【正文】 ...................... 1 長春理工大學本科畢業(yè)設計 1 第 1 章 緒 論 隨著社會的快速發(fā)展， 計算機應用越來越普及，很多企業(yè)和單位、甚至是公共場所已經(jīng)實現(xiàn)了電腦來代替日常繁忙的工作，進行科學有效的管理。語音計費顯示系統(tǒng)就是配合電腦收費系統(tǒng)而研發(fā)的高科技產(chǎn)品，該產(chǎn)品的應用范圍很廣泛，可以應用于醫(yī)院窗口、出租車、收費站等，這些應用減少了各項勞務性工作的強度，提供了工作效率和質(zhì)量。本文是基于收費站研究的語音計費顯示系統(tǒng)，它代替收費員來自動完成報價工作，并將其顯示出來，這樣就可大大地提高了收費效率。 基于 AVR 單片機語音計費顯示系統(tǒng)，適應現(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，具有反應速度快、安全可靠、功能多樣、易于擴展升級等特點。此系統(tǒng)顯著提高了整個系統(tǒng)的可靠性，并且簡化了系統(tǒng)的設計難度。 系列單片機的語音計費顯示系統(tǒng) 傳統(tǒng)的計費器常以 MCS251 系列單片機為其核心主控部件 ， 如 89C51RC2， LPD78F0034 等 ， 該系列的單片機工作頻率一般不大于 24MHz， 而且可擴展的資源有限 ， 最大能夠擴展的程序空間和內(nèi)存空間一般都只有 64KB，很難勝任出語音 計費 顯示 器的不斷升級要求。傳統(tǒng)的計費器通常采用硬件模塊化的設計結(jié)構，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 ， 語音識別子模塊 ， 串口通信子模塊，復位、看門狗及電源監(jiān)控子模塊，打印子模塊等，硬件電路復雜 ， 不利于系統(tǒng)功能升級，容易在運營過程中產(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 。 系列單片機的語音計費顯示系統(tǒng) 基于 FPGA 的 語音 計費 顯示 器不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性 等問題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、芯片價格不斷降低，特別是對小批量、多品種的產(chǎn)品需求，基于 FPGA 的 語音 計費 顯示 器已成首選。計費系統(tǒng)在各大、中城市出租車中使用越來越廣泛。 針對現(xiàn)有計費系統(tǒng)通用性差的缺陷，本文采用 ISP 器件和 VHDL 語言開發(fā)了一套出租車計費系統(tǒng)；該計費系統(tǒng)的可靠性高、成本低、通用性強；該系統(tǒng)在不改變硬件電路的前提下，具有可以重構系統(tǒng)的功能，采用完全相同電路結(jié)構，只要根據(jù)各地區(qū)的需求在 VHDL程序中設置各參數(shù)，就可以適應各地區(qū)出租車不同計費標準的需要，還可根據(jù)各地區(qū)需求增加其他功能。 的語音計費顯示系統(tǒng) 長春理工大學本科畢業(yè)設計 2 ISD1760是華邦公司新推出的單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路 ISD1700系列芯片中的一款 。 該芯片可用來替代已經(jīng)停產(chǎn)的 ISD2560芯片 。 用戶可利用振蕩電阻來自己設定芯片的采樣頻率 ， 從而決定芯片的錄放時間 (40～ 120s)和錄放音質(zhì) (4～12KHz)。 相比過去的 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存儲空間的精確操作功能 ， 而且音質(zhì)也有了明顯的提高 。 ISD1760芯片提供的多項新功能包括內(nèi)置多信息管理系統(tǒng) 、 新信息提示 (VAlert)、 雙運作模式 (獨立模式和 SPI模式 ) 以及可定制的信息操作指示音效等 。 芯片內(nèi)部包含有自動增益控制 、 麥克風前置擴大器 、 揚聲器驅(qū)動線路 、 振蕩器與內(nèi)存等全方位整合系統(tǒng)功能 。 此外 ， 該芯片還具有專利技術的模擬處理存儲方式 ， 且錄放音質(zhì)極佳 ， 背景噪音很小 ， 語音內(nèi)容保存時間長且不易丟失 。 非常適用于公路收費站和公交車等場合進行語音播報 。 ISD1760有獨立模式和 SPI模式兩種工作模式 。 本系統(tǒng)采用 SPI工作模式 ， 其中單片機為主機 ， ISD1760作為從機 。主控單片機主要通過四線 ( SCLK， MOSI， MISO /SS) SPI協(xié)議來與 ISD1760進行串行通信 ， 而且?guī)缀跛械牟僮鞫伎梢酝ㄟ^ SPI協(xié)議來完成 。 采用單片機的 IO口來模擬 SPI接口以對 ISD1760進行控制 ， 適用于大多數(shù)的單片機與 ISD1760進行通信 。 在實際應用中模擬元件 (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 ， 應把模擬和數(shù)字電源引腳都接到電源端并在這兩個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 ， 電源本身一定不能有噪聲 。 國內(nèi)外語音計費顯示系統(tǒng)研制生產(chǎn)現(xiàn)狀 國外語音計費顯示系統(tǒng)研制生產(chǎn)現(xiàn)狀 目前，國外 收費站 已經(jīng)基本完成了自動化，不需要人工干預。已經(jīng)用先進的非接觸類型的收費方式取代了接觸讀寫類型的收費方式。國外 收費站 設備精良，采用高科技提高產(chǎn)品質(zhì)量，系統(tǒng)可靠性已經(jīng)相當高。不需要人工計費收費是國外收費站 的一個顯著特點。國外 收費站 系統(tǒng)與目前國內(nèi)先進的 收費站 一樣，都具備泊車位引導系統(tǒng)、車位報警系統(tǒng)，以及車位查詢系統(tǒng)，使得系統(tǒng)更加先進。有些收費站 收費系統(tǒng)能夠直接聯(lián)網(wǎng)，能在一個區(qū)域里隨意查詢車位。這種新型系統(tǒng)是網(wǎng)絡給人們生活帶來的便利之一。但是，此類停車場管理系統(tǒng)價格昂貴、技術復雜、維護成本較高。 國內(nèi)語音計費顯示系統(tǒng)研制生產(chǎn)現(xiàn)狀 目前，公路收費站的監(jiān)控、收費、起落桿等的控制多采用工控機實現(xiàn)，但對許多中、小型收費站的人工車道，仍需要收費員根據(jù)車型告知司機繳費金額。按車流量的不同，每位收費員一個班次可收數(shù)十至數(shù)百輛車。由于收費現(xiàn)場噪音較大，僅靠收費員人工報價，不僅降低了收費效率，而且加大了收費人員的工作負擔。為此，我們研制公路計費 顯示 語音報價裝置，是很必要的。 長春理工大學本科畢業(yè)設計 3 本文的主要研究內(nèi)容 本論文通過以 單片機 ATmega16 為核心部件設計一個 語音計費顯示系統(tǒng) 。 數(shù)據(jù) 通過 單片機 程序 處理后分兩路輸出，其中一路輸出至解碼、驅(qū)動芯片，以用于實現(xiàn) 驅(qū)動 LCD1026 液晶顯示器 的 計費 顯示；另一路則輸出至語音芯片，以用于實現(xiàn) 進行同步語音 播報 。 論文的主要研究內(nèi)容如下： 語音計費顯示系統(tǒng) 的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，闡述了本課題研究的目的和意義。 語音計費顯示系統(tǒng) 硬件設計，通過對不同型號元器件的選擇，實現(xiàn)硬件設計。 語音計費顯示系統(tǒng) 后端電路設計，說明各模塊間的相互聯(lián)系。 ， 主要 包括 主控單元軟件設計和顯示界面設計 。 5. 總結(jié)開發(fā)系統(tǒng)時所做的工作以及對后續(xù)工作的展望。 長春理工大學本科畢業(yè)設計 4 第 2 章 系統(tǒng)硬件設計 一個語音 計費 顯示系統(tǒng)可由主控制模塊、存儲模塊、語音模塊、串口通信模塊、驅(qū)動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。 語音計費 顯示器的通信命令來源于收費系統(tǒng)的車道控制計算機。計算機可將根據(jù)車型、軸載重量、行駛公里數(shù)、計費標準等數(shù)學計算公式得到的最終數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給 語音計費 顯示器的 MAX232 通信芯片，再由 MAX232 通信芯片將數(shù)據(jù)輸入單片機進行處理。單片機處理后的數(shù)據(jù)可分兩路輸出，其中一路輸出至解碼、驅(qū)動芯片，以用于驅(qū)動 液晶顯示器 的 計費 顯示；另一路則輸出至語音芯片， 以用于進行同步語音 播報 。 電 源 電 路單 片 機 A T m e g a 1 6語 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 算 機 Ｐ Ｃ數(shù) 據(jù) 存 儲 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 語音計費顯示系統(tǒng) 的核心控制器件，它控制著整個系統(tǒng)按照設定的程序進行工作，該芯片品質(zhì)的優(yōu)良與否直接決定著整個系統(tǒng)的品質(zhì)，選擇一款性能優(yōu)良的微控制器對于本設計來說十分重要 。 微控制器的選型 51 單片機， ARM， DSP 都是嵌入式系統(tǒng)的核心芯片的類型，現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)都是高度面向?qū)ο蟮?。項目?guī)模、對效率的要求以及成本問題很大程度上決定了對單片機類型的選用?；趯ο到y(tǒng)的整體設計和硬件資源的要求，電路設計中采用的微處理器電路相對模擬系統(tǒng)更為簡單，可實現(xiàn)較復雜的控制算法，有一定的數(shù)據(jù)存儲空間，靈活適應性強，控制精度高，無零點漂移。可見普通的 51系列單片機因為資源缺乏而無法滿足設計要求。 ARM 系列處理器價格昂貴且在長春理工大學本科畢業(yè)設計 5 本系統(tǒng)設計中使用，會浪費 資源 。 DSP 系列往往注重數(shù)字信號的處理也不適合。根據(jù)單片機的對比，系統(tǒng)設計應該選用 8 位機中性能優(yōu)越的單片機。所以選擇由ATMEL 公司制作 AVR 系列芯片中的 ATmega16 作為本次設計的處理單元 。 ATmega16 單片機 ATmega16 單片機介紹 ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結(jié)構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達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 [1]： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個通用 I/O 口線， 32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器 / 計數(shù)器 (T/C)， 片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝 )的 ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時 CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC噪聲抑制模式時終止 CPU 和除了異步定時器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，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，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 ATmega16 單片機的引腳功能 ATmega16 單片機為 40 引腳芯片，如圖 22 所示。 引腳名稱 ， 引腳功能說明 [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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，長春理工大學本科畢業(yè)設計 6 若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流 。 在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位 過 程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，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： 復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位 。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。 XTAL1： 反向振蕩放大器與片內(nèi)時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，該引腳應直接與 VCC 連接。使用 ADC 時應通過一個低通濾波器與 VCC 連接。 AREF： A/D 的模擬基準輸入引腳。 圖 22 ATmega16 單片機引腳結(jié)構 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)