【文章內(nèi)容簡介】 （MCU ）。IC 溫度傳感器有兩種主要類型——模擬溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器。模擬溫度傳感器的輸出是一個與溫度成比例的電壓或者電流信號。數(shù)字溫度傳感器的輸出不是以電流或電壓形式而是將其轉(zhuǎn)換為 1 或 0 形式的數(shù)字量，因此，數(shù)字輸出溫度傳感器特別適合于連接到一個 MCU。 本系統(tǒng)的具體選擇本系統(tǒng)的要求是能完成 0~99℃范圍內(nèi)的溫度檢測，精度為 1℃。考慮到傳感器、數(shù)?據(jù)處理和執(zhí)行器件各部分的誤差匹配，各部分的誤差不應(yīng)超過 ℃，同時兼顧其他方面31的設(shè)計要求，決定采用 Dallas 公司的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。溫度傳感器 DS18B20 和 SPCE061A 單片機都具有 A/D 轉(zhuǎn)換功能，SPCE061A 內(nèi)置 8通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，而 DS18B20 可以完成最高 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用溫度傳感器 DS18B20 完成 A/D 轉(zhuǎn)換，這也是提高精度，減小誤差的一個重要措施。 DS18B20 介紹 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 23 所示，主要由 4 部分組成：64 位 ROM、溫度傳感器、溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 圖 23 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼，每個 DS18B20 的 64 位序列號均不相同。64 位 ROM 的排的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。 DS18B20 的分辨率Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器 DS1820 是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。其結(jié)構(gòu)簡單，并可以由用戶設(shè)定報警限，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。DS18B20 是 DS1820 的更新產(chǎn)品， 功能和測溫精度提高，已經(jīng)成為 DS1820 的替代品，在溫度檢測范圍內(nèi)得到廣泛的運用。與 DS1820 相比，主要具有更寬的測溫范圍，同時增加了程序設(shè)置寄存器，用來設(shè)置分辨率的位數(shù)，具體情況如表 21 所示：表 21 DS18B20 的程序設(shè)置寄存器TM R1 R0 1 1 1 1 1TM 是測試模式位，為 1 表示測試模式，為 0 表示工作模式，出廠時該位設(shè)置為 0，且不可改變。溫度分辨率由 RO， R1 位決定，OOH 表示 9 位；O1H 表示 10 位；10H 表示11 位；11H 表示 12 位。DS18B20 具有 64 位 ROM 編碼。從高位算起，該 ROM 有 1byte 的 CRC 校驗碼，6 byte 的產(chǎn)品序號和 1 byte 的家族代碼。溫度數(shù)據(jù)寄存器由 2 個字節(jié)組成。對于 DS1820 與DS18B20 來說，字節(jié)的各位代表的意義或溫度值不一樣，DS1820 分辨率為 ℃，DS18B20 對于 12 位的分辨率為 2 ℃ 。4－ DS18B20 的應(yīng)用DSl8B20 常見的封裝形式有 2 種，如圖 24 所示。DQ 為數(shù)字信號輸入／輸出端；GND 為電源地；VDD 為外接供電電源輸入端。DS18B20 的供電模式有 2 種，即寄生電源模式和外電源供電模式。對于 DS18B20 的操作遵循嚴格的時序操作，由于一線總線的技術(shù)的采用，對 DS18B20 的操作通常有以下幾個步驟：初始化、匹配 ROM，讀取 交換命令。 圖 24 DS18B20 封裝總線上所有掛接的 DS18B20 在進行其他的操作之前要進行復(fù)位操作，即主機對DS18B20 相連的口線激發(fā)一個低電平，并且保持 480~960 μs，如果復(fù)位操作正常，在15~60 μs 之后 DS18B20 會返回一個應(yīng)答脈沖，將會保持 60~240 μs，其時序如圖 25 所示。 圖25 時序圖單片機確認總線上存在 DS18B20 后，就會進行 ROM 的操作，操作的具體命令格式如表 22 所示。表 22 ROM 操作命令讀 ROM 命令〔33H〕 讀總線上 DS18B20 的序列號匹配 ROM 命令（55 H） 對總線上 DS18B20 尋址跳過 ROM 命令（CCH ） 該命令執(zhí)行后，將省去每次與 ROM 有關(guān)的操作搜索 ROM 命令（FOH ） 控制機識別總線上多個器件的 DS18B20編碼報警搜索命令（ECH） 控制機搜索有報警的器件單片機完成表 22 命令之后進行 RAM 的操作，操作的具體命令格式如表 23 所示。表 23 RAM 操作命令溫度變換命令（44H） 啟動溫度變換讀存儲器命令（E8H） 從 DS18B20 讀出 5 byte 數(shù)據(jù)（其中有溫度值、報警值等）寫存儲器命令（4EH） 寫上下限值到 DS18B20 中復(fù)制存儲器命令（48H） 將 DS18B20 存儲器中的值寫入 EEPROM 中讀 EEPROM 命令（B8H ） 將 DS18B20 中的值寫入存儲器中讀供電方式命令（B4H） 檢測 DS18B20 的供電方式單片機對 DS18B20 進行寫數(shù)據(jù)時，也就是向 DS18B20 發(fā)送各種命令，會先將數(shù)據(jù)總線置為低電平，并維持在 1μs 以上，然后根據(jù)寫“1”還是寫“0”將數(shù)據(jù)總線拉高或繼續(xù)保持低電平；讀數(shù)據(jù)時，主機先將數(shù)據(jù)總線置為低電平，然后釋放，DS18B20 在數(shù)據(jù)線變?yōu)榈碗娖?15 μs 內(nèi)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上，主機可以在 15 μs 后進行讀取。寫“0”、寫“1”、讀數(shù)據(jù)的時序分別如圖 25c、圖 25b、圖 25d。兩次數(shù)據(jù)讀、寫之間的時間間隔應(yīng)大于 1μs。DS18B20 的操作時序是使用其關(guān)鍵所在。 顯示部件的選擇與介紹 顯示部件的選擇在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中、常用的顯示器主要有 LED（發(fā)光二極管顯示器）和 LCD（液晶顯示器）。這兩種顯示器具有耗電低、配置靈活、線路簡單、安裝方便、耐震動、壽命長等優(yōu)點。因為數(shù)碼顯示器應(yīng)用較廣泛，且價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，因而本系統(tǒng)選用 LED 顯示。LED 顯示器是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也可稱為數(shù)碼管。數(shù)碼管通常有共陰極和共陽極兩種接法，本系統(tǒng)采用共陰極接法。共陰極數(shù)碼管的發(fā)光二極管陰極必須接低電平，當某發(fā)光二極管的陽極為高電平（一般為 5 伏）時，此二極管點亮。顯然，要顯示某字形就應(yīng)使此字形的相應(yīng)字段點亮，實際就是送一個不同電平組合代表的數(shù)據(jù)至數(shù)碼管，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)就是溫度值。LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式。靜態(tài)顯示電路在位數(shù)較多時，字符的更新速度慢，電路比較復(fù)雜，成本也較高。動態(tài)掃描方式顯示接口雖然硬件簡單，但在使用時必須反復(fù)循環(huán)顯示，若 CPU 需要做其他操作，只能插入循環(huán)程序中，這就降低了 CPU的工作效率。由于本系統(tǒng)的位數(shù)較少，考慮到顯示的清晰和編程的方便，本系統(tǒng)采用靜態(tài)顯示。其電路圖如圖 26 所示。圖 26 靜態(tài)顯示電路接線圖 顯示部件的介紹數(shù)碼管工作在靜態(tài)顯示方式下，共陰極點連接在一起接地。每位的段選信線與一個 8位并行口相連。只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。這里的 8 位并行口可以直接采用并行 I/O 接口端，也可以采用串行輸入/并行輸出的移位寄存器?？紤]到采用并行 I/O 接口占用 I/O 資源較多，因而靜態(tài)顯示方式常采用串行口輸出，外接 74LS164 移位寄存器構(gòu)成顯示電路。顯然，要顯示某溫度值，首先要把這個值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的字形碼，然后再通過串行口發(fā)送到 74LS164，74LS164 把串行口接受到的數(shù)變?yōu)椴⑿休敵黾拥綌?shù)碼管上。 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)以凌陽公司的61板為平臺，以SPCE061A單片機為主機，以 DS18B20作為測溫元件，用數(shù)碼管顯示組成的溫度檢測電路。系統(tǒng)的硬件電路連接示意圖如圖27所示。圖27 系統(tǒng)的硬件電路連接示意圖SPCE061A與DS18B20 的連接時，只要將 DS18B20的數(shù)據(jù)信號線接到SPCE061A 的1條I/O口線上，然后通過相應(yīng)的軟件設(shè)計，即可完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸。DS18B20采用外部電源供電模式，配有鍵盤輸人電路、數(shù)碼管顯示電路。電路連接示意圖如圖28所示。在系統(tǒng)開始工作之前，首先按下 K1 鍵進行語音訓(xùn)練，在聽到提示音后，等待 2 秒開始訓(xùn)練，每條命令只有 秒，也就是說，當訓(xùn)練命令超出 秒時，只有前 秒命令有效；為了增強可靠性，每條命令訓(xùn)練兩次。語音訓(xùn)練結(jié)束后，按下 K2 鍵就可以進行語音識別，系統(tǒng)開始工作。而溫度顯示是在系統(tǒng)上電以后就有的。圖28 SPCE061A與DS18B20 和 LED接線示意圖系統(tǒng)每斷電一次就要重新進行語音訓(xùn)練。系統(tǒng)的硬件設(shè)計簡單，這是采用 DS18B20 作溫度傳感器的一個重要特點，當然這種簡單是相對的，是以增加了軟件設(shè)計的一些麻煩換來的。在使用時注意不要將 DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳與電源引腳接錯，否則將直接導(dǎo)致其過熱燒毀，在調(diào)試時，我遇到這樣的事故，雖然即時改正，但測量精度明顯下降。 本系統(tǒng)軟件功能簡介軟件具有很好的可模塊化的特點，不僅減少了程序編輯和調(diào)試時的麻煩，而且增加了程序的可讀性和可移植性。系統(tǒng)的軟件設(shè)計功能模塊如圖29所示。圖29 溫度檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計功能模塊圖（1） 溫度檢測子程序：主要工作是，主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換的三個步驟：初始化、ROM 操作指令和存儲器操作指令。（2） 主程序初始化：主要完成SPCE061A的初始化。包括時鐘設(shè)置、開中斷、設(shè)定計數(shù)初值等。另外還要為各個子程序提供人口地址，管理和協(xié)調(diào)各個子程序。（3） 鍵盤子程序：在語音訓(xùn)練時，通過按鍵開始語音訓(xùn)練；另一個作用就是按鍵后語音報告溫度。（4） 語音訓(xùn)練子程序：完成程序下載后，系統(tǒng)開始工作前語音識別命令的訓(xùn)練。（5） 放音子程序：完成溫度上限報警的語音提示，語音識別命令的回答。其中語音識別命令的回答有報告溫度值。（6） 數(shù)據(jù)處理子程序：完成溫度采集后的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。（7） 顯示子程序：將數(shù)據(jù)處理后的溫度值進行實時溫度顯示。第三章 語音技術(shù)及實現(xiàn)嵌入式語音處理技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的是語音編碼技術(shù)，而語音識別的嵌入式應(yīng)用一直是人們研究的熱點。本系統(tǒng)所做的就是將語音技術(shù)引入溫度檢測系統(tǒng)，使其具有語音識別功能。 語音技術(shù)簡介語音學(xué)和數(shù)字信號處理的交叉結(jié)合便形成了語音信號處理。語音信號處理（簡稱語音處理技術(shù)或語音技術(shù)）是建立在語音學(xué)和數(shù)字信號處理技術(shù)之上的，對語音信號模型進行分析、存儲（編碼）、傳輸、識別和合成等方面研究的一門綜合性學(xué)科。它包括語音編碼、語音識別、說話人識別和語音合成四大學(xué)科分支，并由此形成了語音分析技術(shù)、語音存儲（編碼）技術(shù)、語音識別技術(shù)和語音合成技術(shù)四大實用技術(shù)。 語音分析技術(shù) 語音分析的重要性語音處理系統(tǒng)包括語音通信、語音識別、語音合成等幾方面內(nèi)容，其前提和基礎(chǔ)是對語音信號的分析。語音分析就是從語音信號中抽取出表現(xiàn)其本質(zhì)的特征參數(shù)的語音處理技術(shù)，只有分析出表現(xiàn)語音信號本質(zhì)的特征參數(shù)，才有可能利用這些信號進行高效的語音通信，才可能建立用于識別的模塊和知識庫，也才能建立用于語音合成的語音庫。語音識別率的高低、語音合成音質(zhì)的好壞，都取決于對語音信號分析的準確度和精度。 語音信號的分析方法語音信號的分析方法有時域分析、頻域分析和線形預(yù)測分析等。時域分析和頻域分析是其中兩種比較重要的方法。時域分析分析最早使用，也是應(yīng)用范圍最廣的一種方法。這種方法直接利用語音信號的特點即時域波形來進行分析；時域分析具有物理意義清晰、運算簡單等特點，通常用于最基本的語音參數(shù)分析及語音的預(yù)處理、分割等方面。本系統(tǒng)采用的 SPCE061A 單片機采用時域分析。頻域分析主要是在語音信號處理中應(yīng)用傅里葉變換，語音信號的頻譜具有非常明顯的語言聲學(xué)意義，可以獲得某些重要的語音特征。有短時傅里葉變換可以精確地恢復(fù)語音波形。頻域分析的算法復(fù)雜，運算量大，多用于 DSP 芯片中。 語音編碼技術(shù) 語音編碼的主要內(nèi)容語音編碼的主要內(nèi)容是：在盡量減少失真的情況下，對模擬信號進行高效率的壓縮編碼。將語音信號編碼為二進制數(shù)字序列。最簡單的方法是對其直接進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。只要采樣頻率足夠高，量化每個樣本的比特數(shù)足夠多，就可以保證解碼恢復(fù)的語音信號有很好的音質(zhì)，不會丟失有用信息。 語音信號編碼的應(yīng)用語音信號編碼有非常廣泛的應(yīng)用，歸納起來可以分為兩大類。第一類是編碼、存儲、回放系統(tǒng)，或稱數(shù)字語音錄放系統(tǒng)；第二類是編碼、傳輸、解碼系統(tǒng)，或稱數(shù)字電話系統(tǒng)。 語音編碼的方法語音編碼的方法按傳統(tǒng)概念可以分為波形編碼、參數(shù)編碼、混合編碼 3 類。波形編碼：將時域信號直接變換為數(shù)字代碼，力圖使重建語音波形保持原語音信號的波形形狀。波形編碼的基本原理是在時間軸上對模擬語音按一定的速率抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并用代碼表示。譯碼是其反過程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)過譯碼和濾波恢復(fù)成模擬信號。波形編碼的特點是高話音質(zhì)量，高碼率，適于高保真音樂及語音。參數(shù)編碼：又稱聲源編碼，是將信源信號在頻率域或其他正交變換域提取特征參數(shù)，并將其變換成數(shù)字代碼進行傳輸。譯碼是其反過程，將收到的數(shù)字序列經(jīng)過變換恢復(fù)特征參量，再根據(jù)特征參量重建語音信號。該編碼比特率可以壓縮到 2~ ，甚至更低，但語音質(zhì)量只能達到中等，特別是自然度低。參數(shù)編碼的特點是壓縮比大，計算量大，音質(zhì)不高，但廉價。混合編碼：混合編碼是使用波形編碼技術(shù)和參數(shù)編碼技術(shù)，將兩種技術(shù)組合起來。它克服了原有波形