【文章內(nèi)容簡介】 45 頁 圖 WatchDog的結(jié)構(gòu)和信號時序 以上是對 SPCE061A單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的簡單介紹，接下來是對中斷系統(tǒng)的介紹。 中斷系統(tǒng) 中斷是為處理器對外界異步事件具有處理能力而設(shè)置的，中斷技術(shù)的引入把計算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用大大地推進(jìn)一步。因此中斷功能的強(qiáng)弱已成為衡量一臺計算機(jī)性能的重要指標(biāo)。 SPCE061A系列單片機(jī)中斷系統(tǒng)，是凌陽 16位單片機(jī)中中斷功能較強(qiáng)的一種，它可以提供 14個中斷源，具有兩個中斷優(yōu) 先級，可實現(xiàn)兩級中斷嵌套功能。用戶可以用關(guān)中斷指令（或復(fù)位）屏蔽所有的中斷請求，也可以用開中斷指令使 CPU接受中斷申請。每一個中斷源可以用軟件獨立控制為開或關(guān)中斷狀態(tài)；但中斷級別不可用軟件設(shè)置。SPCE061A的結(jié)構(gòu)給出了三種類型的中斷：軟件中斷、異常中斷和事件中斷。 1) 軟件中斷 軟件中斷是由軟件指令 break產(chǎn)生的中斷。軟件中斷的向量地址為 FFF5H 2）異常中斷 異常中斷表示為非常重要的事件，一旦發(fā)生， CPU必須立即進(jìn)行處理。目前 SPCE061A定義的異常中斷只有‘復(fù)位’一種。通常， SPCE061A系統(tǒng)復(fù)位可以由以下三種情況引起：上電、看門狗計數(shù)器溢出以及系統(tǒng)電源低于電壓低限。不論什么情況引起復(fù)位，都會使復(fù)位引腳的電位變低，進(jìn)而使程序指針 PC指向由一個復(fù)位向量（ FFF7H）所指的系統(tǒng)復(fù)位程序入口地址。 3）事件中斷 事件中斷（可簡稱“中斷”，以下提到的“中斷”均為事件中斷）一般產(chǎn)生于片內(nèi)設(shè)部件或由外設(shè)中斷輸入引腳引入的某個事件。這種中斷的開通 /禁止，由相應(yīng)獨立使能和相應(yīng)的 IRQ或 FIQ總使能控制。 SPCE061A的事件中斷可采用兩種方式：快速中斷請求即 FIQ中斷和中斷請求即 IRQ中斷。這兩種中斷都有 相應(yīng)的總使能。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 16 頁 共 45 頁 中斷向量和中斷源 : 共有 9個中斷向量即 FIQ、 IRQ0～ IRQ6及 UART IRQ。這 9個中斷向量共可安置 14個中斷源供用戶使用，其中有 3個中斷源可安置在 FIQ或 IRQ0～ IRQ2中，另有 10個中斷源則可安置在 IRQ3～ IRQ6中。還有一個專門用于通用異步串行口 UART的中斷源，須安置在 UART IRQ向量中。 SPCE061A單片機(jī)的中斷系統(tǒng)有 14個中斷源分為兩個定時器溢出中斷、兩個外部中斷、一個串行口中斷、一個觸鍵喚醒中斷、 7個時基信號中斷、 PWM音頻輸出中斷。每個中斷入口地址對應(yīng)多個中斷 源，因此在中斷服務(wù)程序中需通過查詢中斷請求位來判斷是那個中斷源請求的中斷。 SPCE061A單片機(jī)的中斷服務(wù)流程圖 圖 中斷服務(wù)流程圖 音頻壓縮算法 我們所說的音頻是指頻率在 20 Hz～ 20 kHz的聲音信號，分為：波形聲音、語音和音樂三種，其中波形聲音就是自然界中所有的聲音，是聲音數(shù)字化的基礎(chǔ)。語音也可以表示為波形聲音，但波形聲音表示不出語言、語音學(xué)的內(nèi)涵。語音是對講話聲音的一次抽象。是語言的載體，是人類社會特有的一種信息系統(tǒng)，是社會交際工具的符號。音樂與語音相比更規(guī)范一些 ，是符號化了的聲音。但音樂不能對所有的聲音進(jìn)行符號化。樂譜是符號化聲音的符號組，表示比單個符號更復(fù)雜的聲音信息內(nèi)容。將模擬的（連續(xù)的）聲音波形數(shù)字元化（離散化），以便利數(shù)字計算機(jī)進(jìn)行處理的過程，主要包括采樣和量化兩個方面。數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于：采樣頻率和量化位數(shù)這兩個重要參數(shù)。此外，聲道的數(shù)目、相應(yīng)的音頻設(shè)備也是影響音頻質(zhì)量的原因。 凌陽常用的音頻形式和壓縮算法有以下幾種： 1) 波形編碼： subband即 SACMA2021 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 45 頁 特點：高質(zhì)量、高碼率，適于高保真語音／音樂。 2) 參數(shù)編碼：聲碼器（ vocoder）模型表達(dá)，抽取參數(shù)與激勵信號進(jìn)行編碼。如：SACMS240。 特點：壓縮比大，計算量大，音質(zhì)不高，廉價！ 3) 混合編碼： CELP即 SACMS480 特點：綜合參數(shù)和波形編碼之優(yōu)點。 除此之外 ,還具有 FM音樂合成方式即 SACMMS01。 而壓縮分無損壓縮和有損壓縮。無損壓縮一般指：磁盤文件，壓縮比低： 2:1～ 4:1。而有損壓縮則是指：音／視頻文件，壓縮比可高達(dá) 100:1。 凌陽音頻壓縮算法根據(jù)不同的壓縮比分為以下幾種： SACMA2021：壓縮比為 8:１， 8:， 8:。該壓縮算法 壓縮比較小，所以具有高質(zhì)量、高碼率的特點適用于高保真音樂和語音。 SACMS480： 壓縮比為 80:3， 80:，該壓縮算法壓縮比較大 , 存儲容量大 ,音質(zhì)介于 A2021和 S240之間 ,適用于語音播放。 SACMS240： 壓縮比為 80:，該壓縮算法的壓縮比較大 ,價格低 ,適用于對保真度要求不高的場合 , 如玩具類產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，編碼率僅為 Kbps。 SACM_MS01：該算法較繁瑣，但只要具備音樂理論、配器法和聲學(xué)知識了解 SPCE編曲格式者均可嘗試。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 45 頁 設(shè)計思路 在選定了本設(shè)計所需的硬件之后就需要進(jìn)行電路的設(shè)計工作了，只有正確合理的電路設(shè)計才能夠?qū)我坏碾娖髟M合成一個能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的作品。因此電路設(shè)計是整個制作過程中最重要的，而要完成電路設(shè)計就得對凌陽 SPCE061A單片機(jī)非常熟悉。 SPCE061A內(nèi)置 8通道 10位模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中 7個通道用于將模擬量信號 (例如電壓信號 ) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號 , 可以直接通過引線 (IOA[0~6])輸入。另外一個通道只用于語音輸入，即通過內(nèi)置自動增益控制放大器的麥克風(fēng)通道 (MIC_IN)輸入。實際上可以把 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC， Analog to Digital Converter)看作是一個實現(xiàn)模 /數(shù)信號轉(zhuǎn)換的編碼器。在 ADC內(nèi)，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0和逐次逼近寄存器 SAR組成逐次逼近式模 數(shù)轉(zhuǎn)換器。 圖 設(shè)計思路 具體設(shè)計 本設(shè)計選用了凌陽 SPCE061A單片機(jī)和一個 5KΩ負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻相結(jié)合，通過凌陽 SPCE061A單片機(jī)的中斷系統(tǒng)實時監(jiān)測熱敏電阻兩端的電壓，經(jīng)過微處理器計算得到溫度值，再由音頻壓縮算法處理后播報出實時溫度。 電阻測溫原理 熱敏電阻是近年來發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體感溫元件。由于它具有靈敏度高、體積小、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價格便宜等優(yōu)點，因此應(yīng)用非常廣泛。負(fù)系數(shù)熱敏電阻熱敏電阻與普通熱電阻不同，它具有負(fù)的電阻溫度特性，當(dāng)溫度升高時，電阻值減??；當(dāng)溫度降低時，電阻值增大，其特性曲線如下： 溫度采集電路 SPCE061A AD 轉(zhuǎn)換 語音播報 溫 度 計算 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 45 頁 圖 熱敏電阻溫度特性曲線 熱敏電阻的阻值 溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，因此在使用時要進(jìn)行線性化處理，線性化處理雖然能改善熱敏電阻的特性曲線，但比較復(fù)雜。為此常在要求不高的一般應(yīng)用中，作出在一定 的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關(guān)系的假定，以簡化計算。熱敏電阻的應(yīng)用是為了感知溫度為此給熱敏電阻以恒定的電流，測量電阻兩端就得到一個電壓，然后就可以通過下列公式求得溫度： T = T0 – KVT 其中： T被測溫度 T0與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù) K與熱敏電阻特性有關(guān)的系數(shù) VT熱敏電阻兩端的電壓 根據(jù)這一公式，如能測得熱敏電阻兩端的電壓 VT，再知道參數(shù) T0和系數(shù) K，則可計算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，也就是被測的溫度。 固定電阻 R阻值的選?。? MFD50234型熱敏電阻線性化較好的一段是在 20℃到 80℃，為了在最高溫度和最低溫度時使被測信號基本接近滿量程值，采取線性區(qū)域內(nèi)中間某一點溫度的阻值作為固定電阻的值。它們分壓后， AD的輸入電壓是 AD的輸入電壓范圍一半。在 25℃時熱敏電阻的阻值為 5KΩ，所以選取固定電阻 R的值為 5KΩ。在 20℃時熱敏電阻的阻值為 Ω，熱敏電阻兩端電壓 VRT=，接近 A/D輸入電壓的上限 ；在 80℃時熱敏電阻的阻值為 ，熱敏電阻兩端電壓 VRT=，接近 A/D輸入電壓的下限 0V。在溫度線性化較好的 區(qū)域內(nèi) SPCE061A的 A/D值都沒有達(dá)到極限值。按照 0接法時， T0=76， K=，根據(jù)以上公式和參數(shù)，測出熱敏電阻兩端的電壓就可以求出被測溫度。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 45 頁 溫度計算 語音播報溫度計設(shè)計工作的主要內(nèi)容，就是把熱敏電阻兩端電壓值經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，然后通過軟件方法計算得到溫度值，再經(jīng)過 凌陽 SPCE061A單片機(jī)的音頻壓縮算法得到溫度值的音頻，經(jīng)喇叭播報出來。 在設(shè)計中，系統(tǒng)在凌陽 SPCE061A單片機(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一個按鍵，接于 SPCE061A的IOA15，當(dāng)按鍵按下時，就進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換初始化 ，并進(jìn)行四次 A/D轉(zhuǎn)換， SPCE061A的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果在高 10位，每次將其移入低 10位再計算四次平均值作為 AD有效結(jié)果返回；為了提高準(zhǔn)確度，變量 TempAD、 Temper都采用浮點數(shù)，計算完成用語音將溫度值報出來。由于在放音時播放函數(shù)會改變一些參數(shù)，為了穩(wěn)定起見，在每次 A/D轉(zhuǎn)換前都做一次初始化。 由于每個熱敏電阻的特性并非一樣、與熱敏電阻串聯(lián)的固定電阻的不準(zhǔn)確等原因，每支溫度計在整個測量范圍內(nèi)至少找 5點進(jìn)行校正，并適當(dāng)?shù)男薷膮?shù)以達(dá)到最佳狀態(tài)。 工作電源電路 凌陽單片機(jī)的工作電壓為 ，獲得工作電壓有兩種方式： （ 1）通過兩個二極管連續(xù)降壓使 5V的電壓降至 ，供芯片使用。這種方法比較簡單，但電壓值不是很精確。 （ 2）通過 SPY0029可獲得準(zhǔn)確的 ，如圖 圖 ， SPY0029后產(chǎn)生 。 SPY0029是凌陽公司設(shè)計的電壓調(diào)整 IC，采用 CMOS工藝。 SPY0029具有靜態(tài)電流低、驅(qū)動能力強(qiáng)、線性調(diào)整出色等特點。 圖 VDDH3為 SPCE061A的 I/O電平參考，接 SPCE061A的 51腳，這種接法使得 I/O輸出高電平為 ； VDDP為 PLL鎖相環(huán)電源，接 SPCE061A的 7腳； VDD和 VDDA分別為數(shù)字電源與模擬電源，分別接 SPCE061A的 15腳和 36腳； AVSS1是模擬地，接 SPCE061A的 24腳；VSS是數(shù)字地，接 SPCE061A的 38腳； AVSS2接音頻輸出電路的 AVSS2。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 45 頁 圖 電源電路 放音模塊電路 放音利用的是 SPCE061A 內(nèi)部的 DAC，電路如圖 所示。圖中的 SPY0030 是凌陽公司的產(chǎn)品。和 LM386 相比， SPY0030 還是比較有優(yōu)勢的，比如 LM386 工作電壓需在 4V以上，而 SPY0030 僅需 (兩顆電池 )即可工作； LM386 輸出功率 100mW 以下， SPY0030約 700mW。 圖 放音電路 總電路原理圖和實物圖 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 45 頁 圖 數(shù)據(jù)采集 原理圖 圖 SPCE061A 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 45 頁 圖 實物圖連接 如圖 ，該實物圖溫度采集部分由于 MFD— 502— 34熱敏電阻沒買上，用 5K的電阻代替 與固定電阻 R串聯(lián)， 5K電阻由一個 300Ω串聯(lián) 組成 ，如果結(jié)果播出 25176。C，那么說系統(tǒng)設(shè)計成功。 在選擇熱敏電阻的時候，曾考慮了利用鉑電阻 PT100，其在 0～ 100176。 C度范圍內(nèi)的電阻 100～ ，電阻變化相對比較小，需要電橋電壓轉(zhuǎn)換，運算放大器的放大。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 45 頁 5 軟件設(shè)計 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)中，軟件的設(shè)計是最復(fù)雜和困難的，大部分情況下工作量都較大，特別是對那些控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的情況。如果是機(jī)電一體化的設(shè)計人員，往往需要同時考慮單片機(jī)的軟硬件資源分配。下面將詳細(xì)介紹語音播報溫度計的軟件設(shè)計過程。 總體設(shè) 計 本設(shè)計為語音播報溫度計，設(shè)計采用凌陽 SPCE061A單片機(jī)作為處理器。該單片機(jī)是一款 16位結(jié)構(gòu)的微控制器，有較高的處理速度。溫度傳感器選用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，該熱敏電阻溫度特性曲線線性化較好的一段是在－ 20℃～ 80℃，因此設(shè)計出的溫度計測量范圍就是－ 20℃～ 80℃。系統(tǒng)在凌陽 SPCE061A單片機(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了一個按鈕，接于凌陽 SPCE061A單片機(jī)的 IOA15，當(dāng)按下按鈕時，系統(tǒng)采集溫度，計算并換算出溫度值播報出來。要實現(xiàn)該設(shè)計，還得有軟件的支持，對本設(shè)計的程序編寫選用的是 C語言和凌陽匯編。 C的編 譯器把 C語言代碼編譯為匯編代碼，匯編編譯器對匯編代碼進(jìn)行編譯成為目標(biāo)文件。鏈接器將目標(biāo)文件、資源文件