（精密仪器及机械专业论文）基于MP3语音格式的智能公交车报站器的设计.pdf

基于m p 3 语音格式的智能公交车报站器的设计 摘要 随着我罔经济的飞速发展和城市化进程的加深，城市人口日益膨胀，机动 车辆急剧增加，城市交通压力越来越大。发展公共交通事业足为居民提供安全 有序的出行方式的f i 可替代的途径，公共交通管理的高质量和公共服务水平的 人性化是吸引居民采用公交出行的有效途径，是中围解决交通问题的重要措施。 公交车报站系统是公共交通系统的一个重要的组成部分，设计先进的报站系统 能为广大居民乘车提供优质的服务，提高公交系统的服务水平。 木文根据研究的需要，在综述国内外公交系统发展和现状的基础上，结合 我围实际情况，采用m p 3 语音技术和射频识别技术设计了一款m p 3 语音智能公 交车报站器，并给出了系统应具备的功能、系统的体系结构和总体设计方案。本 系统充分考虑道路交通情况、环境等凶素的影响，在按键报站的基础上采用射 频识别技术检测站台信息进行自动报站。实现了手动和自动报站的结合确保了 报站的准确性。报站系统实现了播报语音高质量话、下载语音便捷化和报站自 动化。通过验证此系统可以极大的提高报站效率，减轻司机的工作压力，给安 全行车提供了保证。为城市公交事业的发展做出了突出的贡献。 关键词：报站器m p 3 语音u s b 技术 射频识别技术单片机 d e s i g no fa u t o m a t i cb u ss t o pd e v i c eb a s eo nm p 3 a u d i o a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ed e e p e n i n go ft h ep r o c e s s o fu r b a n i z a t i o n t h ep r e s s u r eo nc i t yt r a f f i ci si n c r e a s i n gb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g u r b a np o p u l a t i o na n dt h es h a r pi n c r e a s ei nm o t o rv e h i c l e s d e v e l o p m e n to fp u b l i c t r a n s p o r ti st h ei r r e p l a c e a b l ew a yf o rt h er e s i d e n t ss a f ea n do r d e r l yt r a v e l t h e h i g h - q u a l i t yo fp u b l i ct r a n s p o r tm a n a g e m e n ta n dp u b l i cs e r v i c e si sae f f e c tw a y t o a t t r a c tp e o p l et a k eb u s a n dt h ei m p o r t a n tm e a s u r ef o rc h i n at os o l v et h et r a f f i c p r o b l e m s t h e b u ss t o pd e v i c ei sav e r y i m p o r t a n tp a r t o fp u b l i c t r a n s p o r t s y s t e m t h ea d v a n c e dd e s i g no ft h ed e v i c ec a ns e r v ep e o p l ew e l la n di m p r o v et h e s e r v i c el e v e lo fp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt or e s e a r c hn e e d sb a s e do ns u m m a r yo fd o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n tc o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l s i t u a t i o ni no u rc o u n t r yd e s i g n e dab u ss t o pd e v i c eu s i n gt h em p 3a u d i o t e c h n o l o g ya n dr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y s y s t e m f e a t u r e sa n d s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dd e s i g np r o g r a mh a v ee x p l a i n e d t h es y s t e mc o n s i d e rt h e i n f l u e n c eo ft h er o a dt r a f f i cc o n d i t i o n sa n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r su s ek e y so n b a s i ca n df r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yf o ra u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h es i t e i n f o r m a t i o na ts t a t i o n st or e p o r t e n s u r et h ea c c u r a c y b yt e s ta n dv e r i f yt h i ss y s t e m c a ng r e a t l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs t o pa n dc a nr e d u c ej o b s t r e s so fd r i v e r s e n s u r e dt r a f f i cs a f e t y i tc a nm a k eo u t s t a n d i n gc o n t r i b u t i o n sf o rt h ed e v e l o p m e n to f u r b a np u b l i ct r a n s p o r tc a u s e k e y w o r d s ：s t o pd e v i c e m p 3u s bt e c h n o l o g yr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y s i n g l e c h i p 插图清单 图2 1r f i d 系统的组成8 图3 1 系统总体设计方案11 图4 1 系统硬件原理图1 5 图4 2m c u 内部结构图1 6 图4 3 电源原理图16 图4 4 晶振连接图1 7 图4 5 通信端口图17 图4 6 音频接口图17 图4 7k a f l2 0 8 结构图18 图4 8k a f l 2 0 8 读取时序图_ 1 9 图4 9k a f l2 0 8 页编程时序图19 图4 1 0 存储器连接图2 0 图4 1 1l c d 实物图。2 1 图4 1 2l c d 原理图2 1 图4 1 3c c 2 5 0 0 实物图_ 2 2 图4 1 4c c 2 5 0 0 引脚图2 2 图4 1 5c c 2 5 0 0 连接示意图2 4 图4 16p c b 设计图一2 5 图5 1 软件系统组成图：2 7 图5 2 固件结构框图2 8 图5 3 端点程序流程图2 9 图5 4b u l ko u t 端点数据处理j 31 图5 5 安装u s b 驱动示意图，4 0 图5 - 6 插入u s b 桌面显示4 0 图5 7f l i p 丰界面4 0 图5 8f i l p 设备类型选择图4 1 图5 - 9f i l p 设备连接方式选择图4 l 图5 1 0f i l p 连接正确显示图4 l 图5 1 1 报站器电脑显示4 4 图5 1 2 报站器下载界面4 4 图5 13 串口试验框图4 4 图5 1 4s m a r t r f s t u d i o 设置界面4 5 图5 15 串口调试器4 6 图5 1 6 硬件实物图4 6 表格清单 表2 1u s b 设备请求格式k 6 表2 - 2u s b 标准设备请求：6 表4 1 引脚功能图2 3 表5 1m p 3 文件分类3 3 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 佥g 曼工些丕堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：硼畸 警字日期：研年中月修日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王! g 态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金月里王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 剀踌 心 签字目期：钾年中月岬日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：吵年月，孽日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在陶晓杰老师的悉心指导下完成的，苗先我衷心地感谢陶晓杰副 教授。在研究牛阶段，陶老师不仪在学术上给我认真细腻的指导、严格的要求， 更在牛活上给我兀微不至的关怀，培养我独立思考的能力，以及发现问题解决 问题的能力。从陶老师身上我学习很多尔西。 回茸两年多的研究牛学习阶段，在我人牛的经历上是一笔宝贵的财富。我 有幸拜在陶老师门下，陶老师对我的教诲，不仪是学术上的，更有做事的方法， 做人的准则，从陶老师身上我学习很多东西，这将为我将来的发展奠定良好的 基础，一日为师终牛为父，我将永远感激陶老师的培养之恩。 在做实验阶段，实验室的老师给了我很大的帮助，并且无私的为我提供实 验仪器，在技术环节也给我很多的建议，也向他们表示感谢。 同时，还要感谢我的同学吴罕、吴利明等，他们在我做课题的过程中给了 我很多的技术帮助，保证课题的顺利进行。还有我实验室的兄弟姐妹们，他们 陪我一起牛活学习、做课题。他们给了我无私的帮助，让我开心的度过了三年 时光。非常感谢你们。 最后，衷心感谢百忙之中为本论文审稿的专家、学者以及所有关心帮助过 我的人! 作者：刘瑞 2 0 0 9 年3 月 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 城市公共交通是城市建设和发展的重要组成部分，是影响围民经济和社会 发展的具有全局性、先导性的基础产业，加快城市公共交通事业的发展，也是 加快城市化进程的一项重要内容。随着城市区域不断扩大、旅游资源的发展、 城市人口的增加、道路例络的构筑、人民牛活水平的提高，以及政府“公交优 先”政策的推行，为城市公共交通事业的发展创造了良好的经营环境。随着 国民经济的飞速发展，公交系统也日新月异。4 i 仪公交车的型号彳i 断更新换代， 而且为了公司效益目前己经全部改成无人售票车。报站也由原来的由随车售票 员报站改为由报站器报站了。因此，对自动报站系统的需求也日益强烈。应用 自动报站系统即可以节省员工开支，增强公司效益。又可以利用报站器播报标 准的普通话站名，使各城市更利于交流和发展。 在现代化的城市里，公交车己经成为都市人牛活不叮替代的交通工具，它 的运行状况直接影响到人们的牛活心1 。传统的汽车报站器都是采用专用语音合 成芯片制成的。语音合成芯片受信息容量、语音音质的限制，且更换信息需专 业设备及人士。在围外发达围家公交系统中，出现了g p s 自动报站，但是g p s 报站器有自身的缺点。丰要表现在：( 1 ) 有时定位有误差，导致不能在到站时准 确的报站。( 2 ) 接收效果因地理环境而异，市区的高层楼房，电磁信号，空气污 染都比郊区要多，形成一定的不利条件。( 3 ) 价格相对比较昂贵，应用不多。因 而使研制一种新型公交自动报站器显得极为重要。木设计具有以下独特的优越 性。 ( 1 ) 存储介质好、u 盘式设计，方便便捷。存储介质为高密度、非易失性 的读写闪存存储器，存储容量大。 ( 2 ) m p 3 节目源、内容完全自己选择。 ( 3 ) 抗震性好、寿命长、电源稳定性强。 ( 4 ) 音质好，采用m p 3 语音播放技术、保证音质效果。 ( 5 ) 采用l c d 显示技术，显示效果好。 ( 6 ) 采用r f 无线识别技术，实现自动报站。 1 2 该课题的具体任务和指标 本课题要设计一款m p 3 语音格式的智能公交车自动报站系统报站采用 m p 3 格式放音，音质接近c d ，上下行站数分开设置，由用户自行设定，最多可 设上下行各8 0 站，可同时容纳8 条线路可插播广告内容，报站器自带u s b 接 口，可通过计算机高速下载报站语音，不需要专门的烧写设备，用户自己就可 以快速修改站名维护方便，利用射频识别技术自动报站。 1 2 1 木课题的丰要仟务 报站器的丰要任务有以下几点： ( 1 ) 系统的硬件电路的合理设汁。合理地选择冗器件足设计好电路的关键 所在。硬件的设计c p u 是智能仪器仪表系统的灵魂。智能仪器仪表系统的整体 性能在很大程度上取决于c p u 的先进性和灵活性。就本系统设计而言，整个系 统以一个微控制器( 单片机) 为核心来开发，木设计选用带有m p 3 解码功能的 a t 8 9 c 5 1 s n d c 芯片，该芯片具有2 k b r a m ，6 4 k b f l a s h 存储器，支持u s b 自 动下载数据。 ( 2 ) 系统的软件设计。木设计采用模块化设计系统丰要有：控制模块，键 盘模块，液晶显示模块，u s b 通信模块，m p 3 文件读取模块，无线射频模块。 ( 3 ) 系统的稳定性设计，抗t 扰性设计。 1 2 2 木设计的技术难点 ( 1 ) 硬件电路的合理设计； ( 2 ) 音质效果的保证，电子防震功能、抗震性的设计； ( 3 ) 掉电存储功能、现场保护功能的实现： ( 4 ) 程序的编写、调试； ( 5 ) 系统稳定工作的实现。 l ：2 3 本设计的技术指标 额定电源电压：d c l2 v 或d c 2 4 v ： 最大电压范围：d c 7 6 0 v ： 静态电流： 1 0 0 m a ( d c l 2 v ) ； 最大电流： 8 位) n a n df l a s h 存储器。该存储器的工作电压为2 7 3 6 v ，内部存 储结构为5 2 8 字节3 2 页4 0 9 6 块，页大小为5 2 8 字节，块大小为( 16 k b + 512 字节) 。 4 ，3 1k 9 f 1 2 0 8 读写和擦除操作的实现 对于k 9 f 12 0 8 的操作丰要有页读取和页编程操作。图4 。8 是n a n df l a s h 的标准页读取时序图1 2 引。具体的页读取操作如下：发命令阶段，在片选信号 c e 有效的情况下，首先命令允许信号c l e 有效，此时写入信号w e 有效，芯 片准备好信号r b 置高，表示准备好；同时向i 0 口发送读操作命令( o x 0 0 或 0 x 0 1 ) ，表示是读操作。发地址阶段，此时片选有效，地址允许信号a l e 有效， 写入信号一w e 保持有效，连续发送4 个地址字；k 9 f 12 0 8 的地址寄存器接收 到地址值后，r b 信号将维持“忙”一段时间，此后r b 变为准备好状态。最后 是数据输出阶段，每次读有效信号置低有效时，将会输出一组数据。如此往复 直到所有数据输出完毕。 伽厂、l 百一 幽4 - 8k a f l 2 0 8 读取时序图 图4 - 9 是n a n df l a s h 的标准页编程时序图【2 引。具体的页编程操作如下：发 命令阶段，向i 0 口发送页编程操作第一个命令字( 0 x 8 0 ) ，表示是页编程操作。 发地址阶段，连续发送4 个地址字，k 9 f12 0 8 的地址寄存器接收到地址值后，等 待接收数据；当数据总线发送数据后，k 9 f 1 2 0 8 连续接收数据，直到接收到页 编程的第二个命令字( 0 x l o ) ，即结束等待接收数据的状态：r b 信号将维持“忙” 一段时间，此后r b 变为准备好状态。最后总线上发出读状态命令字( 0 x 7 0 ) ，则 k 9 f 12 0 8 的命令寄存器接收并响应该命令，向i 0 口发送表示操作成功的状态数 据( 0 x 0 0 ) 或表示操作失败的状态数据( 0 x 0 1 ) c “厂_ 、厂疆刁 磊、 一一臣盈一 图4 9k a f l 2 0 8 页编样时序图 4 3 2k 9 f 1 2 0 8 与a t 8 9 c 5 1 s d n l c d 的接口连接 幽4 1 0 存储器连接图 由图4 10 可以看出k 9 f 12 0 8 的8 位数据与地址复用线与a t 8 9 c 51s n d c 的p 0 p 7 口相连，r b 口与a t 8 9 c 5 1 s n d c 的p 2 4 相连，c l e 与a t 8 9 c 5 1 s n d c 的p 2 0 相连，a l e 与a t 8 9 c 5 1 s n d c 的p 2 1 相连，w e 和w p 分别与 a t 8 9 c 5 l s n d c 的p 3 6 和p 2 3 相连。c e 与a t 8 9 c 5 l s n d c 的p 2 2 相连，r e 与a t 8 9 c 5 1 s n d c 的p 3 7 相连。 4 4 液晶的显示模块的设计及实现 传统的公交车报站器的显示模块通常采用l e d 来实现，这样的设计有许多 不便之处，由于l e d 不能显示复杂的字符等信息，所以通常这种显示器件只能 显示简单的数字信息。这样就不能准确的显示到站信息、站台名称等。本设计 采用l c d 作为显示器件比l e d 有着明显的优势【19 1 。在小规模图形液晶显示模 块上使用液晶显示驱动控制器组成液晶显示驱动和控制系统，是当今低成木， 低功耗，高集成化设计的最好选择，s e d15 2 0 是当前最常用的一种液晶显示驱 动控制器，这类图形液晶显示模块的规模为3 2 行，本文用到的液晶模块 c m l2 2 3 2 即是内置s e d l5 2 0 的液晶显示模块，该模块的驱动控制系统由两片 s e d l 5 2 0 组成。 4 4 1l c d 的结构介绍 c ml2 2 3 2 的实物图如图4 11 所示。 2 0 啐 i 一 饼 飞一一一一一。嗡一。一一一一一一l翌j。 一 。；。：。 l 堇|妻霞一葡 ，|兰驴 幽4 1 l 【c d 实物蚓 c m l 2 2 3 2 的基本特征 丰要技术参数和性能： ( 1 ) 电源：+ 5 v ： ( 2 ) s t n 正视反射模式： ( 3 ) 显示模式：黄绿膜、灰膜、蓝膜、黑白膜： ( 4 ) 显示角度：6 点钟直说： ( 5 ) 驱动方式：1 3 2 d u t y ，i 6 b i a s ； ( 6 ) 工作温度：2 0 一十7 0 ，存储温度：3 0 一+ 8 0 ( 7 ) 背光特性：l e d 背光( 黄绿色、蓝色、自也、红也) ： ( 8 ) 功耗：1 m a ， 4 42 液品驱动电路的搭建 由f 所用的图形点阵液品块内置手s e d l 5 2 0 拄制器，所以，其电路特性实 际上械是s e d l 5 2 0 的电路特性。s e d l 5 2 0 的卡要特性如f ：具有液品址示行驱 动器，具有l6 路行驱动输出，井可级日) 实现3 2 行驸动具自液晶显示列驱动 器共有6 t 路列骄动输出内置时序发牛器，其占卒比可设置为1 1 6 和l 3 2 两种，内减船示存储器，缸目i 存储器内的数据可卣接显示，”】 为址不，0 为 小显不。接u 总线时j 町适配8 0 8 0 系列或m 6 8 0 0 系列，井可电接计算机接 u 。操作简单，有l3 条撺制指令。采“jc m o s j 。艺可存l uj 低争24 - 70 v h j 上【三常工作，功耗仪3 0 9 w 。 l c d 与a t 8 9 c 5 i s n d l 的连接原理l 冬1 如阁4 1 2 所u ；。 州4 1 2l c d 琏姣原理幽 c m j 2 2 3 2 1 l c m 的移j 始化步骤： ( 1 ) 复位( 命令：0 x e 2 ) ： ( 2 ) 关闭显示( 命令：0 x a e ) ； ( 3 ) 驱动模式( 命令：动态一0 x a 4 ，静态一o x a 5 ) ： i 4 ) 更新频率( 命令：1 3 2 0 x a 9 ，1 1 6 0 x a 8 ) ： ( 5 ) a d cs e l e c t ( 命令：顺时钟方向0 x a 0 ，逆时钟方向一0 x a l ) ( 6 ) r e a d m o d i f y w r i t e m o d e ( 命令：0 x e e j ； ( 7 ) 初始化列位簧( 命令：一0 x 0 0 ) ，初始化行( 命令：一0 x c 0 ) ，设置为 0 行0 列： ( 8 ) 开显示( 命令：0 x a f ) 。 液晶模块的设计具体实现的重点是如何从存放有字符韵r o m 块中读出数 据，并按照液晶的时序止确的写入。 4 5 射频识别模块的设计 451c c 2 5 0 0 介绍 术教训选择的c c 2 5 0 是业界体积最小、功耗最少、外围元件的低成本射频 系统级芯片之一，c c 2 5 0 0 芯片是c h i p e o n 公司推出的单片无线收发一体化芯片。 工作于24 g h z 全球开放i s m ( 工业、科学、医学) 频段，满足多点通信和跳频 通信需要，工作电压为l9 36 v 低功耗，外围元件极少内置硬件c r c ( 循 环冗余校验) 和点对多点通信地址控制。该芯片集成r 儿乎所有的射频收发器 模块，包括可编程的相同步逻辑合成器( p l l ) 、射频功率放大器( p a ) 、低噪 声放大器( l n a ) 、基带滤波器和放人器以及i q 解调器等。主要工作参数大部 可通过芯片状态字由j | j p 根据需要自行配置，没有复杂的通信阱议，他完全对 用户透明，爿同种产品之间u r 以自由通信。实物如图4 13 所示。c c 2 5 0 0 的引脚 如图4 1 4 所示。 熟 图4 - 1 3c c 2 5 0 0 实物图囤4 - 1 4c c 2 5 0 0 引脚图 日；脚功能如表4 1 所示： 驻麓巍 鬻嚣一 表4 1 引脚功能幽 引脚 引脚名引脚类型描述 编号 1s c l k 数字输入连续西己置接口，时钟输入 连续西己置接口，数据输出 2s o ( g d 0 1 )数字输出 当c s n 为高时为可选的一般输出脚 一般用途的数字输出脚： 测试信号 3g d 0 2 数字输出f i f o 状态信号 时钟输出，从x o s c 向下分割 连续输入t x 数据 数字i o 芹t l 数字中心电压凋箝器的 4d v d d 功率 1 8 v - 3 6 v 数字功率供给输出 5d c o u p l 功率对退耦的1 6 v 2 0 v 数字功率供给输出 一般用途的数字输出脚： g d o o 测试信号；f i f o 状态信号： 6 数字i o ( a t e s t )时钟输出，从x o s c 向下分割 连续输入t x 数据 7c s n 数字输入连续配置接口，芯片选择 8 x o s c q 1模拟i o晶体振荡器脚1 ，或外部时钟输入 9a v d d 功率。1 8 v 3 6 v 模拟功率供给连接 1o x o s c q 2 模拟i o晶体振荡器脚 l1a v d d 功率( 模拟)1 8 v 一3 6 v 模拟功率供给连接 接收模式下对l n a 的正r f 输入信号 12r fpr fi o 发送模式下对l n a 的正r f 输出信号 13a v d dr fi 0 接收模式下对l n a 的负r f 输入信号 4 ，5 2c c 2 5 0 0 与微控制器的连接 c c 2 5 0 0 功率可以调节，木系统选用的识别距离可达10 0 m 。在l0 0 m 内可实 现自动调节。当车辆到达车站距离为设置距离以内时，识别器能够自动识别车 站信息，并传送给微控制器，微控制器收到信息后调用相应的语音播报模块。 c c 2 5 0 0 _ 丰要通过s p i 协议和单片机进行数据传输，单片机也可以通过i o 口模拟 s p i 与c c 2 5 0 0 进行数据传输。所有配置字都是通过s p i 接口送给c c 2 5 0 0 。s i p 接 口的工作方式可通过s p l 指令进行设置。本设计中v c c 接到3 ，3 v ，其余脚都可以 直接和普通的5 v 单片机i o 口直接相连，无需电平转换。系统控制器为5i 系列 单片机所以c c 2 5 0 0 - 与控制器p o 口连接时候，需要加1o k 的上拉电阻，与其余口连 2 3 接不需要。c c 2 5 0 0 通过s p i 接口与单片机通讯，s p i ；t b 围串行接口由四条线构成： m o s i 辛机输出从机输入( 丰机写操作) m i s o 丰机输入从机输出( 丰机读操作) s c k 串行时钟信号，由丰机控f | ；t l c s n 片选信号，低电平有效图4 一l5 是c c 2 5 0 0 的 外围连接示意图。 4 6 硬件p c b 的设计 4 6 1p c b 设计的原则 c e l - z - z _ i o l 图4 1 5c c 2 5 0 0 连接示意图 p c b 的优良设计是个好的电子产品所必备的，任何p c b 设计都是在电路 原理设计完成后进行的。p c b 制作参见印制板通用规范围家标准。方案设计要 考虑到器件选择，信号完整性，信号反射，阻抗匹配与端接技术等。 对于器件选择，高频时钟要选择具有更快速度的开关驱动元器件。信号完 整性问题包括反射、过冲与下冲、震荡、串扰、地电平面反弹等。反射是信号 在传输线上传播时产牛的回波，出现反射时只有信号功率的一部分传输到导线 上并到达负载处。信号源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射，负载将一部 分电压反射回源端。如果负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负，如果负载阻抗 大于源阻抗，反射电压为正。 采用噪声容限值高的元器件，有利于提高整个设备的抗t 扰性。较t t l 而 言虽然c m o s 电路响应速度较慢，但具有最高的噪声容瞅值。在满足功能的基 础上，较慢的逻辑器件系列对于e m 工来说应该优先考虑。无论是集成电路， p c b 板还是整个系统，时钟电路是影响e m c 性能的丰要因素。集成电路的大 部分噪声都与时钟频率及其多次偕波有关。对于使用t t l 和c m o s 器件的混 合逻辑电路，由于其不同的开关保持时间，会产牛时钟、有用信号和电源的谐 波。所以最好使用同系列的逻辑器件。由于c m o s 门戳宽，大多选用c m o s 器件。未使用的c m o s 引脚应该接地线或电源。 2 4 462 报站器系统的p c b 设计 a t 8 9 c 5 1 s n d l 的的电源和地引脚之间接0l 微发的电容，使在甚片的电源 入u 处上耦，增强抗下扰能利。在其余芯片电源搜地引脚之间都秉川川拌的 冉式。电路中的模拟地a g n d 和数字地g n d 严格的分开之问通过点连接。 考虑到术设计中用到的频率达到2 0 m h z ，在模拟地与数字地之间用融珠连接。 磁珠能有效的吸收高频信号，而在低频时电阻很小。 术系统备逻辑器件有相应阔电3 r 和噪声容瞅外来噪声只要不超过逻辑器 什的敏感度阀值，系统就能正常工作。然而一旦侵入系统的噪声或t 抗超过容 瞅此t 扰信号就会被逻辑器件放大j j 兑形，成为产牛误动作的重要原凼。单片 机系统最敏感的是时钟信号、复位信号和中断信号，满足功能后应选择频率尽 可能低的晶振。a t 8 9 c 5 l s n d l 芯片要求的外接晶振源不能超出2 0 m h z 。 考虑成本本系统的布板设计中使用双层板。因层数较少，更需要合理的 安排不同类型电路之间的位置，对重要的电源线和信号线要特剐抗干扰处理。 电源电路部分放在靠右边，作为丰要丁扰源与外部开关按钮在一起。音频电路 和数字逻辑电路分开设簧，将音频电路放在下方，远离电源和晶振的t 扰。对 敏感度时钟信号线，布线时使连接线短而租振荡电路周围让地线包崮，并远 离打电流走线。设计中对中短线让其尽可能短，避免其过长导致系统电路的插 入中断过程之后。 翻4 1 6p c 8 设计蚶 设计原理目的时候，要定义元器件的封装形式。7 c 件分成有引脚和无引脚 的兀件t 引线参见电子元器件引线囤家标准。与有引脚的元件相比无引脚表 面贴装的元件奇牛效果要小得多，典型值为05 n i l 。的寄牛电感和03 p f m m 的寄，丰t 乜容。i m 有引脚线的元件育寄牛效粜，尤其在高频时，该引脚等散成r 一个小电感，大约是ln h m m 。引脚也同时具有小电容效应，大约有4 p f r n m 。 本设计大多选用选用表面贴封装元件引起的电磁干扰要小得多。设计的p c b 如 图4 1 6 所示。 4 7 本章小结 本章对报站器硬件系统的设计进行了详细的说明。丰要说明了硬件系统的 设计原则、设计方法、以及设计过程。在硬件系统设计的过程中参考大量义献， 充分考虑了系统的需求合理的选择元器件，对一些电路设计做厂改进，提高了 可靠性。作为车载电子设备抗t 扰性能是设备需要解决的蕈要问题，电子设备 在共j 司的电磁环境中，能一起执行各自功能的共存状态十分的重要，木系统电源 采用了屏蔽、隔离、滤波等多种方法来减少干扰，将外系统对本系统的_ t 扰以 及木系统对外部的t 扰减弱，通过选择抗t 扰能力强的元器件以及提高固有元 器件的抗t 扰强度等多方面设计，使系统内的部件对于敏感程度降低，提高电子 设备的抗t 扰能力和稳定性。电源系统采用开关电源调节器件l m 2 5 7 6 ，其功 耗极低不需要加装散热片，从而减少了对m c u 工作环境的有害影响。它有 3 3 v 、5 v 、12 v 、15 v 可调电压输出，本系统采用其稳定的5 v 输出，通过a m s1 117 分压、滤波取得稳定的3 3 v 电压。系统的存储模块选用存储量大的与非闪存， 能最大限度的满足容量的需要。系统的整体p c b 设计采用多种有力措施把电路 与电源隔离开，消除电路的耦合，并避免干扰信号进入电路，达到抑制- t 扰的目 的。地线设计非常短减小地线电阻，元器件布局合理减小了瓦耦，数字地和模 拟地分开，互不干扰。这些措施有力的保证了硬件系统的稳定性和可靠性，实 现了硬件系统的合理化设计，完成了预期的任务。 2 6 第五章系统的软件设计和系统的试验与调试 5 1 系统软件的总体设计工作流程 设备在未播放时处于待机状态，该状态下，除了控制c p u 外，所有外设处 于低功，或者断电状态，丰控c p u 一直检测电源按键，一旦检洲0 到该键按下， 则开始切换工作状态。进入工作状态，控制c p u 同时打开两组电源，各模块开 始工作，f 日是此音频电路处于静音控韦0 状态，以免放音器出现杂音。电源打开 后，检测播放器a t 8 9 c 5ls n d1 的初始化过程，同时a t 8 9 c 5 ls n d l 开始初始 处理，a t 8 9 c 5ls n dl 上电后，清除内部r a m 和外部r a m ，配置好定时器和 各使用的中断源，i 0 口，a t 8 9 c 5 1 s n d l 通过判断状态寄存器的不同变化，完 成u 盘的枚举过程，一旦枚举完成，则a t 8 9 c 5 ls n d l 的外设识别结束，c p u 播放语音就绪。如果有播放命令即开始播放m p 3 语音信息。 幽5 - 1 软什系统组成幽 根据系统功能的构成，软件可分为主控程序、m p 3 语音播放程序、u 盘程 序等丰要结构，而提供支持的则有文件系统和f l a s h 读写程序。还有用于交瓦 的串口通讯、l c d 显示、键盘控制、射频识别等程序。软件的构成如图5 1 所 示。 5 2a t 8 9 c 5 1 s n d l 的固件设计 人机接口设备( h i d ) 类是w i n d o w s 完全支持的u s b 总线设备类型中的一 种。对于丰机的驱动和h i d 通信，设备必须使用相应的固件程序来满足一定的 要求，通过固件程序的调度，丰机才可以得到设备的描述符以及完成端点数据 的传输【23 1 。固件程序设计丰要包括三个方面： ( 1 ) 初始化，包括处理器和外围电路的初始化； ( 2 ) 丰函数，包括完成符合设备特定要求的代码： ( 3 ) 中断处理，包括处理各种中断的程序代码。 5 2 1 固件程序结构框架 对于所有的u s b 人际接口设备( h i d ) 来说，它们的应用都遵循着同样的肩 动过程这个过程如图5 2 所示。 ，主、 (使能中断) 一 、 ( 圭堡! ) 图5 2 同什结构框幽 ( 1 ) 设备的接入 当u s b 总线设备连接到总线上时，它虽然被供电了，但这时它并不起任何 作用，而是在等待着总线复位。 ( 2 ) 总线复位 当有新的u s b 总线设备接入时，丰机检测到这个新u s b 总线设备并复位 它。总线复位过程见图5 2 所示。 ( 3 ) 枚举 丰机发送一个后跟i n 包的s e t u p 包，这个包从地址0 读取设备描述符。 当丰机收到描述符后，它就会给该设备分配一个新的u s b 地址。然后设备与丰 机进行通信，同时丰机继续从设备描述符、配置描述符及其他的描述符中得知 设备的信息。通过从设备返回的信启、，丰机能知道该设备支持的端点数。这时， 枚举过程就完成了。 要辛机识别一个u s b 设备必须经过枚举的过程，丰机使用总线来识别和管 理必要的设备状态变化。在这个过程中，所有的u s b 设备在上电时都被赋予一 个缺省地址0 0 0 0 0 0 0 b ，同时把它们的端点0 缺省为控制端点对( 发送和接收对) 。 5 2 2 端点配置程序设计 前面已经提到固件的程序结构框架可基于中断或基于查询方式，这里以查 询方式为例。对于一个u s bm a s s s t o r a g e 设备而言，必须支持3 个端点的数据 处理。 0 号端点：控制端点用于控制传输，丰机通过与端点0 相对应的管道来读 取设备描述符，完成对设备地址的设置，并完成配置。此端点为双向数据传输 端点。 2 8 两个非0 端点：批量传输端点。这种端点为单向数据传输端点，分别为 b u l k l n 端点和b u l lo u t 端点。 a t 8 9 c 5 1 s n d l 提供m a s s s t o r a g e 设备工作在批量传输时所需要的3 个端点。 在程序中，循环读取中断状态寄存器，如图4 - 6 所示，a t 8 9 c 51s n d1 的芯片资 料中说明了此芯片提供了一个端点中断寄存器u e p i n t ，此寄存器标识了3 个 端点的状态，如果某个端点完成了相应的操作，就会引发中断。因此，在一个 循环中，茸先要检测端点中断寄存器u e p i n t 的状态，然后根据其相应位的情 况转向对应的中断处理。最后清除寄存器的当前值，进入下一轮循环。 a t 8 9 c 51s n d1 提供的3 个端点如下： ( 1 ) e n d p o i n t 0 ：3 2 b y t e s ，c o n t r o li n o u t ( 2 ) e n d p o i n t l ：6 4 b y t e s ，b u l k i n ( 3 ) e n d p o i n t 2 ：6 4 b y t e s ，b u l ko u t 端点流程图如图5 3 所示。 ( 丌始 ) ( u s b 黼j 器初始 (器初始化) y 一y 糊：断处理 奎多y 端点2 三断处理 n 厂、幸+ 、 源代码如下： v o i de n a b l e i n i t ( ) 图5 3 端点程序流科图 2 9 p r i n t f ( “初始化n ”) ； f o r m a t f a t l 6 m e d i a o ； a t m e lu s bi n i t ( 0 ，2 ，o ) ：u s b 控制器初始化 e p e n a b l e ( ) ；端点初始化 u e p n u m = 0 ： w h i l e ( 1 ) 无限循环 i f f u e p i n t & e p o i n t ) e p o i n t ( ) ；处理控制端点 i f ( u e p i n t & e p 1i n t lm a i n - - t x d o n e ( ) ；处碑b u l li n 端点 i “u e p i n t t & e p 2 i n t ) m a i n r x d o n e ( ) ；处理b u l lo u t 端点 u e p i n t = 0 ；清端点中断寄存器 ) 5 2 3 设备配置阶段程序设计 当u s b 设备初次插入u s b 总线时，u s b 主机会通过一系列的动作对u s b 设备进行配置。在u s b 设备配置的过程中，u s b 丰机会发送一系列的s e t u p 包 来对设备进行访问或配置，当u s b 的电镀设备收到u s b 丰机发送端点s e t u p 包时，u s b 设备首先判断s e t u p 包中包含的请求类型信息，然后根据不同的请 求类型转入不同的标准请求的处理程序。 u s b 设备对s e t u p 包的处理函数如下 v o i du s b r e a d r e q u e s t ( v o i d ) ( b m r e q u e s t t y p e = u s b r e a d b y t e ( ) ； s w i c h ( u s b r e a d b y t e ( ) ) c a s eg e t d e s c r i p t o r ：u s b g e t d e s e r i p t o r ( ) ；b e a k ； c a s eg e t c o n f i g u r a t i o n ：u s b g e t c o n n g u r a t i o n ( )