产数据 ， 通过对 比当前和历史数据 ， 为分析事故原因 提供有力帮助。 3 实时数据库在企业中的应用效果 渭化集 团在不 同时期安装 投用 的几套 D C S系 统， 虽然单个来说都是独立运行的完整系统， 但是对 企业几套装置的整体生产来说， 就形成了所谓的“ 信 息孤岛” ， 生产系统实时数据和经营管理系统数据无 法进行整合。而建立统一、 完整的 A g i l o r 实时数据库 平台， 是解决这一问题的有效技术手段。通过实时数 据库平台， 向下可以收集各个孤立工控系统的实时数 据 ， 并提供长期保存这些数据的功能 ， 使之成为企业 长期保存的历史数据库 ； 向上可以给各类管理信息系 统提供基础数据， 完成生产数据和经营管理数据的集 成 ， 拓展企业两化融合的深度， 提升企业规范、 精细化 管理水平， 为企业达成安全环保生产 目标提供数据支 撑 ， 为企业节能降耗 、 效益攀升提供信息化保障。 渭化集 团建立 的实时数据库平 台， 通过集成不 同生产系统的实时数据， 为最终用户展示出快捷、 高 效的各类数据信息， 同时随着以实时数据库为基础 开发 的能源管理系统、 安全管理系统 、 生产监控分析 系统等信息系统 的陆续应用 ， 公司以“ 降低成本 、 节 能减排” 为主导思想， 不断向精细化管理迈进， 成为 陕西省科技统筹创新工程计划 “ 煤化工企业资源综 合管控与安全预警应用示范” 子课题承担单位。 参考文献 [ 1 ] 中国科学院软件研究所． 实时数据库系统 A g i l o r 用户 手册[ Z ] ． [ 2 ] 温泉． 基于 D C S的数据采集接口及实时数据库研究与 应用[ D] ． 北京 d E 京化工大学， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 中国科学院软件研究所． A g i l o r 3 ． 0技术白皮书[ Z ] ． [ 4 ] 黄贤英， 李玉桃． 基于 l i n u x的嵌入式实时数据库的设 计 [ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 7 0 2 3 7 ． 上接 第 3 7页 语音合成程序的运行步骤是 单 片机首先判别 语音合成模块是否处于就绪状态 ， 若是 ， 则依次发送 帧头 、 字节总数、 语音合成命令码、 语音合成格式控 制码及待合成文本， 语音模块将随后依所设命令完 成 w S转换及语音播报 。 4 结语 该系统利用 s 72 0 0系列 P L C的 自由 口成 功 地实现了单 片机与 P L C之间的通信及语音 实时播 报功能。该 系统 已被 应用于学 校实训 室小型 P L C 控制实验装 置之 中。通过 P L C功能扩展一方 面开 拓 了学生的知识 面， 另 一方 面为学生提供学习与操 作的提示信息。该系统可靠性高， 成本低， 应用效果 好。由于多数主流 P L C支持 R S 4 8 5通信 ， 故系统的 设计思路也可为其他 P L C扩展功能提供借鉴。 参考文献 [ 1 ] 张晓芳．基于单片机和 P L C控制的 自动回转刀架设 计 [ J ] ．制造业 自动化， 2 0 1 2 2 O 1 2 41 2 7 ． [ 2 ] 代杰， 樊瑜瑾 ， 孙宏德． 基于单片机和 P L C的母线折弯 机控制系统设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 1 2 7 0 7 3 ． [ 3 ] 李生军， 李少蒙． 单片机与 P L C之间的串行通信实现 [ J ] ． 化工 自动化及仪表 ， 2 0 1 0 0 2 7 88 0 ． [ 4 ] 霍兴旺， 岑娜．P L C自由口和单片机通信在 L E D显示中 的应用 [ J ] ． 可编程控制器与工厂 自动化， 2 0 1 1 1 2 4 04 2． [ 5 ] 顾海珍 ， 邹益民． 基于 1 r I 1S语音模块 的人体感知电子 解说系统设计 [ J ] ． 工业仪 表与 自动化装 置， 2 0 1 4 O 6 4 0 4 2 ． [ 6 ] 邹益民． 基于 1 T r s模块的语音播报红外数字测温计设 计[ J ] ． 世界电子元器件 ， 2 0 1 3 0 2 4 8 4 9 5 6 ． [ 7 ] 朱志伟 ， 刘湘云． 基于 S Y N 6 2 8 8的 语音系统 [ J ] ． 单片机与嵌入式系统应用 ， 2 0 1 2 0 9 7 57 7 ． [ 8 ] 黄华， 仲元昌．，I - 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