一种语音合成装置和方法及其所应用的监护仪 【技术领域】
本发明涉及语音合成技术，尤其涉及的是，一种语音合成装置和方法及其所应用的监护仪。
背景技术
目前语音合成方法种类很多，其中PWM方式输出合成语音是一种成本低、而又简单的数字合成语音方式。如图1所示，现有的PWM输出语音合成的原理如图1所示，一般将接收到的或者准备播放的数字语音数据存放到语音库里，然后设定好IC集成芯片内PWM转换器并打开PWM转换器内的PWM事件中断源，每次PWM事件中断源向处理器内核发送中断请求，该中断请求通过IC的事件控制器传送给处理器内核进行处理，并在处理器内核对中断请求作出反应后，按顺序控制语音库的读写，将语音库中要播放的语音数据装填到音量调节运算模块及PWM转换器中，每请求一次中断，处理器内核需要对中断进行一次反应，并装填一次语音数据，从而实现PWM脉冲宽度调制，输出需要的合成语音驱动后继电路(即低通滤波器或可以直接驱动喇叭)。这里的音量调节运算模块进行常规的算法运算，并可以调节语音的音量。
如图2所示，当IC系统的处理器内核需要处理多个任务时，各个任务通常利用外设提供的中断源通过事件控制器向处理器内核发送中断请求，等待处理器内核的处理，那么这时，就可能因处理器内核正在处理更高优先级的中断请求，而导致无法及时处理PWM转换器的中断请求，造成语音失真；最坏的可能是如果更高优先级的中断频繁出现，那么语音失真会更严重，甚至语音变样，不能识别。针对这一问题，通常的解决方法是提高IC系统的主频。当系统的处理器内核需要处理的任务较少时，还可以通过提高系统的主频来减少出现语音失真频率，但一般要到百MHz以上才能实现较好的语音，并且提高主频会导致系统的功耗大大上升(因为功耗与主频成正比)。但是，如果系统任务过多时，通过提高系统主频的办法也不能完全避免语音的完全失真。
从上可见，PWM合成语音过程因采用低级别中断的方式，其语音处理过程不可避免的存在一定的延迟，而延迟必然影响合成语音的质量，所以就需要改进现有的PWM合成技术。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种语音合成装置和方法及其所应用的监护仪，其提高了系统的利用率、降低了成本，并且提高了语音合成的质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种语音合成装置，所述装置包括：用于存储待播放数字语音数据的语音库，以及用于对语音数据进行脉冲宽度调制的脉宽调制转换器；所述装置还包括：一含有第一优先级中断源的数据装填机制单元，所述数据装填机制单元用于根据所述第一优先级中断源的中断处理结果，控制所述数字语音数据按顺序装填到脉宽调制转换器中。
本发明还提供了一种监护仪，所述监护仪包括：用于连接PWM转换器的输出端并实现语音输出的后继电路，用于控制数字语音数据读写的处理器，用于存储待播放数字语音数据的语音库，以及用于对语音数据进行脉冲宽度调制的脉宽调制转换器，所述监护仪还包括：含有第一优先级中断源的数据装填机制单元，所述数据装填机制单元每隔一预设时间向所述处理器发出一次中断请求，根据所述处理器的处理结果，控制所述数字语音数据按顺序装填到脉宽调制转换器中。
本发明还提供了一种语音合成方法，包括：利用一预设的第一优先级中断源产生中断请求；根据所述中断请求，处理器对存储的待播放数字语音数据进行脉宽调制；输出语音数据处理结果。
本发明通过在独立于脉宽调制转换器(以下简称PWM转换器)之外设置一第一优先级中断源，来向处理器内核发出中断，请求语音合成装置的系统处理资源。这里第一优先级中断源的优先级设置的至少要高于现有技术中PWM转换器内PWM事件中断源的优先级，其可以是语音合成装置内部靠近处理器内核的更高优先级的中断源、或者是外部触发的高优先级的中断源，比如一些非屏蔽中断源(即不可屏蔽中断源)，这样就可以避免语音合成的延迟、避免因存在更高级的中断请求而阻挠语音合成的过程，保证了在多个任务共同进行处理时，有效提高语音合成的质量。
【附图说明】
图1为现有技术语音合成地结构示意图；
图2是现有技术中多任务下处理器的工作原理示意图；
图3是本发明的PWM转换器的结构示意图；
图4是本发明语音合成装置的结构示意图；
图5是本发明实施例1的结构示意图；
图6是本发明实施例2的结构示意图。
【具体实施方式】
以下结合附图详细说明本发明的技术方案。
如图4所示，本发明提供了一种新的语音合成装置，其主要采用PWM语音合成技术，其主要包括以下几个部分：
(1)语音库200，用于存储待播放数字语音数据，这里的数字语音包括声音或音乐等媒体信息。
(2)PWM转换器240，用于对音量调节运算后的语音数据进行脉冲宽度调制。
(3)数据装填机制单元230，其内含有一更高优先级的第一优先级中断源，所述数据装填机制单元230利用第一优先级中断源每隔一预设时间发出一次中断请求，并根据中断请求的处理结果后，控制语音库200中数字语音数据的读写，将数字语音数据按顺序装填到PWM转换器240中，从PWM转换器240的输出端获得脉冲宽度调制波，用于驱动后继电路250，比如可以直接用以驱动喇叭。通常是采用处理器内核221对中断请求进行处理，这个处理器内核221属于实现语音合成的IC集成芯片的重要硬件部分，其通过事件控制器222接收中断请求，并回复相应的命令。
如图4所示，上述语音合成装置还包括：用于对所述数字语音数据进行音量调节运算的音量调节运算模块210，该模块串联在所述语音库200与所述数据装填机制单元230之间，所述数据装填机制单元230根据所述第一优先级中断源的中断处理结果，按顺序将所述音量调节运算模块210的输出结果送至PWM转换器240。这里的音量调节运算既可在中断外部也可在中断里实现。
本发明通过设置第一优先级中断源向处理器内核221发出中断，请求语音合成装置的系统处理资源。这里第一优先级中断源的优先级设置至少要高于现有技术中PWM转换器内脉宽调制PWM事件中断源的优先级，其可以是用于实现语音合成的IC集成芯片内部靠近处理器内核的更高优先级的中断源、或者是外部触发的高优先级的中断源，比如一些非屏蔽中断源。优选地，所述PWM转换器240和第一优先级中断源的计数周期与语音数据的采样周期相同，从而保证数据读写的同步。
下面将举例说明上述数据装填机制单元的实现方案。
实施例1：如图5所示，本实施例中的数据装填机制单元230设置在IC集成芯片的内部，比如，本实施例采用ADI的ADSP-BF531高达600MHZ的高性能Blackfin处理器。ADSP-BF531处理器具有一个串口、三个带有PWM(脉冲宽度调制)和脉冲测量能力的计数器/定时器、一个实时时钟、一个内核定时器、一个高达148Kbytes的片内存储器、事件控制器等等外设。事件控制器包括两个部分：内核事件控制器(CEC)和系统中断控制器(SIC)，内核事件控制器(CEC)和系统中断控制器(SIC)协同工作来控制优先级和控制所有系统事件。通常来说来自外设的中断进入到SIC，然后再被直接发送到CEC的通用中断中处理，系统中断控制器SIC为来自多个外设的中断源提供至CEC通用中断输入的映射和路由。
如图5所示，本实施例利用ADSP-BF531来实现语音合成装置，其采用IC芯片的片内定时器231作为数据装填机制单元230的第一优先级中断源，采用IC芯片内部提供的支持PWM功能的定时器作为PWM转换器240，并且在数据装填机制单元230中还包括一数据装填控制器232，用于控制音量调节运算模块210输出的语音数据输入到PWM转换器240中，数据装填控制器232可以建立于IC集成芯片的物理层之上，通过软件编写程序来实现相应的功能。本实施例语音合成装置的工作过程如下：
首先，待播放的语音数据存储在语音库200中，这里的语音数据库200可以采用片内存储器；然后，开启本实施例的PWM转换功能，即激活音量调节运算模块210和PWM转换器240；这时，片内定时器231将每隔一定时间通过事件控制器222向处理器内核221发送中断请求，并发出控制信号给数据装填控制器232，处理器内核221接收中断请求并处理，根据处理器内核分配的系统资源，语音库200中的语音数据按顺序装填到音量调节运算模块210的输入端，从音量调节运算模块210的输出端获得的语音数据通过数据装填控制器232转入PWM转换器240中，进行相应地处理，用以驱动后继电路250(如喇叭)。片内定时器231发出的中断请求的优先级由内核事件控制器CEC来决定，如下表1所示。
表1
上表只记录了内核事件控制CEC的事件、事件向量表(EVT)的名称及优先级。内核事件控制CEC除专用中断和异常事件外，还支持9个通用中断(如上表所示)，其中通用中断14和15用于软件中断，而剩余7个可用作处理器内核的外设中断，并由系统中断控制器(SIC)提供至CEC的中断输入映射。根据上表所示的内容，如果片内定时器231采用内核定时器，则其优先级位于第6位。而通常现有技术中，PWM事件的中断源采用处理器片内外设定时器所默认的映射IVG11，其属于表1的优先级第11位。由此可见，本实施例所采用的内核定时器或不可屏蔽中断源发出中断请求的优先级要高于现有技术中PWM事件的中断源所发出的中断请求，所以本实施例语音合成装置将会有效地降低延迟时间，并避免因处理器需要处理多个任务而导致合成语音的失真，从而提高了合成语音的质量。
实施例2：如图6所示，本实施例与上述实施例1的不同点是：本实施例中的数据装填机制单元230由数据装填控制器232和作为第一优先级中断源的外设中断源233两个部分构成，这里的外设中断源233设置在用于实现语音合成的IC集成芯片的外部，由片外定时器或计数器构成，并且该中断源的事件属性设置为不可屏蔽中断。在本实施例PWM语音合成装置的工作过程中，由外设中断源233将每隔一定时间通过事件控制器222向处理器内核221发送中断请求，并发出控制信号给数据装填控制器232。本实施例的PWM语音合成装置也可以采用ADI的ADSP-BF531高达600MHZ的高性能Blackfin处理器来实现。这样，外设中断源233所发出的中断请求可以依次通过系统中断控制器SIC、内核事件控制器CEC传送给处理器内核221，如表1所示，本实施例的外设中断源233的优先级位于上述表1优先级的第2位。与现有技术相比，本实施例PWM转换事件的中断请求的优先级要高于现有技术中PWM事件的中断源所发出的中断请求，所以本实施例语音合成装置也将会有效地降低延迟时间，并避免因处理器需要处理多个任务而导致合成语音的失真，从而提高了合成语音的质量。
实施3：在实施例1或2的基础上，如图3所示，本实施例的PWM转换器240包括：一计数器和一比较器；计数器按照一定的周期循环计数，定期在比较器的一输入端输入数字语音数据，并在比较器的另一输入端输入的计数器的值，将两者进行比较，输出的脉宽调制脉冲用以驱动运放、功放电路，就可再现语音。本实施例的其他组成部分与连接关系与实施例1或2相同。若本实施例也采用ADSP-BF531，则PWM转换器240可以由片内外设的三个定时器来实现。
基于上述方案，本发明还提供了一种监护仪，其包括图4所述的语音合成装置，其中含有：用于连接PWM转换器的输出端并实现语音输出的后继电路，用于控制数字语音数据读写的处理器，用于存储待播放数字语音数据的语音库，用于对语音数据进行脉冲宽度调制的PWM转换器，以及含有第一优先级中断源的数据装填机制单元，所述数据装填机制单元每隔一预设时间向所述处理器发出一次中断请求，根据所述处理器的处理结果，控制所述数字语音数据按顺序装填到PWM转换器中。这里涉及到语音合成装置的相关技术方案及其拓展均可以参见上述的相关说明，并且这里的处理器可以是实现语音合成的IC集成芯片的处理器内核，也可以用以接收并处理中断请求的模块或单元。
另外，本发明还提供了一种语音合成方法，其包括：利用一预设的第一优先级中断源产生中断请求；根据所述中断请求，处理器对存储的待播放数字语音数据进行脉宽调制；输出语音数据处理结果。所述第一优先级中断源的优先级高于脉宽调制事件的优先级。这里涉及到语音合成方法的相关技术方案(如对第一优先级中断源的说明)及其拓展均可以参见上述的相关说明。
综上所述，本发明的技术方案可以在ADI的ADSP-BF531中得到验证，设定PWM和第一优先级中断源(如实施例1中的内核定时器、或者片外定时器)的计数周期与语音数据的采样周期相同，打开第一优先级中断源的中断，同时使能PWM转换器和第一优先级中断源，在第一优先级中断源的中断服务程序中用语音数据来装填PWM转换器中的调节占空比的寄存器，利用本发明方案的PWM语音合成方法在主频很低时(例如11MHz)同时系统开放了诸如timer、SPORTS、SPI、UART等7个中断任务，实际测试发现当任务很频繁时也不会影响语音合成的质量。如果不采用本发明的方案，在更少的中断任务下如果还采用低主频，基本不能放音，即使提高主频，例如提高到10倍，在中断任务很繁忙时，还是会出现语音失真，同时处理器主频的提高还会使功耗几乎提高了一个数量级。可见，本发明提供了一种PWM语音合成技术，其能利用低主频的嵌入式系统即可以完成语音合成任务又完成其他任务，提高了系统的利用率，降低了成本，降低了功耗，是一种效率高、成本低的语音合成方案。
以上以低主频的嵌入式系统为例，说明了本发明既完成语音合成任务又完成其他任务，提高了系统的利用率，降低了成本。实际上，本发明还可以应用于非嵌入式的系统，以及其他语音合成系统。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。