【文章內容簡介】 *16 位的乘法運算指令和內積運算指令，增添了 DSP 功能，使得μ ’ nSPTM 系列運用在復雜的數(shù)字信號處理方面既很便利，又比專用的 DSP 芯片廉價。凌陽內嵌 32K 字的 Flash 和 2K 字的 SRAM， ROM 和 RAM 統(tǒng)一編址，屬于馮諾依曼結構計算機，這樣的設計在制作中方便了 對 語音 指令的壓縮和存儲。 圖 31 凌陽 SPCE061A單片機 圖 32 ATMEGA16L管腳圖 畢業(yè)論文 SPCE061A 的主要性能： 1. 16 位μ ’ nSP?核心高檔微控制器； 2. 工作電壓： VVD 為 （ CPU） ,VDDH 為 （ I/O）； 3. CPU 時鐘： ； 4. 內置 2K 字 SRAM； 5. 內置 32K 字 FLASH； 6. 可編程音頻控制器； 7. 晶體振蕩器； 8. 系統(tǒng)處于設備狀態(tài)。耗電小雨 2mA ； 9. 2 個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器（可自動預置初始計數(shù)值）； 10. 2 個 10 位 DAC； 11. 32 位通用可編程輸入 /輸出端口； 12. 14 個中斷源可來自定時器 A/B，時基， 2 個外部時鐘源輸； 13. 具備觸鍵喚醒功能； 14. 使用凌陽音頻編碼 SACM_S240方式（ ），能容納 210s 的語音數(shù)據(jù)； 15. 鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； 16. 32768Hz 實時時鐘； 17. 7 通道 10位電壓數(shù)模轉換器（ ADC）和單通道聲音模數(shù)轉換器； 18. 聲音模數(shù)轉換器輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制（ AGC）功能； 19. 具備串口設備接口； 20. 具有低電壓復位（ LVR）功能和低電壓監(jiān)測（ LVD）功能； 21. 內置在線仿真電路 ICE（ InCircuit Emulator）； 22. 具有保密能力； 23. 具有 Watch Dog 功能 ； 車體主控制器 ATMEGA16L 的介紹 AVR 內核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega16L 有如下特點 : 畢業(yè)論文 1. 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)； 2. 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM； 3. 32 個通用 I/O 口線 ； 4. 32 個通用工作寄存器 ； 5. 用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內調試與編程 ； 6. 三個具有比較模式的靈活的定時器 / 計數(shù)器 (T/C)； 7. 片內 /外中斷 ，片內經(jīng)過標定的 RC 振蕩器 ； 8. 可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口； 9. 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 (TQFP 封裝 ) 的 ADC； 10. 具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器 ； 11. 一個 SPI 串行端口； 12. 四通道 PWM，兩路 8位，兩路 16 位； 13. 六個可以通過軟件進行選擇的省電模式：空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、 Standby 模式 以及擴展的 Standby 模式 14. 速度等級 ： 0 8 MHz； 15. 工作電壓 ： ； nRF2401 無線傳輸模組的主要特性： 圖 33 nRF2401芯片框圖 nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM 頻段， 0~1Mbps 數(shù)據(jù)傳輸速畢業(yè)論文 率 ， 125 階（梯度 1MHz）收發(fā)頻率 ， 地址檢驗和 CRC 校驗 。 芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低， 以 5dBm 的功率發(fā)射時，工作電流只有 ，接收時工作電流只有 18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其 DuoCeiverTM 技術使 nRF2401 可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。 nRF2401 適用于多種無線 圖 34 nRF2401功能模塊 原理圖 通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等 。 其 芯片 框圖如圖 38 所示，其模組原理圖如圖 39 所示 。 圖 35 L298N管腳圖 圖 36 L298N實物圖 直流電機驅動 芯片 L298N的介紹 L298 是 ST 公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是 :工作電壓高，最高工作電壓可達 46V。輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準 TTL 邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在畢業(yè)論文 不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量 反饋給控制電路。 其管腳圖和實物圖分別如圖 3圖 310 所示。 表 1 L298N 引腳功能表 無線語音遙控器中 SPCE061A 的功能 在本次設計中，關鍵地問題 之一 在于人聲的 A/D 轉換存儲與識別， SPCE061A 提供了語音輸入壓縮以及辨識的先進技術。 1. 語音指令 的 輸入。凌陽 SPCE061A 利用麥克風的指令輸入系統(tǒng)， SPCE061A 內置由 D／ A轉換器 DACO 和逐次逼近寄存器 SAR 組成的逐次逼近式 8通道 10 位 A／ D轉換器，以及采樣／保持電路。其中 7個通道用于將模擬量信號（電壓信號）轉換為數(shù)字量引腳 符號 功能 1 15 SENSING A SENSING B 此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅動芯片反饋檢測到的信號 2 3 OUT 1 OUT 2 此兩腳是全橋式驅動器 A的兩個輸出端，用來連接負載 4 Vs 電機驅動電源輸入端 5 7 IN 1 IN2 輸入標準的 TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅動器 A的開關 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端 .輸入標準 TTL邏 輯電平信號；低電平時全橋式驅動器禁止工作。 8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與 8腳相通 9 Vss 邏輯控制部分的電源輸人端口 10 12 IN 3 IN 4 輸入標準的 TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅動器 B的開關 13 14 OUT 3 OUT 4 此兩腳是全橋式驅動器 B的兩個輸出端，用來連接負載 畢業(yè)論文 信號，可以直接通過引線 (IOA 0IOA 6）輸人 (Line_InlLine_ln7)另外一個通道只用于語音輸人，即通過內置自動增益控制放大器的麥克風通道（ MICIn）輸人，是語音采集專用通道，也可設置為普通 A/D 輸入。 2． 語音指令 的訓練。 語音遙控器 作為機器，一定是不能先天理解 人類的語言的，所以，必須教會它人類語言的含義。即語音訓練，內容是將人類的語言事先已訓練的方式經(jīng)過模數(shù)轉換存儲在凌陽 SPCE061A的 FLASH中，并指定每一條語音所要指向的操作，以便在日后的使用中將采集來的語音與存儲的語音相比對， 以 確定 單片機 需要進行的操作。 凌陽 SPCE061A對于不同的辨識能力提供以下兩種語音訓練方式： 1） 特定發(fā)音人識別 SD（ Speaker Dependent），是指語音樣板由單個人訓練，可用于語音提示，而 DVR用來錄音和放音； 2） 非特定發(fā)音人識別 SI（ Speaker Independert）。是指語音樣板由不同年齡、不同性別、不同口音的人訓練，可以識別一群人的命令； 在本次設計中，需要向小車訓練：向前、向后、左轉、右轉、停止等幾項語音指令，以供控制小車時的辨識使用。 值得注意的是，使用非特定發(fā)音人識別需要利用大量的 DVR存儲不同人訓練的語音，但是凌陽 SPCE061A 并不能提供大量的內存空間供存儲使用，由于設計條件有限，無法擴展必要的存儲芯片完成存儲語音的功能，故選擇使用特定發(fā)音人識別。其訓練具體流程參看后文內容。 3． 對訓練的語音指令 的存儲。將經(jīng) A/D轉換后的數(shù)據(jù)壓縮存儲， SPCEO61A單片機的16位 DSP有很強的信息處理能力，最高時鐘頻率達 MHz，具備運算速度高等優(yōu)勢。這些為語音的錄放、合成及辨識提供了條件。凌陽壓縮算法中 DVR可用于錄、放音。語音的編碼、存儲、解碼處理是通過 操作 麥克風輸人所生成的 WAVE文件 完成的 ，但在這個環(huán)節(jié)上會出現(xiàn)的一個問題為其占用的存儲空間很大，對 SPCEO61A單片機的 32K FLASH來說想要存儲大量的信息顯然是不可能的。而 SPCE061A提 出了解決方法： SACMV25． LIB。該庫將 A/D、編碼、解碼、存儲及 D／ A做成相應的模塊，對于每個模塊都有其應用程序接口 API，所以只須了解每個模塊所要實現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內容，然后調用該 API函數(shù)即可實現(xiàn)相應功能。 在進行 A/D轉換之前，從 MIN_IN輸入的模擬信號要經(jīng)過緩沖器和放大器， AGC功能將通過 MIC—— IN通道輸入的模擬信號放大值控制在一定范圍內，然后放大信號經(jīng)采樣 保持模塊送入比較器參與 A/D轉換值得確定。 畢業(yè)論文 4. SPCE061A的語音 辨識 。 語音辨識是一種以語音模型為指令基礎的控制方式，語音模型的質量直接影 響辨識操作的速度和準確率。具體步驟是經(jīng)過兩次語音采集，即訓練和發(fā)布指令。系統(tǒng)經(jīng)復雜的函數(shù)操作將發(fā)布指令與預先訓練的一音模型進行比對，如與語音模型相匹配，則輸出控制信號。具體原理如圖： 圖 37 語音辨識原理簡圖 凌陽 16位微處理器的 SPCE061A核心 實現(xiàn)與 計算機連接 采用有線方案 ，通過并口將預先設計的小車控制程序 燒寫到 SPCE061A單片機 ，以 識別各種語音指令 ．系統(tǒng)的處理過程為：當向控制器發(fā)出語音命令時，聲波通過 MIC輸入，將相應的信號傳遞到 SPCE061A處理芯片，在芯片中通過相關的程序與預先 訓練好的 語音模型 進行比較、識別及處理，根據(jù)識別的結果進行判斷、轉換，然后發(fā)出相應的控制指令到 無線模組 ， 無線發(fā)送語音指令 。 使用特定人語音辨識的 語音樣板由單個人訓練 和識別處理組成，如圖： 圖 38 語音辨識流程 值得注意的是，凌陽 SPCEO61A 在接收到控制語音指令后，并不是直接用其進行辨識。圖 39 語音識別電路結構 畢業(yè)論文 為了提辨識的正確率， 語音信號要經(jīng)過語音識別電路， 將語音信號經(jīng)過濾波器降噪、加重等處理后進行預測、量化等一系列操作進行模數(shù)轉換，以數(shù)字形式進行過零次數(shù)能量相關函數(shù)等方法進行匹配運算，輸出辨識結果 。其具體步驟如圖： 5． 語音指令的發(fā)送和回應。 在對 遙控器 發(fā)出 語音 指令后 凌陽 SPCEO61A 將人發(fā)出的指令與訓練時的音頻進行辨識后確定指令， 由 串口無線模組 nRF2401 發(fā)射。車上控制器接收到相應指令后 ， 設置動作標志位， 返回回應數(shù)據(jù)， 同時 控制 L298N和舵機 ，使小車做出向前向后轉彎的動作。 SPCE061A 接收到響應數(shù)據(jù)后，可知小車已經(jīng)響應了語音指令，便語音播報當前小車的 響應 。 4 系統(tǒng) 硬件 設計方案 根據(jù)需要，系統(tǒng)硬件擬使用兩塊 PCB 板設計。其中一塊 為 語音遙控器 ， 用于搭載凌陽 SPCE061A 單片機 、 電源電路、音 頻電路、 I/O 電路等外圍電路。另一塊 為 車體 控制 板 ， 用于搭載接口電路，電源電路及電機驅動。 本章將對硬件系統(tǒng)各部分作具體分析。 遙控器硬件 設計方案 在 無線語音遙控