基于SPCE061A的语音遥控小车设计——硬件电路设计 论文.doc

毕 业 设 计基于SPCE061A的语音遥控小车设计硬件电路设计姓 名 院（系） 信息学院专业班级 学 号 指导教师 职 称 论文答辩日期 摘 要近年来，智能化和自动化技术在玩具制造领域中越来越被关注。本文介绍了一种基于SPCE061A单片机的语音遥控小车，重点讨论了其硬件子系统的设计与实现。文章首先介绍了SPCE061A的主要性能及其引脚的功能；接着完成了电源电路、复位电路、键盘电路、音频输入电路，音频输出电路和无线控制电路等硬件功能模块的设计，最后对制作与调试过程做了较为详细的说明。测试表明，在环境背景噪音不太大，控制者的发音清晰的前提下，语音控制小车能对特定的语音指令做出反应，做出预想中的有限的动作。关键词：单片机 语音识别 智能小车 无线遥控目 录1 绪论11.1 单片机概述11.1.1 单片机简介11.2 凌阳16 位NSP系列单片机11.2.1 凌阳16 位NSP系列单片机的结构11.2.2 凌阳16 位NSP系列单片机的特点22 系统设计方案22.1 SPCE061A芯片22.1.1 SPCE061A芯片介绍32.1.2 SPCE061A 芯片主要性能介绍32.1.3 SPCE061A结构概览42.2 语音控制小车设计要求82.2.1 功能要求83 硬件电路设计83.1 系统硬件设计83.2 车体83.2.1 小车的机械结构和工作原理83.2.2 小车的遥控系统93.3 外围电路设计93.3.1 芯片基本外围电路93.3.2 电源电路93.3.3 音频输入电路103.3.4 音频输出电路113.3.5 复位电路133.3.6 晶振电路133.3.7 锁相环电路143.4 无线模块143.4.1 TX2C ATS302T/RX2C ATS302R芯片性能153.4.2 发射电路163.4.3 接收电路164 硬件调试174.1 硬件的调试174.1.1 电源部分测试174.1.2 键盘部分测试184.1.3 晶振部分测试184.1.4 单片机I/O部分测试184.1.5 音频输入部分测试184.1.6 音频输出部分测试184.1.7 D/A部分测试194.1.8 A/D部分测试194.1.9 PWM输出部分测试195 综合测试及总结205.1 综合测试205.2 总结20参考文献22英文摘要23附录24致谢27农业工程学院毕业设计成绩评定表291 绪论本文利用凌阳单片机设计一个具有语音识别功能的智能遥控小车。该设计将遥控车由传统的手动遥控改成了语音识别遥控，使控制者可以通过语音控制小车实现预设动作，从而释放控制者的双手，而且小车和控制者之间还具有一定的交互功能。所以此次研究具有较强的实用性和发展前景。1.1 单片机概述1.1.1 单片机简介所谓单片机(Single Chip Microcomputer)，是指在一块芯片中集成有中央处理器(CPU, Central Processing Unit)、存储器、基本I/O接口以及定时器、计数器等部件，并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。它具有集成度高，在平方毫米级别的芯片上可制造上万个晶体管电路；结构紧凑，可靠性高；功耗小，成本低等特点。由于单片机具有超小型化、结构紧凑、可靠性高、价格低廉等特点，使得其在国民经济中得到了广泛的应用,如：工业方面：电机控制、工业机器人、过程控制、数字控制。仪器仪表：智能仪器、医疗器械、色谱仪、示波器。民用方面：电子玩具、电视游戏机、录像机、激光盘驱动。电讯方面：调制解调器、智能线路运行控制。导航控制：导弹控制、鱼雷制导、智能武器、航天导航。数据处理：图形终端、彩色黑白复印机、硬盘驱动器、磁带机、打印机。汽车方面：点火控制、ABS防滑、尾气排放控制。单片机发展趋势：增加存储器容量，片内EPROM开始EEPROM化，存储器编程保密化，片内IO多功能化及低功耗CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）化等。1.2 凌阳16 位nSP系列单片机1.2.1 凌阳16 位nSP系列单片机的结构 随着单片机MCU(Micro Controller Unit)的发展，其应用领域也逐渐由传统的控制扩展到控制处理、数据处理以及数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)等领域。具有自主知识产权的台湾凌阳16位单片机是为适应单片机的功能集成化发展而设计的。它的CPU内核采用台湾凌阳公司推出的16位微处理器芯片nSP，围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机，采用的是模块式集成结构，以nSP内核为中心，集成不同规模的ROM，RAM和功能丰富的各种外设部件。1.2.2 凌阳16 位nSP系列单片机的特点(1)体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展 nSP家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。 (2)具有较强的中断处理能力 nSP家族提供10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用。nSP片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外，nSP的指令系统提供具有较高运算速度的16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得nSP家族运用在复杂的数字信号处理方面，既便利又比专用DSP芯片价格低廉。(3)高性能价格比 nSP家族片内带有高寻址能力的 ROM、静态 RAM 和多功能的 I/O 口。另外，nSP家族的指令系统提供具有较高运算速度的 16 位×16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP 功能，使得nSP家族在处理复杂的数字信号得心应手。(4)指令系统功能强效率高nSP的指令系统的指令格式紧凑，执行迅速，并且其指令结构提供了对高级语言的支持，这可以大大缩短产品的开发时间。(5)低功耗、低电压 nSP家族采用 CMOS 制造工艺，同时增加了软件激发的弱偏振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，nSP家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。2 系统设计方案本设计通过无线方式对小车进行远程遥控。小车的运动控制系统采用语音控制和中断定时控制相结合，通过语音触发小车动作，并随时可以通过语音指令改变小车的运动状态。在每一次动作触发的同时启动定时器，如果小车由于某些原因不能正常的接收语音指令，则只要定时时间一到，中断服务程序就会发出指令让小车停下来。2.1 SPCE061A芯片2.1.1 SPCE061A芯片介绍SPCE061A单片机是台湾凌阳科技推出的16位结构的微控制器(引脚图见附图1)。SPCE061A单片机内嵌的32K闪存（FLASH ROM）使得nSP能够以较高的处理速度非常容易且快速地处理复杂的数字信号。以nSP为核心的SPCE061A微控制器非常适用于数字语音识别领域的应用。SPCE061A单片机工作在2.6V-3.6V电压时其工作频率范围为0.32MHz-49.152MHz，较高的工作频率使其应用领域非常宽阔。2.1.2 SPCE061A 芯片主要性能介绍SPCE061A的主要性能如下： 16位nSP微处理器； 工作电压：VDD为2.6-3.6V(CPU), VDDH为VDD-5.5V(I/O)； CPU时钟：0.32MHz-49.152MHz ； 内置2K字SRAM； 内置32K闪存ROM； 可编程音频处理； 晶体振荡器； 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于2A3.6V； 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； 32位通用可编程输入/输出端口； 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； 32768Hz实时时钟； 7通道10位电压模-数转换器(ADC, Analog to Digital Converter)和单通道声音模-数转换器； 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC, Automatic Gain Control)功能； 具备串行设备接口； 低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； 内置在线仿真板(ICE，In- Circuit Emulator)接口。2.1.3 SPCE061A结构概览SPCE061A芯片内部集成了ICE (在线实时仿真/除错器)、FLASH (闪存)、SRAM (静态内存)、通用I/O端口、定时器/计数器、中断控制、CPU时钟锁相环(PLL)、ADC (模拟数字转换器)、DAC (数字模拟转换器)输出、UART (通用异步串行输入输出接口)、SIO (串行输入输出接口)、低电压监测/低电压复位等模块。结构图如图1所示：图1 SPCE061A结构(1)CPUSPCE061A 配备了凌阳科技开发的最新的16 位微处理器nSP。它内含有8 个寄存器：4个通用寄存器R1-R4，1个程序计数器PC，1 个堆栈指针SP，1 个基址指针BP 和1 个段寄存器SR。通用寄存器R3 和R4 结合形成一个32 位寄存器MR，MR 可被用作乘法运算和内积运算的目标寄存器。此外，SPCE061A 有3个FIQ 中断和14 个IRQ 中断，并且带有一个由指令BREAK 控制的软中断。nSP不仅可以进行加、减等基本算术运算和逻辑运算，还可以完成用于数字信号处理的乘法运算和内积运算。(2)存储器SPCE061A 拥有2K的SRAM，其地址范围从$000000 到$0007FF。32K的内嵌式闪存用于存放程序和数据。全部32K闪存均可在ICE 工作方式下被编程写入或被擦除。(3)输入输出端口输入输出端口是系统与其它设备进行数据交换的接口。SPCE061A 具有两个可编程输入输出端口：A口和B口。A口既是具有可编程唤醒功能的普通I/O口，又可与ADC的多路LINE_IN 输入共用(IOA6-0与LINE_IN1-7共用，此时IOA 必须被设置为悬浮管脚)。 (4)I/O 端口结构SPCE061A 提供了位控制结构的I/O 端口，每一位都可以被单独定义用于输入或输出数据。通常，对某一位的设定包括以下3个基本项：数据向量Data、属性向量Attribution 和方向控制向量Direction，它们分别代表3个控制端口。3 个端口内每个对应的位组合在一起，形成一个控制字，用来定义相应I/O口位的输入输出状态和方式。(5)定时器/计数器SPCE061A 提供了两个16 位的定时器/计数器：TimerA 和TimerB。Timer