【正文】 ...................... 1 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 隨著社會(huì)的快速發(fā)展， 計(jì)算機(jī)應(yīng)用越來(lái)越普及，很多企業(yè)和單位、甚至是公共場(chǎng)所已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電腦來(lái)代替日常繁忙的工作，進(jìn)行科學(xué)有效的管理。語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng)就是配合電腦收費(fèi)系統(tǒng)而研發(fā)的高科技產(chǎn)品，該產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛，可以應(yīng)用于醫(yī)院窗口、出租車(chē)、收費(fèi)站等，這些應(yīng)用減少了各項(xiàng)勞務(wù)性工作的強(qiáng)度，提供了工作效率和質(zhì)量。本文是基于收費(fèi)站研究的語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng)，它代替收費(fèi)員來(lái)自動(dòng)完成報(bào)價(jià)工作，并將其顯示出來(lái)，這樣就可大大地提高了收費(fèi)效率。 基于 AVR 單片機(jī)語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng)，適應(yīng)現(xiàn)代電子系統(tǒng)向集成化 、大規(guī)模和高速度的方向發(fā)展的趨勢(shì)，具有反應(yīng)速度快、安全可靠、功能多樣、易于擴(kuò)展升級(jí)等特點(diǎn)。此系統(tǒng)顯著提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。 系列單片機(jī)的語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 傳統(tǒng)的計(jì)費(fèi)器常以 MCS251 系列單片機(jī)為其核心主控部件 ， 如 89C51RC2， LPD78F0034 等 ， 該系列的單片機(jī)工作頻率一般不大于 24MHz， 而且可擴(kuò)展的資源有限 ， 最大能夠擴(kuò)展的程序空間和內(nèi)存空間一般都只有 64KB，很難勝任出語(yǔ)音 計(jì)費(fèi) 顯示 器的不斷升級(jí)要求。傳統(tǒng)的計(jì)費(fèi)器通常采用硬件模塊化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要包括主控模塊，電源模塊 ， 按鍵顯示模塊，防作弊及脈沖輸入模塊以及稅控模塊等。在主控模塊中又包括 CPU 子模塊 ， 語(yǔ)音識(shí)別子模塊 ， 串口通信子模塊，復(fù)位、看門(mén)狗及電源監(jiān)控子模塊，打印子模塊等，硬件電路復(fù)雜 ， 不利于系統(tǒng)功能升級(jí)，容易在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)的使用 ； 并且由于分立器件多，必然造成電源功耗大，芯片易發(fā)熱，影響芯片的使用壽命 。 系列單片機(jī)的語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 基于 FPGA 的 語(yǔ)音 計(jì)費(fèi) 顯示 器不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性 等問(wèn)題，而且其開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)軟件投入少、芯片價(jià)格不斷降低，特別是對(duì)小批量、多品種的產(chǎn)品需求，基于 FPGA 的 語(yǔ)音 計(jì)費(fèi) 顯示 器已成首選。計(jì)費(fèi)系統(tǒng)在各大、中城市出租車(chē)中使用越來(lái)越廣泛。 針對(duì)現(xiàn)有計(jì)費(fèi)系統(tǒng)通用性差的缺陷，本文采用 ISP 器件和 VHDL 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套出租車(chē)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)；該計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的可靠性高、成本低、通用性強(qiáng)；該系統(tǒng)在不改變硬件電路的前提下，具有可以重構(gòu)系統(tǒng)的功能，采用完全相同電路結(jié)構(gòu)，只要根據(jù)各地區(qū)的需求在 VHDL程序中設(shè)置各參數(shù)，就可以適應(yīng)各地區(qū)出租車(chē)不同計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的需要，還可根據(jù)各地區(qū)需求增加其他功能。 的語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 ISD1760是華邦公司新推出的單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放電路 ISD1700系列芯片中的一款 。 該芯片可用來(lái)替代已經(jīng)停產(chǎn)的 ISD2560芯片 。 用戶(hù)可利用振蕩電阻來(lái)自己設(shè)定芯片的采樣頻率 ， 從而決定芯片的錄放時(shí)間 (40～ 120s)和錄放音質(zhì) (4～12KHz)。 相比過(guò)去的 ISD2560芯片 ， ISD1760在功能上集成了錄放功能 ， 并增加了一些更加人性化的提示功能以及對(duì)存儲(chǔ)空間的精確操作功能 ， 而且音質(zhì)也有了明顯的提高 。 ISD1760芯片提供的多項(xiàng)新功能包括內(nèi)置多信息管理系統(tǒng) 、 新信息提示 (VAlert)、 雙運(yùn)作模式 (獨(dú)立模式和 SPI模式 ) 以及可定制的信息操作指示音效等 。 芯片內(nèi)部包含有自動(dòng)增益控制 、 麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器 、 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路 、 振蕩器與內(nèi)存等全方位整合系統(tǒng)功能 。 此外 ， 該芯片還具有專(zhuān)利技術(shù)的模擬處理存儲(chǔ)方式 ， 且錄放音質(zhì)極佳 ， 背景噪音很小 ， 語(yǔ)音內(nèi)容保存時(shí)間長(zhǎng)且不易丟失 。 非常適用于公路收費(fèi)站和公交車(chē)等場(chǎng)合進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào) 。 ISD1760有獨(dú)立模式和 SPI模式兩種工作模式 。 本系統(tǒng)采用 SPI工作模式 ， 其中單片機(jī)為主機(jī) ， ISD1760作為從機(jī) 。主控單片機(jī)主要通過(guò)四線(xiàn) ( SCLK， MOSI， MISO /SS) SPI協(xié)議來(lái)與 ISD1760進(jìn)行串行通信 ， 而且?guī)缀跛械牟僮鞫伎梢酝ㄟ^(guò) SPI協(xié)議來(lái)完成 。 采用單片機(jī)的 IO口來(lái)模擬 SPI接口以對(duì) ISD1760進(jìn)行控制 ， 適用于大多數(shù)的單片機(jī)與 ISD1760進(jìn)行通信 。 在實(shí)際應(yīng)用中模擬元件 (AGC電阻和電容 、 耦合電容等 ) 要盡量靠近 ISD器件 ， 元件的引腳要短 ， 應(yīng)把模擬和數(shù)字電源引腳都接到電源端并在這兩個(gè)電源端口添加高頻去耦電容 ， 且其等效串聯(lián)電阻要小 ， 同時(shí) ， 電源本身一定不能有噪聲 。 國(guó)內(nèi)外語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng)研制生產(chǎn)現(xiàn)狀 國(guó)外語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng)研制生產(chǎn)現(xiàn)狀 目前，國(guó)外 收費(fèi)站 已經(jīng)基本完成了自動(dòng)化，不需要人工干預(yù)。已經(jīng)用先進(jìn)的非接觸類(lèi)型的收費(fèi)方式取代了接觸讀寫(xiě)類(lèi)型的收費(fèi)方式。國(guó)外 收費(fèi)站 設(shè)備精良，采用高科技提高產(chǎn)品質(zhì)量，系統(tǒng)可靠性已經(jīng)相當(dāng)高。不需要人工計(jì)費(fèi)收費(fèi)是國(guó)外收費(fèi)站 的一個(gè)顯著特點(diǎn)。國(guó)外 收費(fèi)站 系統(tǒng)與目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的 收費(fèi)站 一樣，都具備泊車(chē)位引導(dǎo)系統(tǒng)、車(chē)位報(bào)警系統(tǒng)，以及車(chē)位查詢(xún)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)更加先進(jìn)。有些收費(fèi)站 收費(fèi)系統(tǒng)能夠直接聯(lián)網(wǎng)，能在一個(gè)區(qū)域里隨意查詢(xún)車(chē)位。這種新型系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)給人們生活帶來(lái)的便利之一。但是，此類(lèi)停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)價(jià)格昂貴、技術(shù)復(fù)雜、維護(hù)成本較高。 國(guó)內(nèi)語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng)研制生產(chǎn)現(xiàn)狀 目前，公路收費(fèi)站的監(jiān)控、收費(fèi)、起落桿等的控制多采用工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，但對(duì)許多中、小型收費(fèi)站的人工車(chē)道，仍需要收費(fèi)員根據(jù)車(chē)型告知司機(jī)繳費(fèi)金額。按車(chē)流量的不同，每位收費(fèi)員一個(gè)班次可收數(shù)十至數(shù)百輛車(chē)。由于收費(fèi)現(xiàn)場(chǎng)噪音較大，僅靠收費(fèi)員人工報(bào)價(jià)，不僅降低了收費(fèi)效率，而且加大了收費(fèi)人員的工作負(fù)擔(dān)。為此，我們研制公路計(jì)費(fèi) 顯示 語(yǔ)音報(bào)價(jià)裝置，是很必要的。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本論文通過(guò)以 單片機(jī) ATmega16 為核心部件設(shè)計(jì)一個(gè) 語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 。 數(shù)據(jù) 通過(guò) 單片機(jī) 程序 處理后分兩路輸出，其中一路輸出至解碼、驅(qū)動(dòng)芯片，以用于實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng) LCD1026 液晶顯示器 的 計(jì)費(fèi) 顯示；另一路則輸出至語(yǔ)音芯片，以用于實(shí)現(xiàn) 進(jìn)行同步語(yǔ)音 播報(bào) 。 論文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡述了本課題研究的目的和意義。 語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)不同型號(hào)元器件的選擇，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)。 語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 后端電路設(shè)計(jì)，說(shuō)明各模塊間的相互聯(lián)系。 ， 主要 包括 主控單元軟件設(shè)計(jì)和顯示界面設(shè)計(jì) 。 5. 總結(jié)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)時(shí)所做的工作以及對(duì)后續(xù)工作的展望。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 一個(gè)語(yǔ)音 計(jì)費(fèi) 顯示系統(tǒng)可由主控制模塊、存儲(chǔ)模塊、語(yǔ)音模塊、串口通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊等模塊組成， 其主控系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 語(yǔ)音計(jì)費(fèi) 顯示器的通信命令來(lái)源于收費(fèi)系統(tǒng)的車(chē)道控制計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)可將根據(jù)車(chē)型、軸載重量、行駛公里數(shù)、計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)學(xué)計(jì)算公式得到的最終數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給 語(yǔ)音計(jì)費(fèi) 顯示器的 MAX232 通信芯片，再由 MAX232 通信芯片將數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)可分兩路輸出，其中一路輸出至解碼、驅(qū)動(dòng)芯片，以用于驅(qū)動(dòng) 液晶顯示器 的 計(jì)費(fèi) 顯示；另一路則輸出至語(yǔ)音芯片， 以用于進(jìn)行同步語(yǔ)音 播報(bào) 。 電 源 電 路單 片 機(jī) A T m e g a 1 6語(yǔ) 音 芯 片I S D 1 7 6 0通 信 串 口M A X 2 3 2液 晶 顯 示 器L C D 1 6 0 2計(jì) 算 機(jī) Ｐ Ｃ數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 電 路A T 2 4 C 0 2 圖 21 硬件系統(tǒng)框圖 微控制器 微控制器是 語(yǔ)音計(jì)費(fèi)顯示系統(tǒng) 的核心控制器件，它控制著整個(gè)系統(tǒng)按照設(shè)定的程序進(jìn)行工作，該芯片品質(zhì)的優(yōu)良與否直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)，選擇一款性能優(yōu)良的微控制器對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)十分重要 。 微控制器的選型 51 單片機(jī)， ARM， DSP 都是嵌入式系統(tǒng)的核心芯片的類(lèi)型，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)都是高度面向?qū)ο蟮摹ｍ?xiàng)目規(guī)模、對(duì)效率的要求以及成本問(wèn)題很大程度上決定了對(duì)單片機(jī)類(lèi)型的選用?；趯?duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和硬件資源的要求，電路設(shè)計(jì)中采用的微處理器電路相對(duì)模擬系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法，有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，靈活適應(yīng)性強(qiáng)，控制精度高，無(wú)零點(diǎn)漂移?？梢?jiàn)普通的 51系列單片機(jī)因?yàn)橘Y源缺乏而無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 ARM 系列處理器價(jià)格昂貴且在長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用，會(huì)浪費(fèi) 資源 。 DSP 系列往往注重?cái)?shù)字信號(hào)的處理也不適合。根據(jù)單片機(jī)的對(duì)比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該選用 8 位機(jī)中性能優(yōu)越的單片機(jī)。所以選擇由ATMEL 公司制作 AVR 系列芯片中的 ATmega16 作為本次設(shè)計(jì)的處理單元 。 ATmega16 單片機(jī) ATmega16 單片機(jī)介紹 ATmega16 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 ATmega16 有如下特點(diǎn) [1]： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線(xiàn)， 32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C)， 片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝 )的 ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè) SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時(shí) CPU 停止工作，而 USART、兩線(xiàn)接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶(hù)保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC噪聲抑制模式時(shí)終止 CPU 和除了異步定時(shí)器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)的開(kāi)關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 ATmega16 單片機(jī)的引腳功能 ATmega16 單片機(jī)為 40 引腳芯片，如圖 22 所示。 引腳名稱(chēng) ， 引腳功能說(shuō)明 [2]： VCC： 電源正 。 GND： 電源地 。 端口 A(PA7..PA0)： 端口 A 為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 A 處于高阻狀態(tài)。 端口 B(PB7..PB0)： 端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 B 處于高阻狀態(tài)。端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能 。 端口 C(PC7..PC0)： 端口 C 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流 。 在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。如果 JTAG 接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能 。 端口 D(PD7..PD0)： 端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位 過(guò) 程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 D 處于高阻狀態(tài)。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能 。 RESET： 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門(mén)限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位 。持續(xù)時(shí)間小于門(mén)限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL1： 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端 。 XTAL2： 反向振蕩放大器的輸出端。 AVCC： AVCC 是端口 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。不使用 ADC 時(shí)，該引腳應(yīng)直接與 VCC 連接。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。 AREF： A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 圖 22 ATmega16 單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu) PB0(XCK/T0)1PB1(T1)2PB2(AIN0/INT2)3PB3(AIN1/OC0)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MISO)7PB7(SCK)8PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(OC1B)