【正文】 .................................... 25 附錄 3 FPGA 印制板 PCB 圖 ........................................................................................ 26 附錄 4 單片機和 ISD2560 語音芯片的硬件電路 ....................................................... 27 附錄 5 LED 顯示器的硬件電路 .................................................................................... 28 附錄 6 VHDL 編寫的各功能模塊程序 ......................................................................... 29 附錄 7 單片機程序 ........................................................................................................ 42 致謝 ................................................................................................................................. 43 天津工程師范學(xué)院 2020 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 1 1 引言 目前市面上的計時提醒產(chǎn)品種類繁多， 從設(shè)計方式看有機械型、電子型； 從外觀方面看有傳統(tǒng)型、可愛型； 從顯示方面看 有數(shù)碼管顯示 型 ，有液晶顯示 型 等等，但大多數(shù)的提醒鈴聲都比較單調(diào)、刺耳。整個系統(tǒng)簡單可靠、操作 方便、性能價格比高，較好地滿足了一般情況下的需要。 在日常的生活和學(xué)習(xí)中時鐘顯示和語音提醒是我們必不可少的一部分。多 媒體教育的出現(xiàn)更是具有標(biāo)志性的意義， 它能夠提供理想的教學(xué)環(huán)境，使師生交 流 更為便利，有助于提高學(xué)習(xí)和教學(xué)效率。語音 定時提醒 系統(tǒng)是多媒體系統(tǒng)中的一類重要 產(chǎn) 品， 基于 FPGA 的 EDA 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大與深入， EDA 技術(shù)在電子信息、通信、自動控制及計算機應(yīng)用等領(lǐng)域的 重要性日益突出。 因此，語音 定時提醒 系統(tǒng)具有一定的理論價 值 和十分重要的實際意義。 關(guān)鍵詞 ： FPGA； VHDL； AT89S52； ISD2560 ABSTRACT Along with the information time ing, people’s production and the life is unfolding by one brandnew way in people’s front. The multimedia education appearance has the sign of significance, it can provide the ideal teaching environment, causes the teachers and students to exchange conveniently, is helpful to the enhancement study and the teaching efficiency. The system of the pronunciation fixed time and reminding is a multimedia system that is kind of important product, based on expansion and thorough of FPGA EDA technology development and application, and EDA technology is prominent day by day on electronic information, correspondence ,automatic control and puter. It is the extremely essential technology in the limited condition of the EDA design, it and its design technology is the important part of practical digital design, and is the important approach to realize the high efficiency and high reliable logic controller. Depend on the clock time and the adjustment function with the limited condition may make the electric circuit to be simple and enhances its accuracy. In the daily life and learning, the display of clock and the reminder of pronunciation are our essential part of life. So, the system of pronunciation fixed time and reminding has the certain principle to determine price with the extremely important practical significance. This thesis introduces one kind of using the VHDL language that processes the control of realization time and fixed time with the monolithic integrated circuit realizes the function of the system language to the FPGA chip. This thesis introduces the mostly functions, the position of the hardware and the design of the software to the system. The whole of the system is simple to realize, and reliable, it ease to operate, and the performance price are higher, has met the needs of the ordinary circumstances well. Key Words： FPGA。由于時間是我們每個人時時都在關(guān)注，一刻也離不開的問題，所以數(shù)字鬧鐘是我們生活中必不可少的產(chǎn)品，可是數(shù)字鬧鐘在提醒鈴聲設(shè)計這方面又有些欠缺，例如：不能在提醒時間到來時提醒用戶要做的是什么事情及提醒鈴聲過于單一等問題，本文介紹的定時語音 提醒系統(tǒng)主要是針對改進提醒鈴聲設(shè)計的。 FPGA(Filed Programmable Gate Array)可編程邏輯器件是設(shè)計最新一代數(shù)字系統(tǒng)的邏輯器件 [3]。 可編程邏輯器件 [14]是由廠家提供通用芯片，由用戶自行根據(jù)實際應(yīng)用，對器件進行編程定義其邏輯功能的高級邏輯器件 [6， 8]，是繼 74 系列TTL 和 CMOS 等中小規(guī)模通用數(shù)字邏輯器件之后發(fā)展起來的新技術(shù)。單片機的潛力越來越被人們 所重視。雖然單片機的引入使控制系統(tǒng)大大“軟化”，但與其它計算機應(yīng)用問題相比，單片機控制應(yīng)用中的硬件內(nèi)容仍然較多，所以說單片機控制應(yīng)用有軟硬件相結(jié)合的特點 [7]。 方案二 采用分立的電子元器件 4060、 744 7490、 7408 等來實現(xiàn)時鐘信號的產(chǎn)生，但分立元件焊接比較復(fù)雜，調(diào)試容易出錯， 而且不夠穩(wěn)定， 跟單片機等硬件的兼容性不好。此方法比較直觀，也可直接實現(xiàn)門級設(shè)計和控制，但用來設(shè)計接近萬門的功能芯片，難度很大 ， 雖然有抽象化的模型庫可以使用 ，可其間關(guān)系復(fù)雜 ， 采用連線的方法過于簡單 ， 也很難實現(xiàn)正確的描述。它可以用簡潔明確的代碼描述來進行復(fù)雜控制邏輯的設(shè)計 可借助高級語言的精巧結(jié)構(gòu)來簡化電路的描述具有電路仿真與驗證機 制，從而保證設(shè)計的正確性。所以此課題沒有選擇該方案。 方案二 采用單片機控制 ISD2560 語言芯片來實現(xiàn)語音的錄放，該方案能夠較好的與 FPGA 部分兼容而且該語音芯片自帶有存儲空間不需要外擴存儲設(shè)備。而提醒時間設(shè)計主要是通過寄存器和控制器來對提醒時間進行設(shè)計和存儲。 語音模塊的可以單獨進行錄音操作，但是必須注意的是在錄音時必須按下錄音鍵的同時再按下啟停按鍵才可以進行錄音。 早期的數(shù)字系統(tǒng)多采用試湊法設(shè)計，此法無固定的套路可循，主要憑借設(shè)計者的經(jīng)驗。人們今后做邏輯設(shè)計，不再是通用系列芯片的選用 、搭配、堆砌，也不是對商品化的未封裝芯片做內(nèi)部連線與組裝 (例如 GA),而是對己封裝好的商品化的 FPGA 器件進行外部編程固化 (與 EPROM 固化的過程相類似 )，使之具備由若干通用邏輯電路芯片組成的邏輯單元的同等功能，可以含組合門邏輯、寄存器、時序邏輯等。 (1) I/O 單元，它們是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對輸入 /輸出信號的驅(qū)動與匹配需求。 (4) 豐富的布線資源，是用來連通 FPGA 內(nèi)部所有單元，連線的長度和工藝決定著信號在連線上的驅(qū)動能力和傳輸速度。系統(tǒng)設(shè)計者希望開發(fā) FPGA 的軟件容易使用、人機界面友好，能夠隨時得到 “在線求助”。對于簡單的 FPGA，天津工程師范學(xué)院 2020 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 9 可用 ABEL, CUPL和 PALASM 等可編程邏輯設(shè)計 語言描述設(shè)計 ； 對于復(fù)雜的 FPGA可以用原理圖輸入方式，也可用 DSL 和 VHDL 等硬件描述 語言進行設(shè)計輸入，以及采用 “自 頂向下”的層次式結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，將多個輸入文件合并成一個設(shè)計文件。編譯軟件對 “設(shè)計文件”進行邏輯化簡、綜合和優(yōu)化，并恰當(dāng)?shù)赜靡粋€或多個器件自動進行適配，產(chǎn)生供器件編程用的編程文件。 (3)設(shè)計校驗。對于用多個器件實現(xiàn)的一個設(shè)計來說，進行多個器件的聯(lián)合仿真是非常必要的。可多次編程的 FPGA 的優(yōu)點是可多次修改設(shè)計，特別適合于系統(tǒng)樣機的研制 。 (3)報時時間設(shè)定模塊，系統(tǒng)要求報時可調(diào)，由于此功能相對對立，可以單獨用一天津工程師范學(xué)院 2020 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計 10 個模塊來實現(xiàn)。 系統(tǒng)基本框圖如圖 4－ 2 所示。 單片機 AT89S52 簡介 單片微型計算機 SCMC (Single Chip Microputer)簡稱單片機。 89S52 的引腳圖如圖 4－ 3所示。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。在單片 機內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。電容的大小范圍為 20pF～ 40pF，本設(shè)計選用 30pF 電容。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，每個采樣值可直接存儲在片內(nèi)單個 EEPROM 單元中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，從而避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和 “ 金屬聲 ” 。 ISD2560 內(nèi)部 EEPROM 存儲單元均勻分為 600 行，有 600 個地址單元，每個地址單元指向其中一行，每一個地址單元的地址分辨率為 100ms。 芯片 引腳功能 介紹 ISD2560 具有 28 腳 SOIC 和 28 腳 PDIP 兩種封裝形式。 節(jié)電控制（ PD） :本端拉高使芯片停止工作，進入不耗電的節(jié)電狀態(tài)，芯片發(fā)生溢出，即 OVF 端輸出低電平后，要將本端短暫變高復(fù)位芯片，才能使之再次工作。高電平選擇放音， 低電平選擇錄音。 信息結(jié)尾標(biāo)志（ EOM ） : EOM 標(biāo)志在錄音時由芯片自動插入到該信息的結(jié)尾。 話筒輸入（ MIC）本端連至片內(nèi)前置放大器。 自動增益控制（ AGC）： AGC 可動態(tài)調(diào)整前置增益以補償話筒輸入電平的寬幅變化，這樣在錄制變化很大的音量（從耳語到喧囂聲）時就能保持最 小失真。 模擬輸出 (ANA OUT)：前置放大器輸出。其它音源可通過交流耦合直接連至該端。 LED 顯示部分 在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器，簡稱 LED；液晶顯示器，簡稱 LCD；熒光管顯示器。此外，顯示塊中 還有一個圓點型發(fā)光二極管用于顯示小數(shù)點。使用時公共陽極接 ＋ 5V，這樣，陰極端輸入低電平的段的發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示；其余的段則不點亮。電路中的 S1 按鍵的功能是實現(xiàn)正常時間和提醒時間的調(diào)整，當(dāng)按下該鍵時一次顯示正常時間，再按一次表示提醒時間； S2 按鍵的功能是實現(xiàn)時間的加一功能，也就是把選定的時或分按鍵按下一次就加一的功能； S3 按鍵的功能是實現(xiàn)時間的減一功能，也就是把選定的時或分按鍵按下一次就減一的功能； S4 按鍵的功能是 實現(xiàn)時和分的選擇，當(dāng)按鍵按下一次就移動一次位置對時或分進行選定。此后，美國國防部要求官方的與高速集成電路設(shè)計相關(guān)的所有文檔必須用 VHDL 描述，因此 VHDL 在電子設(shè)計領(lǐng)域