【正文】 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 1 頁 共 38 頁 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?？萍肌⒔逃c玩具制造業(yè)的結(jié)合 ,將會是玩具業(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)會的調(diào)查統(tǒng)計，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 2020 年較 2020 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)會選出的 2020 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， 2020 年英國玩具市場將達到 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)計的核心是凌陽的 16位單片機（ SPCE061A）。 該單片機采用凌陽最新推出的 181?！痭SP 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，有多達十四個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，這使得 SPCE061A 具有靈活的語音處理能力。 可以播放 SACM A2020 和 SACM S480 等格式的語音資料，而且還可以配置外部存儲器，可以存儲很長的聲音段。其兩個音頻 DAC 輸出口可以接喇叭，發(fā)聲系統(tǒng)很容易實現(xiàn)。該單片機擁有兩個 16位的 I/O 口，對于系統(tǒng)要求的顯示時間、外接鍵盤、外接存中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 38 頁 儲器完全可以滿足。擁有 14 個中斷源， 9個中斷向量， 2 個中斷優(yōu)先級是 SPCE061A可以完成大量中斷子程序，方便系統(tǒng)軟件的設(shè)計。以上所述 SPCE061A 可以滿足該設(shè)計的要求。 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、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)停車等基本功能；同時配合 SPCE061A 的語音特色，實現(xiàn)語音控制功能。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 38 頁 2 語音控制小車設(shè)計要求 功能要求 語音控制小車是凌陽大學(xué)計劃推出的基于 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)中單片機學(xué)習(xí)枯燥和低效的現(xiàn)狀。小車采用語音識別技術(shù)，可通過語音命令對其行駛狀態(tài)進行控制。 語音控制小車的主要功能： 1． 可以通過簡單的 I/O 操作實現(xiàn) 小車的前進、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別資源，實現(xiàn)語音控制的功能； 3． 可以在行走過程中聲控改變小車運動狀態(tài)； 4． 在超出語音控制范圍時能夠自動停車。 功能說明 1. 小車運動控制： 通過 SPCE061A 的 I/O 端口，驅(qū)動控制板的 H 橋電路，進而控制前輪電機和后輪電機。 2. 聲控功能： 利用特定人語音識別實現(xiàn)小車的名稱和動作訓(xùn)練，并根據(jù)相應(yīng)的語音指令輸入執(zhí)行前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等動作。 3. 定時 控制功能： 利用時基定時器設(shè)定運行時間，小車運行同時啟動定時器，時間到小車停止運行。 車體：雙電機兩輪驅(qū)動 供電：電池（四節(jié) AA： 4 或 4） 注： 由于語音信號的不確定性，語音識別的過程會出現(xiàn)一定的誤差和不準確性； 由于小車行動比較靈活，速度比較快，在使用時一定要注意保持場地足夠大，且保證不會對周圍的物體造成傷害； 不要讓小車長時間運行在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)（堵轉(zhuǎn)狀態(tài)：由于小車所受阻力過大，造成中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 38 頁 小車電機加電但并不轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象），這樣會造成很大的堵轉(zhuǎn)電流，有可能會損壞小車的控制電路。 可以 自行添加各種傳感器，實現(xiàn)避障、循跡、跟蹤等功能。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 38 頁 3 芯片特性簡介 SPCE061A 簡介 隨著單片機功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理（ DSP， Digital SignalProcessing）等領(lǐng)域。凌陽的 16 位單片機就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計的。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?！?nSP?）。圍繞 181?！痭SP? 所形成的 16 位 181?！痭SP? 系列單片機（以下簡稱 181?！痭SP? 家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以 181。’nSP? 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，如圖 所示。 圖 181。’nSP? 家族的模塊式結(jié)構(gòu) 181?！痭SP? 內(nèi)核是一個通用的核結(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。這樣做無疑會使每一種派生產(chǎn)品具有更強的功能和更低的成本。 181?！痭SP? 家族有以下特點 : 體積小、集成度高、可靠性好且易于擴展 181。’nSP? 家族把各功能部件模塊化地集成在一個芯片里，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)擴展，以適應(yīng)不同用戶的需求。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 38 頁 具有較強的中斷處理能力 181。’nSP? 家族的中斷系統(tǒng)支持 10個中斷向量及 10余個中斷源，適合實時應(yīng)用領(lǐng)域。 高性能價格比 181?！痭S P?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)提供具有較高運算速度的 16 位 16 位的乘法運算指令和內(nèi)積運算指令，為其應(yīng)用增添了 DSP 功能，使得 181?！痭SP? 家族運用在復(fù)雜的數(shù)字信號處理方面既很便利，又比專用的 DSP 芯片廉價。 功能強、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)提供了對高級語言的支持 ,這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。 低功耗、低電壓 181。’nSP? 家族采用 CMOS 制造工藝，同時增加了軟件激發(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?！痭SP? 家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時正常工作，且能用電池供電。這對于其在野外作業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有特殊的意義。 SPCE061A 是一款 16 位μ 39。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)乘法運算、內(nèi)積運算等復(fù)雜的運算。它不僅運算能力強，而且處理速度快，單周期最高可以達到 49MHz。 SPCE061A 內(nèi)嵌 32K 字的 FLASH 程序存儲器以及 2K 的 SRAM。同時該 SOC 芯片具有 ADC 和 DAC 功能 [6]，其 MIC_ADC 通道帶有 AGC 自動增益環(huán)節(jié)，能夠輕松將語音信號采集到芯片內(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 能夠單芯片實現(xiàn)語音處理功能 [7] 。 為實現(xiàn)語音播報功能 SPCE061A精簡開發(fā)板是最主要的部分，所有的設(shè)計都是圍繞它展開的，它為播報的實現(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 SPCE061A精簡開發(fā)－仿真－實驗板，大小相當(dāng)于一張撲克牌，可作為單片機項目初期研發(fā)使用。 61板除了具備單片機最小系統(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，熟悉單片機硬件的設(shè)計制作，鍛煉我們 的動手能力，也為單片機學(xué)習(xí)者和開發(fā)者創(chuàng)造了一個良好的學(xué)習(xí)條件和開中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 38 頁 發(fā)新產(chǎn)品的機會！ 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) VDD為 ~ (I/O) VDDH為 ~； 時鐘： ~ ； 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 (時鐘處于停止?fàn)顟B(tài) )，耗電僅為 ； 2個 16位可編程定時器 /計數(shù)器 (可自動預(yù)置初始計數(shù)值 )； 2個 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個中斷源可來自定時器 A / B，時基，