多功能电子医药盒

多功能多功能电电子子医药医药盒盒 Multi-function electronic medical box 摘摘 要要 20 世纪中后叶，随着大规模晶体管集成电路制造工艺的飞速发展，使计算机渗 透进城市的血液，成为人类社会生活中密不可分的一部分。越来越多种类的计算机 投入社会生产，如果在人们的社会生活中所接触到的计算机均使用不同的、自身特 有的人机接口，就要求计算机使用者掌握多种计算机操作语言，这无疑成为人们使 用计算机的一大障碍。因此人与计算机的沟通成为了摆在人类面前崭新的课题。在 音频压缩处理技术以及无线远程控制技术高速发展的局面下，人们开始考虑使用人 类语言作为新的方式和计算机进行无线远程对话。优化人机接口，使计算机智能化， 并且能听懂远处传来的人类语言，以人类的方式思考，彻底摆脱复杂的计算机语言 和繁琐的输入方式是今后发展的一大方向。台湾凌阳科技推出的 16 位 MCU-DSP 混 合处理器 SPCE061A 可以实现上述的语音识别、数据编码等功能。因此一款全新设 计的人性化智能电子药盒，会说话，能定时，更简单。 本次设计为更多人带来了便利，尤其是对于众多不习惯于传统复杂定时系统的 人们使用多功能电子医药盒提高了人们的生活效率：针对年轻人，可以在忙碌的工 作时提醒吃药的时间；针对老年人，可以提醒按时吃药、安全吃药。今后，根据智 能电子医药盒的设计理念，可将其移植到其他小家电等具有实际意义的产品中去。 在人类与计算机的关系日益密切的今天，更为便捷、更为人性化、更为智能化的人 机对话方式无疑是今后科技发展的新趋势。 关键词关键词：人性化；语音辨识；定时自动开启药箱；SPCE061A 1 ABSTRACT In the 20th century, with the large after IC manufacturing process of the transistor, the rapid development of computer penetrate into the blood and become human cities in social life is part of it. More and more kinds of computer into social production, if the peoples social life in contact with the computer use different, own human-machine interface, computer user requirements of computer language, mastering this undoubtedly become an obstacle of people use computers. So people and computer communication has become set before the human beings. In audio compression processing technology and wireless remote control technology rapid development situation, people began to consider using human language as a new way for wireless remote dialogue with the computer. Optimize human- machine interface, computer intelligence, and understand the distant human language in humans thinking mode, and get rid thoroughly sophisticated computer language and trival input method is one of the future development direction. Taiwan sunplus technology of 16 MCU SPCE061A microprocessor - DSP mix can be realized the speech recognition, data coding etc. Function. Therefore, a new design of human intelligence, can speak, labelsspeech recognition;time automatically open medicine cabinet;SPCE061A 目 录 1 1 引言引言1 2 多功能电子医药盒设计概述3 2.1 设计目的.3 2.2 设计实现总体功能.3 3 系统总体设计方案4 3.1设计总体功能图.4 3.2功能描述.4 3.2.1 按键功能描述4 3.2.2定时的开启4 3.2.3 系统硬件设计方案系统硬件设计方案5 3.2.4 遥控器硬件设计方案.5 3.3产品使用注意事项.8 4 主要系统芯片及功能介绍9 4.1 凌阳单片机的选择.9 4.2 主要性能特点分析.9 4.3系统主控制芯片及部件介绍.10 4.3.1无线语音遥控器主控制器SPCE061A介绍10 4.3.2直流电机驱动芯片L298N的介绍.12 4.3.3无线语音遥控器中SPCE061A的功能13 5 软件设计部分及方案.17 5.1 凌阳 SPCE061A 单片机指令系统与开发环境 17 5.2 ATMEGA16L 单片机指令系统与开发环境 18 3 结 论.19 参考文献.20 附录 1：电路图 .21 附录 2： 程序 22 致 谢.41 1 1 引言引言 随着现代科学技术的飞速发展，数字化时代的来临，计算机和网络已经将触角 伸入社会各行各业，渗入了城市的血液中，并且在一定程度上取代了人类繁琐的机 械的劳动。世界也正面临一场大规模的新的工业革命，又称为信息革命。数字化、 智能化，已经成为这场革命的主旋律。让计算机像人类一样动作一样思考，并拥有 人的记忆和人的逻辑，使人类从繁琐的键盘操作和按键输入中解脱出来是电脑智能 化面对的重要课题。 在现代传感器技术、音频视频压缩解码技术的跨越式发展，使计算机实现了高 度的集成化，功能也逐渐出现全能化、专门化以及智能化的分化发展方向。计算机 的微处理器的功能也不仅仅局限于计算和处理数据，同时也将存储和硬件解码等外 围电路也集成到其中。也正是因为如此，运用单独的处理器就可以实现智能化人机 对话接口，让计算机像人类一样思考，通过人类的动作和语言向计算机输入指令， 使计算机的操作方式发生根本性的变革，真正拉近人与计算机间的距离。 现代计算机的性能已经相当强大，运算能力已经不可限量，而且还在飞速发展。 在日常生活的诸多领域，电脑已经取代人类，从事大量繁琐的、重复性的劳动。但 是在这些领域中，大型的计算机不能充分发挥自身性能，而且在成本方面也毫无经 济性可言。所以，针对不同领域不同功能的专门性计算机应运而生，其运算处理能 力并不一定非常强大，而是对于特别的应用场合在其中整合特殊的功能，使其在特 定的场合发挥最大的作用。嵌入式计算机应运而生，嵌人式计算机作为计算机的一 个重要分支，得到了越来越广泛的应用。随着信息技术发展所带来应用需求的增多， 嵌人式计算机的应用范围和需求越来越广，性能不断改进，新的架构不断出现，各 种单片机和数字信号处理器相继面世。嵌人式操作系统与 PC 操作系统相比，嵌人 式操作系统不要求全能，但必须能够依据系统设计规格，高效率地发挥硬件的运算 能力，使产品达到效率价格比的优化。 本次设计是在运用成品嵌入式计算机的基础上，实现用人类的语言无线遥控单 4 片机的运作。为了更明确的显示声音对单片机的遥控作用，使单片机控制远处可开 启的药盒，体现声控单片机的运行情况。 对于多功能电子医药盒的设计，关键在于语音识别，语音处理技术是一门新兴 的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识 别等各种处理技术。以往做这方面的设计，一般有两个途径：一种方案是单片机扩 展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。普通的单片机往往不能实现这么 复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。专门的语音处理芯片也 比较多，像 ISD 系列、PM50 系列等，但是专门的语音处理芯片功能比较单一，想在 语音之外的其他方面应用基本是不可能的。而无线通信技术现在多采用无线数字通 信模块，其通信协议可以自己设定，通信频率可以在一定范围内可以改变，使传输 数据的可靠性、安全性都大大提高。 基于上述要求本次设计拟采用三种设计方案。在芯片方面，ATMEGA16L 微处 理器和凌阳 SPCE061A 微处理器以及二者的组合应用是三种备选方案。两种微控制 器都具有丰富的片上系统资源，可以通过外加辅助电路的方式实现语音辨识功能， 从而满足对控制指令的语音采集、压缩、存储、解压和辨识等一系列功能的要求。 在指令系统方面，两者都支持 C 语言，省去了繁琐重复的堆栈操作，方便了程序员 的编写，和读取。 在确定设计使用单片机后，还应对单片机加装部分外围电路才能使用，其中包 括：电源电路、音频电路、I/O 电路等。使其保证单片机各项功能的实现。此外还有 部分必须的功能电路，如：复位按键，状态指示灯等等。 在药盒仓体方面，采用三个直流电机驱动，动力来自驱动后轮的直流电机，驱 动器采用意法半导体生产的 L298N 直流电机驱动器，整个药盒由电源供电。 语音指令的识别过程是利用单片机的特定人语音识别功能来实现的。首先对电 子药盒进行训练，将语音命令转换为数字信号存储在单片机 FLASH 存储器中。在 需要控制药仓开启的时候，单片机通过采集声音信号，并量化处理为数字信号后， 与存储器中预先存储的控制命令进行辨识，结果以字节数据方式从无线模组发出， 药盒接收到控制指令后，控制驱动芯片和舵机，使电子药盒完成响应动作。这些操 作都是由预先编写并烧录在单片机中的 C 语言程序控制的。 在整个设计中，两个难点在于单片机外围电路的设计和控制程序的编写。如果 能很好的解决这两个方面的问题，电子药盒的工作应该会比较顺利。 5 2 多功能电子医药盒设计概述 2.1 设计目的 随着我国国民经济的发展，针对生活节奏的加快和社会老龄化的趋势，结 合产业发展需要，设计出了多功能语音电子医药盒。 使用多功能电子医药盒提高了人们的生活效率：针对年轻人，可以在忙碌 的工作时提醒吃药的时间；针对老年人，可以提醒按时吃药、安全吃药。 2.2 设计实现总体功能 采用凌阳单片机的语音技术，传动技术，记忆与存储技术。 性能指标： 1语音提示后，仓盖开启和闭合的时间：12s； 2药仓数量：4 仓设计； 3能根据人的提示进行药物的选择； 4人性化设计与友好的人机界面； 524 小时内任意设定药物服用提醒； 6语音互动，可以实现人机对话，具有小型机器人的识别能力； 7四仓设计，分为底仓、固定仓与常动仓，介绍如下： 底仓：为药物备用仓； 固定仓：针对家庭中常常需要服用药物的人所设计，服药时间、数量等可 进行自行设定。 常动仓（分两层）：针对生活中的易发性疾病所设计，服药时间、数量等 可进行自行设定，具备语音识别功能，可根据语音提示，自动进行药物的选择。 8具有时间的记忆功能。 6 3 系统总体设计方案 3.1 设计总体功能图 3.2 功能描述 3.2.1 按键功能描述 时间调整键：可对现在时间及设定时间进行调整，可实现 5 路定时提醒： 对于时间调整，可进行年月日小时分的设定。 设定药物键：通过此键可进行服药位置、时间及数量（最大为 4）的设定， 对于服药位置，可进行层数（最大为 3）与格数（最大为 6）的设定。 采用默认键：通过此键无需设定，即可享用标准方案：位置：一层 2 格； 时间：早上 8 时，数粒：2 粒。 3.2.2 定时的开启 当时钟计时达到预定时间，液晶自动显示药品位置、种类及服用量，语音 播报液晶屏上显示的信息。同时，单片机控制直流电机迅速转动，自动开启药 盒。3.2.3 系统硬件设计方案系统硬件设计方案 根据需要，系统硬件拟使用两块 PCB 板设计。其中一块为语音遥控器，用 7 于搭载凌阳 SPCE061A 单片机、电源电路、音频电路、I/O 电路等外围电路。 另一块为车体控制板，用于搭载接口电路，电源电路及电机驱动。 调整“现在时间”及定时：1）接通电源时为默认状态；2）当前时间显示： 12：00；3）定时显示：08：00；4）数量显示：2 粒；5）当前位置显示：第一 层。 3.2.4 遥控器硬件设计方案 在无线语音遥控智能电子医药盒的设计中，凌阳 SPCEO61A 单片机作为遥 控器的主控制器，需要增加一系列的外围电路的支持才能实现音频输入输出和 识别，以及语音命令的输出等功能。需要增加的外围电路有：电源电路、MIC 输入电路、音频输出电路、无线传输电路、复位电路、I/O 接口电路。 1.电源电路 凌阳 SPCE061A 单片机内核电源电压要求为 3.3V，其他逻辑器件要求 5V 供电，设计中采用 DC9V 供电，直流电压先通过 LM7805 得到 5V 直流电源为 逻辑电路供电，然后通过 SPY0029 稳压到 3.3V，为整个单片机内核供电。另外， 在 LM7805 的前端入一个二极管，目的在于防止电源接反而对整个电路造成损 坏。电路如图 3-1 所示。 图 关关关关 S1 SW-PB D1 Diode VIN 3 GND 1 VO 2 U2 1117 3.3V 1 2 3 J1 PWR2.5 VIN 1 GND 2 VO 3 U4 LM7805 470 R10 DS1 300 R11 DS2 VCC 8 3-1 电源电路 2.音频电路 1)MIC 输入电路 在使用 SPCE061A 的语音训练和声音控制的时候，需要使用 MIC 输入电路 将语音信号接收，并传送至 SPCE061A 进行处理。为提高输入的声音质量， MIC 输入电路还应具备一定的滤波降噪功能。电路中的性滤波器就能很好的 实现这个功能。同时使入电路可以实现自动增益（AGC）控制。原理如图 3-2 其中 X1 是语音的 MIC 输入端。 图 3-2 MIC 输入电路 2)DAC 输出电路 在语音训练的过程中，凌阳 SPCE061A 需要输出信号提示音，以让训练者 了解其工作状态，方便进行语音训练。另外还要播报药盒的工作状态。 1K R2 220uF C4 MK1 3K R3 3K R4 224 C5 224 C6 MICN MICP VMIC 10K R5 10K R6 VADREF 104 C7 47uF C8 4.7uF C9 470K R7 AGC 9 SPCE061A 自带双通道 DAC 音频输出， DAC1、DAC2 转换输出的模拟量电流 信号分别通过 DAC1 和 DAC2 管脚输出， DAC 输出为电流型输出，所以 DAC 输出经过 SPY0030 音频放大，以驱动喇叭放音。这为单片机的音频设计提供了 极大方便。原理图如图 4.3。在 P9 上接一个 2pin 的插针外接喇叭，即可实现提 示语音输出功能。DAC 电路中，SPY0030 是凌阳的一款音频放大芯片，相当于 LM386，但是它比 LM386 音质好，可以工作在 2.4-6.0V 范围内，最大输出功率 可达 700mW。 图 3-3 DAC 输出电路 3.I/O 接口电路 接口电路凌阳 SPCE061A 的两路 16 位 I/O 接口引出，因为一般逻辑电路都 是 8 位并行总线，所以 SPCE061A 的 I/O 接口分为 4 组，每组 8 个端口加两个 电源线，电源电压可由双刀双掷选择为 3.3V 或 5V。另外，串口和 IOB7 及 IOB10 复用，在此设计中用该资源将语音命令传输给串口 nRF2401 模组进行无 线发射。原理图如图 3-4。 + 5 - 4 2 1 7 83 6 U7 SPY0030 104 C18 224 C21 1K R33 1K RP2 VCC 1 2 P9 DAC 100pF C19 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P5 IOA0 IOA1 IOA2 IOA3 IOA4 IOA5 IOA6 IOA7 IOA8 IOA9 IOA10 IOA11 IOA12 IOA13 IOA14 IOA15 IOB0 IOB1 IOB2 IOB3 IOB4 IOB5 IOB6 IOB7 IOB8 IOB9 IOB10 IOB11 IOB12 IOB13 IOB14 IOB15 S20S21 + + - - - + VCC 3.3V TX RX IOB10 IOB7 图 3-4 I/O 接口电路 4.复位电路 在一些情况下，需要对 SPCE061A 进行硬件复位，有 阻容电路完成上电复位功能， 通电就自动复位，另外，还可 以按键外部复位，原理图如图 4.5。 图 3-5 复位电路 3.3 产品使用注意事项 1.在使用本产品时禁止药物混放，同时，若在已放过药物的小格重新装药 时，及时清洗小格，保证小格干净清洁，防止药物污染。 2.本产品应放在小孩接触范围之外。 3.本产品应在遮光，通风，干燥处保存。 VCC 4.7K R1 104 C1 S1 RESET 11 4 主要系统芯片及功能介绍 4.1 凌阳单片机的选择 MCS51 单片机+语音芯片的不足： 1集成性较低：MCS51 单片机与语音芯片之间的连线与外围器件较多； 2可编程性差，较难理解：在看懂时序图的前提下才能理解其工作原理； 3语音效果一般； 4性价比较低，不易于接受和推广。 凌阳单片机的优点： 1.集成性好，语音信号的实时采集：采用模块式集成结构，片内集成了 2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行 I/O 等，特别适合语音信号处理； 2.可编程性好：2 个 16 位可编程定时器/计数器，14 个中断源，可以通过定 时器、外部时钟输入、键唤醒等； 3.语音效果好：7 通道 10 位 ADC，内置麦克风放大和自动增益控制功能； 4.性价比高，易于接受和推广。 12 4.2 主要性能特点分析 电子医药盒的不足： 1人的提示进行药物的选择； 2按键设定，设置定时操作麻烦； 3总体性能比较单一。 多功能电子医药盒的特点： 1能根据人的提示进行药物的选择； 2人性化设计与友好的人机界面； 324 小时内任意设定药物服用提醒； 4语音互动，可以实现人机对话，具有小型机器人的识别能力； 5四仓设计，分为底仓、固定仓与常动仓，介绍如下： a)底仓:为药物备用仓； b)固定:仓针对家庭中常常需要服用药物的人所设计，服药时间、数量等可 进行自行设定。 c)常动仓（分两层）：针对生活中的易发性疾病所设计，服药时间、数量 等可进行自行设定，具备语音识别功能，可根据语音提示，自动进行药物的选 择。 具有时间的记忆功能： 用户在吃药的第一天或前几天大多会记得按时吃药，用户在吃药同时按动 一下智能药盒上设定好的按键，智能药盒就自动记住这个时间，以后每天同样 的时间就会响铃、闪光和语音提示说话（hello，remember me）提醒用户吃药， 每天如此。 4.3 系统主控制芯片及部件介绍 4.3.1 无线语音遥控器主控制器 SPCE061A 介绍 经过上述讨论，实现声音智能控制功能最理想的控制芯片为台湾凌阳科技 推出的 SOPC（System On Programmable Chip）级 16 位 MCU-DSP 混合处理器 SPCE061A 作为处理语音指令的控制芯片，其兼有微处理器，数字信号处理器， 存储器的三重功能，具有丰富的片上系统资源。凌阳 SPCE061A 具有 nSP 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，增添了 DSP 功能，使得 nSPTM 系列运用在复杂的数字信号处理方面既 很便利，又比专用的 DSP 芯片廉价。凌阳内嵌 32K 字的 Flash 和 2K 字的 SRAM，ROM 和 RAM 统一编址，属于冯诺依曼结构计算机，这样的设计在制作中 方便了对语音指令的压缩和存储。实物如图 4-1。 13 图 4-1 凌阳 SPCE061A 单片机 图 4-2 ATMEGA16L 管脚图 SPCE061A 的主要性能： 116 位 nSP核心高档微控制器； 2工作电压：VVD 为 2.6V-3.6V（CPU）,VDDH 为 VDD-5.5V（I/O） ； 3CPU 时钟：0.32MHz-49.152MHz； 4内置 2K 字 SRAM； 5内置 32K 字 FLASH； 6可编程音频控制器； 7晶体振荡器； 8.系统处于设备状态。耗电小雨 2mA 3.6V； 9.2 个 16 位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值） ； 10.2 个 10 位 DAC； 11.32 位通用可编程输入/输出端口； 12.14 个中断源可来自定时器 A/B，时基，2 个外部时钟源输； 13.具备触键唤醒功能； 14.使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式（2.4Kbps） ，能容纳 210s 的语音数 据； 15.锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 16.32768Hz 实时时钟； 17.7 通道 10 位电压数模转换器（ADC）和单通道声音模数转换器； 14 18.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）功 能； 19.具备串口设备接口； 20.具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能； 21.内置在线仿真电路 ICE（In-Circuit Emulator） ； 22.具有保密能力； 23.具有 Watch Dog 功能。 主控制器 ATMEGA16L 的介绍 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直 接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两 个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微 控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。管脚图如图 3.2。 ATmega16L 有如下特点: 1.16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)； 2.512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM； 3.32 个通用 I/O 口线； 4.32 个通用工作寄存器； 5.用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程； 6.三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)； 7.片内/外中断，片内经过标定的 RC 振荡器； 8.可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口； 9.8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的 ADC； 10.具有片内振荡器的可编程看门狗定时器； 11.一个 SPI 串行端口； 12.四通道 PWM，两路 8 位，两路 16 位； 13.六个可以通过软件进行选择的省电模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模 式; 14.省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的 Standby 模式 15.速度等级：0 - 8 MHz； 16.工作电压：2.7 - 5.5V。 4.3.2 直流电机驱动芯片 L298N 的介绍 L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主 要特点是:工作电压高，最高工作电压可达 46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达 15 3A，持续工作电流为 2A；内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以 用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准 TTL 逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许 或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工 作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。其管脚图和实物图分别如 图 4-1、图 4-2 所示，管脚功能如表 4-3 所示。 图 4-1 L298N 管脚图 图 4-2 L298N 实物图 表 4-2 L298N 引脚功能表 16 4.3.3 无线语音遥控器中 SPCE061A 的功能 在本次设计中，关键地问题之一在于人声的 A/D 转换存储与识别， SPCE061A 提供了语音输入压缩以及辨识的先进技术。 1. 语音指令的输入。凌阳 SPCE061A 利用麦克风的指令输入系统， SPCE061A 内置由 DA 转换器 DACO 和逐次逼近寄存器 SAR 组成的逐次逼 近式 8 通道 10 位 AD 转换器，以及采样保持电路。其中 7 个通道用于将模 拟量信号（电压信号）转换为数字量信号，可以直接通过引线(IOA 0-IOA 6） 输人(Line_Inl-Line_ln7)另外一个通道只用于语音输人，即通过内置自动增益控 制放大器的麦克风通道（MIC-In）输人，是语音采集专用通道，也可设置为普 通 A/D 输入。 2语音指令的训练。语音遥控器作为机器，一定是不能先天理解人类的语 言的，所以，必须教会它人类语言的含义。即语音训练，内容是将人类的语言 事先已训练的方式经过模数转换存储在凌阳SPCE061A的FLASH中，并指定每 一条语音所要指向的操作，以便在日后的使用中将采集来的语音与存储的语音 引 脚符 号功 能 1 15 SENSING A SENSING B 此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号 2 3 OUT 1 OUT 2 此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载 4Vs电机驱动电源输入端 5 7 IN 1 IN2 输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A的开关 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工 作。 8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通 9Vss逻辑控制部分的电源输人端口 10 12 IN 3 IN 4 输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关 13 14 OUT 3 OUT 4 此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载 17 相比对，以确定单片机需要进行的操作。 凌阳SPCE061A对于不同的辨识能力提供以下两种语音训练方式： 1）特定发音人识别SD（Speaker Dependent），是指语音样板由单个人训练， 可用于语音提示，而DVR用来录音和放音； 2）非特定发音人识别 SI（Speaker Independert）。是指语音样板由不同年 龄、不同性别、不同口音的人训练，可以识别一群人的命令； 在本次设计中，需要向小车训练：向前、向后、左转、右转、停止等几项 语音指令，以供控制小车时的辨识使用。 值得注意的是，使用非特定发音人识别需要利用大量的 DVR 存储不同人训 练的语音，但是凌阳 SPCE061A 并不能提供大量的内存空间供存储使用，由于 设计条件有限，无法扩展必要的存储芯片完成存储语音的功能，故选择使用特 定发音人识别。其训练具体流程参看后文内容。 3对训练的语音指令的存储。将经A/D转换后的数据压缩存储， SPCEO61A单片机的16位DSP有很强的信息处理能力，最高时钟频率达49.152 MHz，具备运算速度高等优势。这些为语音的录放、合成及辨识提供了条件。 凌阳压缩算法中DVR可用于录、放音。语音的编码、存储、解码处理是通过操 作麦克风输人所生成的WAVE文件完成的，但在这个环节上会出现的一个问题 为其占用的存储空间很大，对SPCEO61A单片机的32K FLASH来说想要存储大 量的信息显然是不可能的。而SPCE061A提出了解决方法：SACMV25LIB。 该库将A/D、编码、解码、存储及DA做成相应的模块，对于每个模块都有其 应用程序接口API，所以只须了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容，然 后调用该API函数即可实现相应功能。在进行A/D转换之前，从MIN_IN输入的 模拟信号要经过缓冲器和放大器，AGC功能将通过MICIN通道输入的模拟 信号放大值控制在一定范围内，然后放大信号经采样-保持模块送入比较器参与 A/D转换值得确定。 4. SPCE061A的语音辨识。语音辨识是一种以语音模型为指令基础的控制方 式，语音模型的质量直接影响辨识操作的速度和准确率。具体步骤是经过两次 语音采集，即训练和发布指令。系统经复杂的函数操作将发布指令与预先训练 的一音模型进行比对，如与语音模型相匹配，则输出控制信号。具体原理如图 4-3。 18 声学模式训练 语音模型 复杂声 学语音 条件下 的语音 输入 语音匹配 语音模式训练 语音处理 语言模型 识别结果理解结束 图 4-3 语音辨识原理简图 凌阳16位微处理器的SPCE061A核心实现与计算机连接采用有线方案，通过 并口将预先设计的小车控制程序烧写到SPCE061A单片机，以识别各种语音指 令系统的处理过程为：当向控制器发出语音命令时，声波通过MIC输入，将 相应的信号传递到SPCE061A处理芯片，在芯片中通过相关的程序与预先训练好 的语音模型进行比较、识别及处理，根据识别的结果进行判断、转换，然后发 出相应的控制指令到无线模组，无线发送语音指令。 图 4-4 语音辨识流程 使用特定人语音辨识的语音样板由单个人训练和识别处理组成，如图 3.8。 值得注意的是，凌阳 SPCEO61A 在接收到控制语音指令后，并不是直接用 其进行辨识。 为了提辨识的正确率，语音信号要经过语音识别电路，将语音信号经过滤波 器降噪、加重等处理后进行预测、量化等一系列操作进行模数转换，以数字形 式进行过零次数能量相关函数等方法进行匹配运算，输出辨识结果。 5语音指令的发送和回应。在对遥控器发出语音指令后凌阳 SPCEO61A 将人发出的。 指令与训练时的音频进行辨识后确定指令，由串口无线模组 nRF2401 发射。 车上控制器接收到相应指令后，设置动作标志位，返回回应数据，同时控制 19 L298N 和舵机，使药盒做出开仓闭仓的动作。SPCE061A 接收到响应数据后， 可知电子药盒已经响应了语音指令，便语音播报当前电子药盒的响应。 20 5 软件设计部分及方案 5.1 凌阳 SPCE061A 单片机指令系统与开发环境 凌阳 SPCEO61A 单片机采用 nSP内核指令系统的程序设计支持汇编语 言和 C 语言编写。在编程中也可以使用汇编伪指令，这样能使句子所表达的意 思的结构更加清晰，能够增强可读性，使汇编器的编译效率提高。nSP内 核对支持 ANSI-C 中使用的基本数据类型，并且可以在 C 程序中调用汇编函数 提高代码效率，并使其具有较好的实时性。声控小车的各种动作，以及指令以 及工作方式都要通过 C 语言与汇编语言编写，并进行摸拟，调试等操作。为减 少繁琐的堆栈操作和提高程序可读性，在本次设计中采用 C 语言编写辨识程序。 在编程工作结束后，将会对声控小车进行程序的输入。使用凌阳科技提供 的一个集成开发环境 nSP IDE，它能完成程序的编辑、编译、链接、调试 和仿真等功能。使用它的的软件仿真功能可以在不连接仿真板的情况下通过模 拟硬件的部分功能来调试程序。并使用在线调试器 PROBE 对 SPCEO61A 程序 进行写入，它既是一个程序烧写器人又是一个实时在线调试器。它利用了 SPCE06lA 片内置的在线仿真电路 ICE(InCircuit Emulator）接口和凌阳公司的 在线串行编程技术。PROBE 工作于凌阳 IDE 集成开发环境软件包下，其 5 芯 的仿真头直接连接到目标电路板上 SPCEO61A 相应引脚，直接对目标电路板上 的 SPCEO61A 调试，运行编写好的程序。PROBE 的另一头是标准 25 针打印机 接口，直接连接到计算机打印口与微机通信，在计算机 IDE 集成开发环境软件 包下，实现在线调试。 图 5-6 计算机，PROBE 和用户目标板三者之间的连接示意图 21 5.2 ATMEGA16L 单片机指令系统与开发环境 为了获得最高的性能以及并行性， AVR 采用了Harvard 结构，具有独立 的数据和程序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。CPU 在执行一 条指令的同时读取下一条指令( 在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时 钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的FLASH。AVRStudio是Atmel公司推 出的AVR单片机集成开发环境。能运行于Windows9x/ME/NT/2000/XP等操作系 统平台下。它提供了源文件的编辑器，用于软件仿真的芯片仿真器和在线硬件 仿真(ICE)的接口。源程序的编辑可采用汇编语言，其汇编级编译器（AVR Assembler）是免费提供的。AVRStudio也可采用C语言编程，支持第三方C编译 器。AVRStudio还集成有软件调试（AVR Studio）和实时在线仿真器（JTAG ICE）以及AVRProg下载等功能。目前，ARTMEL公司所发布的最新版本为 AVR Studio4.14，可以在ATMEL公司的官方网站htttp:/下载。 图5-7 AVRStudio开发 22 结 论 本次对于多功能电子医药盒的设计采用凌阳 SPCE061A 十六位单片机和 AVR 系列 ATMEGA16L 高档 8 位单片机配合实现。SPCE061A 采用 nSP 内核微处理器，其内部集成语音采集、识别及播放功能，并且集成了 2K 字的 RAM、32K 字的 Flash，同时 ATMEGA16L 内集成的 1K 字节的 SRAM 和 16K 字节的 FLASH 使得整个系统不需要外扩程序存储器和 RAM。由于采用了高性 能的 MCU，省掉了大量的外围器件，使得硬件结构大大简化，提高了系统的可 靠性。遥控器部分选用凌阳 SPCE061A，完全取决于其高集成度和较全面的功 能，不需要增加复杂的外围电路就可以实现语音辨识和一系列职能动作。它的 软件编程采用 C 和汇编混合编程来实现，集两种语言之优点于一体，它们的完 美结合极大限度地简化了编程过程，丰富了编程思想，给开发者带来了莫大的 方便。采用别的单片机实现所有功能一般要两个单片机，硬件电路也更加复杂。 若要实现语音播报功能和语音辨识，不是多用几个别的类型的单片机就可实现 的，而凌阳单片机提供了很好的语音播放和录制机制以及简单的 API 接口编程。 使用 SPCE061A 开发产品不仅给开发者耳目一新的感觉更给用户以振奋的性能。 在 SPCE061A 集成函数库带来方便的同时，我也感受到了其源代码的不透明， 当想增加自己特定的功能时，不知如何下手。与此相反，ATMEGA16L 的技术 资料很详细，甚至 bootloader 的编程都已涉及，所以作为单片机的初学者从 AVR 系列单片机入手是一个很好的选择，当具有一定经验后，可以用 SPCE061A 做一些设计上的辅助工作，也能为自己的作品增添不少色彩。 对于无线语音遥控智能来讲，本次设计的作品并无太大实用价值，但有很 大实际意义，其中声音控制机器操作的思路是今后简化人机接口的方向。此类 构想可移植到诸如小家电、汽车等于生活息息相关的电子产品上。在人类与计 算机的关系日益密切的今天，更为便捷、更为人性化、更为智能化的人机对话 方式无疑是今后科技发展的新趋势。 在结束了本次毕业设计后，本人对于单片机的了解和使用能力达到了一个 更高的层次，使知识得到了充分的运用，同时也补充了部分没有接触过的思想。 本人从中受益匪浅。 23 参考文献 1刘海承等. MCU-DSP 型单片机原理与应用.北京：北京航空航天大学出版社， 2003. 2罗亚非凌阳 16 位单片机应用基础北京：北京航空航天大学出版社， 2003 3郑学坚,周斌微型计算机原理及应用(第三版)北京：清华大学出版社，2001. 4欧阳斌林,等单片机原理与应用中国水利水电出版社，2001. 5李晶皎嵌人式语音技术及凌阳 16 位单片机应用北京：北京航空航天大 学出版社，2003:97102. 6潘松，黄继业EDA 技术实用教程第二版北京：科学出版社，2005: 234237. 7凌阳科技大学计划.凌阳单片机在大学生电子竞赛中的应用，第一版，北京航 空航天大学出版社，2005: 175179. 8刘海成，秦进平.MCU-DSP型单片机原理与应用基于凌阳16位单片机，第一 版，北京航空航天大学出版社，2006:215216. 9张齐，杜群贵.单片机应用系统设计技术基于C语言编程，第二版，电子 工业出版社，2004:191193. 10侯媛彬.凌阳单片机原理及其毕业设计精选，第一版，科学出版社， 2006:3341. 11吴双力，崔剑，王伯岭.AVR-GCC与AVR单片机C语言开发，第一版，北京 航空航天大学出版社，2004:163169. 12徐煜明，韩雁.单片机原理及接口技术，第一版，电子工业出版社， 2005:5758. 13杨西明，朱骐.单片机编程与应用入门，第一版，机械工业出版社， 2004:341344. 14严天峰.单片机应用系统设计与仿真调试，第一版，北京航空航天大学出版 社，2005:215223. 15Michael A. Miller.Data and Network Communications，第一版，科学出版社， 2002:145148. 24 附录 1：电路图 25 附录 2： 程序 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int /* 延时程序 * void delayms(unsigned int n) /延时 10n 毫秒程序 unsigned int i,j; for(i=0;i0;k-) for(i=32;i0;i-) for(j=248;j0;j-); /*语音模块*/ sbit s1=P13; sbit s2=P14; sbit reshi=P15; void speak2(void) delay1ms(50); s2=1; delay1ms(50); s2=0; delay1ms(2); s2=1; /s2=1; /*LCD 液晶*/ #define LCD_CS_SET P1|=0x04 /CS = P1.2 #define LCD_CS_CLR P1/定义按键位置 sbit key2=P31; sbit key3=P32; sbit key4=P33; sbit SCK=P36; sbit SDA=P34; sbit RST = P35; / DS1302 复位 /*电机*/ unsigned char code F_Rotation4=0x01,0x02,0x04,0x08;/正转表格 unsigned char code B_Rotation4=0x08,0x04,0x02,0x01;/反转表格 void Delaymotor(unsigned int i)/延时 while(-i); void oneblock(char w) unsigned char i,j; for(j=0;j=1; /右移一位 SCK=1; void Write_Ds1302( unsigned char address,unsigned char dat ) RST=0; _nop_(); SCK=0; _nop_(); RST=1; _nop_(); /启动 Write_Ds1302_Byte(address);/发送地址 Write_Ds1302_Byte(dat);/发送数据 RST=0; /恢复 29 /*/ unsigned char Read_Ds1302 ( unsigned char address ) unsigned char i,temp=0x00; RST=0; _nop_(); SCK=0; _nop_(); RST=1; _nop_(); Write_Ds1302_Byte(address); for (i=0;i=1;/右移一位 SCK=1; RST=0; _nop_();/以下为 DS1302 复位的稳定时间 RST=0; SCK=0; _nop_(); SCK=1; _nop_(); SDA=0; _nop_(); SDA=1; _nop_(); return (temp);/返回 30 /*/ void Read_RTC(void)/读取 日历 unsigned char i,*p; p=read_rtc_address; /地址传递 for(i=0;i 4); Delay(); return r_data; uchar LCD_R_Data( void ) uchar r_data; LCD_SDA_SET; LCD_CS_SET; _nop_();_nop_(); send_byte( 0xFE ); /0xFA = 1111 1110,接收指令/地址 LCD_SDA_SET; _nop_(); _nop_(); r_data = receive_byte(); r_dat