【正文】 1 引言 研究的背景及意義從這些數(shù)字可以看出，高科技含量的電子玩具已經(jīng)成為玩具行業(yè)發(fā)展的主流，發(fā)展科技型玩具是必然趨勢,不僅世界大玩具公司爭相開發(fā),世界電腦巨頭微軟、英特爾、IBM等,世界電器霸主松下、東芝、索尼也都垂青電子玩具,自己或與玩具廠商合作應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)碼技術(shù)于玩具開發(fā)。他們把這叫做“面向明天的玩具”。 美國麻省理工學(xué)院就得到迪斯尼等四家大公司資助數(shù)百萬美元的研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)。科技、教育與玩具制造業(yè)的結(jié)合,將會(huì)是玩具業(yè)在技術(shù)上的又一次革命,將使玩具更可愛、更吸引人 [1] 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展根據(jù)美國玩具協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，近年來全球玩具銷量增幅與全球平均GDP增幅大致相當(dāng)。而全球玩具市場的內(nèi)在結(jié)構(gòu)比重卻發(fā)生了重大變化：傳統(tǒng)玩具的市場比重在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上。美國玩具市場的高科技電子玩具的年銷售額2004年較2003年增長52%，而傳統(tǒng)玩具的年銷售額僅增長3%。英國玩具零售商協(xié)會(huì)選出的2001年圣誕最受歡迎的十大玩具中，七款玩具配有電子元件 [2] 。近幾年，歐洲電子玩具大幅增長[3] 。在英國，電子類玩具將成為英國增長最快和市場最大的玩具，2007年英國玩具市場將達(dá)到61億歐元；在德國，技術(shù)性玩具，如建筑、車輛和電子訓(xùn)練等玩具比其他歐洲國家更加流行[4] 。 可行性分析本設(shè)計(jì)的核心是凌陽的16位單片機(jī)（SPCE061A）。該單片機(jī)采用凌陽最新推出的181。’nSP 16 位微處理器內(nèi)核（以下簡稱181。’nSP）。SPCE061A內(nèi)嵌32K字（Word）閃存（FLASH），2K字（Word）SRAM，有多達(dá)十四個(gè)的中斷源等豐富的片內(nèi)資源。CPU最高可工作在49MHz的主頻下，較高的處理速度使181?！痭SP能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，這使得SPCE061A具有靈活的語音處理能力?？梢圆シ臩ACM A2000和SACM S480等格式的語音資料，而且還可以配置外部存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)很長的聲音段。其兩個(gè)音頻DAC輸出口可以接喇叭，發(fā)聲系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)。該單片機(jī)擁有兩個(gè)16位的I/O口，對(duì)于系統(tǒng)要求的顯示時(shí)間、外接鍵盤、外接存儲(chǔ)器完全可以滿足。擁有14個(gè)中斷源，9個(gè)中斷向量，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)是SPCE061A可以完成大量中斷子程序，方便系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。以上所述SPCE061A可以滿足該設(shè)計(jì)的要求。 借助于 SPCE061A的語音特色，我們開發(fā)出了這款語音控制小車。[5]小車不僅具有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)停車等基本功能；同時(shí)配合 SPCE061A的語音特色，實(shí)現(xiàn)語音控制功能。2 語音控制小車設(shè)計(jì)要求 功能要求 語音控制小車是凌陽大學(xué)計(jì)劃推出的基于 SPCE061A 的代表性興趣產(chǎn)品，它配合 61 板推出，綜合應(yīng)用了 SPCE061A的眾多資源，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中單片機(jī)學(xué)習(xí)枯燥和低效的現(xiàn)狀。小車采用語音識(shí)別技術(shù)，可通過語音命令對(duì)其行駛狀態(tài)進(jìn)行控制。 語音控制小車的主要功能： 1． 可以通過簡單的 I/O操作實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能； 2． 配合 SPCE061A的語音特色，利用系統(tǒng)的語音播放和語音識(shí)別資源，實(shí)現(xiàn)語音控制的功能； 3． 可以在行走過程中聲控改變小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)； 4． 在超出語音控制范圍時(shí)能夠自動(dòng)停車。 功能說明1. 小車運(yùn)動(dòng)控制： 通過 SPCE061A的 I/O端口，驅(qū)動(dòng)控制板的 H橋電路，進(jìn)而控制前輪電機(jī)和后輪電機(jī)。 2. 聲控功能： 利用特定人語音識(shí)別實(shí)現(xiàn)小車的名稱和動(dòng)作訓(xùn)練，并根據(jù)相應(yīng)的語音指令輸入執(zhí)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等動(dòng)作。 3. 定時(shí)控制功能： 利用時(shí)基定時(shí)器設(shè)定運(yùn)行時(shí)間，小車運(yùn)行同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，時(shí)間到小車停止運(yùn)行。車體：雙電機(jī)兩輪驅(qū)動(dòng) 供電：電池（四節(jié) AA：4 或 4） 注：由于語音信號(hào)的不確定性，語音識(shí)別的過程會(huì)出現(xiàn)一定的誤差和不準(zhǔn)確性； 由于小車行動(dòng)比較靈活，速度比較快，在使用時(shí)一定要注意保持場地足夠大，且保證不會(huì)對(duì)周圍的物體造成傷害； 不要讓小車長時(shí)間運(yùn)行在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)（堵轉(zhuǎn)狀態(tài)：由于小車所受阻力過大，造成小車電機(jī)加電但并不轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象），這樣會(huì)造成很大的堵轉(zhuǎn)電流，有可能會(huì)損壞小車的控制電路。可以自行添加各種傳感器，實(shí)現(xiàn)避障、循跡、跟蹤等功能。3 芯片特性簡介 SPCE061A簡介 隨著單片機(jī)功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴(kuò)展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號(hào)處理（DSP，Digital SignalProcessing）等領(lǐng)域。凌陽的16位單片機(jī)就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計(jì)的。它的CPU內(nèi)核采用凌陽最新推出的181?！痭SP?（Microcontroller and Signal Processor）16位微處理器芯片（以下簡稱181?！痭SP?）。圍繞181。’nSP?所形成的16位181。’nSP?系列單片機(jī)（以下簡稱181。’nSP?家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以181?！痭SP?內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的ROM、RAM和功能豐富的各種外設(shè)接口部件。 181?！痭SP?家族的模塊式結(jié)構(gòu)181。’nSP?內(nèi)核是一個(gè)通用的核結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)，亦即這種結(jié)構(gòu)可大可小或可有可無。借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可形成各種不同系列派生產(chǎn)品，以適合不同的應(yīng)用場合。這樣做無疑會(huì)使每一種派生產(chǎn)品具有更強(qiáng)的功能和更低的成本。181?！痭SP?家族有以下特點(diǎn): 體積小、集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展181?！痭SP?家族把各功能部件模塊化地集成在一個(gè)芯片里，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因而減少了各功能部件之間的連線，提高了其可靠性和抗干擾能力。另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)擴(kuò)展，以適應(yīng)不同用戶的需求。 具有較強(qiáng)的中斷處理能力181?！痭SP?家族的中斷系統(tǒng)支持10個(gè)中斷向量及10余個(gè)中斷源，適合實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。 高性能價(jià)格比181?！痭SP?家族片內(nèi)帶有高尋址能力的ROM、靜態(tài)RAM和多功能的I/O口。另外，181?！痭SP?的指令系統(tǒng)提供具有較高運(yùn)算速度的16位16位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指令，為其應(yīng)用增添了DSP功能，使得181?！痭SP?家族運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理方面既很便利，又比專用的DSP芯片廉價(jià)。 功能強(qiáng)、效率高的指令系統(tǒng)181?！痭SP?指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速,并且其指令結(jié)構(gòu)提供了對(duì)高級(jí)語言的支持,這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。 低功耗、低電壓181?！痭SP?家族采用CMOS制造工藝，同時(shí)增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗。另外，181。’nSP?家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時(shí)正常工作，且能用電池供電。這對(duì)于其在野外作業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有特殊的意義?！PCE061A是一款 16 位μ39。nSP結(jié)構(gòu)的微控制器。該芯片帶有硬件乘法器，能夠?qū)崿F(xiàn)乘法運(yùn)算、內(nèi)積運(yùn)算等復(fù)雜的運(yùn)算。它不僅運(yùn)算能力強(qiáng)，而且處理速度快，單周期最高可以達(dá)到 49MHz。SPCE061A 內(nèi)嵌 32K 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器以及 2K 的SRAM。同時(shí)該 SOC 芯片具有 ADC 和 DAC 功能[6]，其 MIC_ADC 通道帶有AGC自動(dòng)增益環(huán)節(jié)，能夠輕松將語音信號(hào)采集到芯片內(nèi)部，兩路 10 位的電流輸出型DAC，只要外接一個(gè)功放就可以完成聲音的播放。以上介紹的這些硬件資源使得該SPCE061A 能夠單芯片實(shí)現(xiàn)語音處理功能[7] 。為實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能SPCE061A精簡開發(fā)板是最主要的部分，所有的設(shè)計(jì)都是圍繞它展開的，它為播報(bào)的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。SPCE061A精簡開發(fā)板（簡稱61板），是以凌陽16位單片機(jī)SPCE061A精簡開發(fā)－仿真－實(shí)驗(yàn)板，大小相當(dāng)于一張撲克牌，可作為單片機(jī)項(xiàng)目初期研發(fā)使用。61板除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)電路外，還包括有電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分）、復(fù)位電路等，采用電池供電，方便隨身攜帶！使我們在掌握軟件的同時(shí)，熟悉單片機(jī)硬件的設(shè)計(jì)制作，鍛煉我們的動(dòng)手能力，也為單片機(jī)學(xué)習(xí)者和開發(fā)者創(chuàng)造了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)條件和開發(fā)新產(chǎn)品的機(jī)會(huì)！61板上有調(diào)試器接口（Probe接口）以及下載線（EZ_Probe）接口，分別可接凌陽科技的在線調(diào)試器、簡易下載線，配合unSP IDE，可方便地在板上實(shí)現(xiàn)程序的下載、在線仿真調(diào)試[8]。61板上的主要功能模塊如下： SPCE061A單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路模塊； 電源輸入模塊； 音頻電路（DAC音頻功放輸出）模塊； 按鍵模塊； I/O端口接口模塊； 調(diào)試、下載接口模塊；16位181?！痭SP?微處理器；電壓(CPU) ~ (I/O) ~；時(shí)鐘：~ ；內(nèi)置2K字SRAM；內(nèi)置32K FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電僅為2181。A@；2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；2個(gè)10位DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個(gè)中斷