（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式系统的导盲辅具研究与设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 导盲辅具是为盲人及视觉障碍者提供在室外环境中躲避障碍、安全行走的辅 助工具。人的各项活动中有7 0 以上依赖视觉，一旦视觉发生障碍，不仅给生活、 学业与工作带来种种问题，甚至寸步难行，因此导盲辅具成为视障者一个重要的 生活必需品。目前使用最普遍的导盲辅具为盲杖，盲杖的实质是将盲人的手臂触 觉延长，使盲人能了解自己身体周围地面的情况，但有前进速度慢，探测障碍物 有漏洞等缺点。设计一种新型实用的行走导盲辅具是很有意义的。 本文的主要工作和研究内容如下： ( 1 ) 首先介绍了导盲辅具系统研究的背景及国内外发展现状、研究动态。近 十几年来，国内外有人开始运用现有科技开发“电子导盲辅具”( e l e c t r i ct r a v e la i d s ， e t a ) ，但多半仍有价格昂贵、信息处理速度缓慢、人机界面不友好等许多缺点有 待改进。 ( 2 ) 导盲辅具总体设计。本文在研究国内外导盲辅具的基础上，讨论了盲人 定向行走训练原理，分析了导盲辅具的功能需求，确定了设计目标，即设计一种 障碍检测范围大、能提供局部定位、具有良好人机界面、成本又低的导盲辅具。 描绘了系统结构框图，整个系统由机械结构、传感器模块、人机交互模块、控制 器模块四部分组成。 ( 3 ) 研究了超声波测距原理、里程计实现相对定位的原理，研究了语音处理 技术及适用于盲人的人机交互技术。对嵌入式系统设计准则及方法进行了研究。 嵌入式系统的核心部件是处理器。处理器采用凌阳1 6 位单片机s p c e 0 6 1 a ，它具 有d s p 功能，提供凌阳音频压缩算法处理应用程序。 ( 4 ) 嵌入式系统硬件设计。主要功能模块包括：c p u 控制模块、嵌入式语音 识别应答模块、串行通信模块、传感器发射与接收模块、时钟模块等。 ( 5 ) 系统软件设计。设计适合本系统的软件框架，主要应用程序模块设计。 实现了超声波测距对障碍物探测、语音录放及识别功能。包括里程计、按键、时 山东大学硕士学位论文 钟显示、测量数据语音播报等功能已经成功用于多个研究项目。 2 关键词：行走导盲辅具；超声波测距：嵌入式系统 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t r a v e la i d sh a v eb e e nd e v e l o p e dt oa s s i s tt h eb l i n da n dt h ev i s u a l l yi m p a i r e d n e g o t i a t eo b s t a c l ef i l l e dr o u t e so ft r a v e li n 觚o u t d o o re n v i r o n m e n t m o r et h a n7 0 p e r c e n to fh u m a nd a i l ya c t i v i t i e sr e l yo nv i s i o n i fp e o p l eg e ts i g h tp r o b l e mo rl o s et h e i r s i g h t s ，t h e yc a n td oa n y t h i n ga ta 1 1 t h e r e f o r e ，t r a v e la i d sa r ev e r yi m p o r t a n tn e c e s s i t i e s f o rt h eb l i n d a tp r e s e n lt h em o s tp o p u l a rt r a v e la i d su s e du n i v e r s a l l ya r ew h i t ec a n e s w h i c hd e t e c to b s t a c l e sb yk n o c k i n gg r o u n d b u tk n o c k i n gg r o u n dm a k e sw a l k i n gs p e e d s l o wa n dd e t e c t i o n m i s s i n ge a s i l y d e s i g nan e wp r a c t i c a lt r a v e la i d si sv e r ys i g n i f i c a n t t h em a i nc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ： f i r s t l y , i n t r o d u c e dt h ei m p o r t a n tm e a n i n go ft r a v e la i d s ，p r e s e n tr e s e a r c hc o n d i t i o n a n dd e v e l o pt r e n d i nr e c e n ty e a r s ，s o m el a b o r a t o r i e ss t a r tt od e v e l o pan e wt y p eo f t r a v e la i dc a l l e de l e c t r i ct r a v e la i d s ( e t a ) u pt on o w , e t ai ss t i l ld e v e l o p i n ga n dt h e r e a r em a n yd r a w b a c k ss u c ha ss l o wd a t a p r o c e s s i n g ，h i g hp r i c e ，a n df a i l u r et od e t e c th o l e s e t c s e c o n d l y , t h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mi sg i v e n ，a n dt h ep r i n c i p l eo fb l i n d o r i e n t a t i o na n dm o b i l i t yt r a i n i n gi sd i s c u s s e d ，a n dt h er e q u i r e m e n t so ft h eg u i d a n c e s y s t e mi sa n a l y s e d i nt h i sw o r k , w ed e v e l o pan e wt y p eo fe t a ，w h i c hc a nd e t e c t o b s t a c l e si nf r o n to fal a r g e r a n g ea n dp r o v i d el o c a lp o s i t i o n i n g ，w i t hg o o d m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，l o wc o s t t h i r d l y , t h ep r i n c i p a lt h e o r yo fu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n td i s t a n c ea n ds p e e c hs i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o nt e c h n o l o g ya r ea n a l y s e da n d r e s e a r c h e d e m b e d d e ds y s t e md e s i g nc r i t e r i aa n dm e t h o d sw e r es t u d i e d s u n p l u s16 - b i t m i c r o c o n t r o l l e rs p c e 0 6 1 a , i th a sad s p f u n c t i o n ，p r o v i d e ss u n p l u sa u d i oc o m p r e s s i o n a l g o r i t h mp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s f o u r t h l y , w ep r e s e n ta l lt h ec i r c u i tm o d u l e so ft h ed e v e l o ps y s t e m ，w h i c hi n c l u d e m a i nc o n t r o lm o d u l e ，s p e e c hr e c o g n i t i o nm o d u l e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s e n s o r t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rm o d u l e ，c l o c km o d u l ee t c f i n a l l y , t h es o f t w a r eo ft h i st e s ts y s t e mi sd e v e l o p e d i ti n c l u d ef r a m e w o r kf o rt h e s y s t e m ，t h ep r i m a r ya p p l i c a t i o nm o d u l e , t h eu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n tm o d u l e ， 3 山东大学硕士学位论文 v o i c er e c o r d i n ga n dr e c o g n i t i o nm o d u l e m a n yf u n c t i o ns u c ha so d o m e t e r , k e y p r o c e s s i n g ，c l o c kd i s p l a y , m e a s u r e m e n td a t av o i c eb r o a d c a s th a v eb e e ns u c c e s s f u l l y u s e di ns e v e r a lr e s e a r c hp r o j e c t s 4 k e yw o r d s ：e l e c t r i ct r a v e la i d s ；u l t r a s o n i cs e n s o r s ；e m b e d d e ds y s t e m 山东大学硕士学位论文 e t a c p u m c u e m p u r t o s s o c g p s r f i d i s p c a g c a p i f s m 1 2 c i c e m i c u a r t 缩略词说明 电子导盲辅具( e l e c t r i ct r a v e la i d s ，e t a ) 中央处理器( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t , m c u ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o e e s s o ru n i t , e m p u ) 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 欧盟公民救援与防护中心( i n s t i t u t ef o rt h ep r o t e c t i o na n dt h es e c u r i t yo f t h ec i t i z e n ，i p s c ) 自动增益控制( a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l ，a g c ) 应用程序编程接口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) 有限状态机( f i n i t es t a t em a c h i n e ，f s m ) p h i l i p s 公司开发的两线式串行总线( i n t e r i n t e 孕a t e dc i r c u i t ，1 2 c 或i i c ) 内置在线仿真板o n c i r c u i te m u l a t o r ，i c e ) 麦克风 通用异步接收发送器( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v 酬t r a i l s m i t t u a r t ) 5 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 导盲辅具研究的目的及意义 中国目前约有5 0 0 万盲人，占世界盲人总数的1 8 ，每年约有4 5 万人失明，这 意味着几乎每分钟就会出现一例新的盲人。至u 2 0 2 0 年，预计中国盲人人数将达到 2 0 0 0 万【l 】。人的各项活动中有7 0 以上依赖视觉，一旦视觉发生障碍，不仅给生活、 学业与工作带来种种问题，甚至寸步难行，因此导盲辅具成为视障者一个重要的 生活必需品。现在盲人使用最普及的行走辅具是盲杖。盲杖作为盲人行走的辅助 工具已有悠久的历史。圣经中记述：伊萨克的视力薄弱，曾用类似牧羊人手杖 作为辅助行走的工具。这就是盲人使用盲杖最早的文字记载。在第一次世界大战 后盲人开始使用短的白色手杖，以后这种短的白色手杖便成为盲人的一种特殊标 记。二战后，美国的r i c h a r dh o o v e r 认为这种手杖实际是一个能起到支撑身体作用 的手杖，盲人更需要的是能够延伸或延长他们触觉的一种工具，有类似“触角”的功 能，所以h o o v e r 设计了一种长而轻的手杖，所以这种手杖也叫做h o o v e r s 手杖。随 着社会的发展和盲人对盲杖应用的实践，促进盲杖的结构和使用方法有了长足的 改进。由起初的树枝、藤条或竹竿等简单的棍棒，逐步演变成更具应用效能的弯 把式盲杖、直段式盲杖、折叠式盲杖、红白相间的盲枝等，充分发挥出盲杖对盲 人行走的辅助作用。 定向行走对盲人的正常生活非常重要。国内外研究都表吲2 弓】，盲童开展早期 的定向行走技能训练能有效地克服他们成人后各种恐惧心理养成良好的心理卫生 习惯，从而扩大就业广度和机会。因此，盲童只有正常地行走，才能有正常的生 活方式，才能够走向社会、融入社会，才能奉献于社会。 盲杖是目前最为普遍的导盲辅具，它是我国唯一有国家标准的盲人行走辅具。 按照我国残疾人辅具网站上介绍的使用方法及训练规程进行训练，需经过几个月 的实践才能达到较好的使用效果。其价格格低，使用方便，但存在三个缺点：一 是它仅对路面上的静态障碍物、空洞实现检测，对一定高度的横向条状物、高台 等往往检测不到。二是检测范围小，约0 5 米，无法检测几米之外快速移动的障碍 6 山东大学硕士学位论文 物，对盲人的行走安全还不能保障。三是无定位能力，在平坦的广场上行走，没 有障碍也失去了“路标。 导盲犬引导方式是非常有效的导盲辅助方式，在国外有一百多年的历史，在 大多数国家和地区导盲犬可以进入任何公共场所。世界上有导盲犬最多的国家是 美国，大约有1 万只，英国4 千多只，德国l 千多只，在比较普及的日本才近千 只。在中国大陆，训练导盲犬起步较晚，还没有推广使用导盲犬的报道，仅仅出 现在残奥会开幕式上，导盲犬的使用只是象征性的。导盲犬的培训时间约十八个 月，综合培训费用达两万多美元，工作寿命八年左右【4 】，因此导盲犬难以普及。 我国导盲设施建设是随着无障碍设计规范的提出与制定开始的。2 0 0 1 年出版 的中华人民共和国行业标准城市道路和建筑物无障碍设计规范对盲道及其路 砖的设计均有明文规定：指引向前行走的行进盲道由“条形盲道路砖”铺设，在行 进盲道的起点、终点和转变处由“圆点形提示盲道路砖 铺设；此外，在人行横 道入口、地铁入口、汽车站牌一侧等处应铺设“圆点形提示盲道路砖”。这样的盲 道作用究竟怎样? 据报道曾有人对盲人医师作过调查，答复是：“现在的盲道导盲 效果差，时常因不辨方向而走错路。 目前盲道普遍存在以下几个问题【5 叫：第一，盲道设计施工中存在的问题。一 是没有严格按规范设计，二是施工者对盲道不了解，随意更改设计，如将盲道地 面砖用作装饰地面砖，三是施工者没有严格按设计图纸施工。有的盲道断断续续， 没有拐弯连接，有的盲道坡度过陡不利于盲人行走。第二，盲道使用与维护中存 在的问题。社会公众无障碍意识薄弱，随意损坏、占用盲道，如图1 1 所示。 图1 1 盲道上的障碍物 7 山东大学硕士学位论文 由于对盲道监管不力，盲道上出现了广告牌、电话亭等建筑物，一些盲道长期被 小商小贩占用，有的盲道损坏也不能及时维修，使得盲道的效益大大降低。第三， 盲道导盲方式本身存在的缺陷。现行的盲道是依靠盲人的脚对盲道砖不同表面的 感觉来辨识盲道的，辨识效果有局限性，特别是在冬季，穿硬质厚底鞋的时候， 增加了辨识难度。现行盲道信息少，在提示盲道上缺少盲文或语音路标提示信息 等等。因此，开发方便实用且可大量制造的低成本导盲机器就成为重要的研究课 题，本文的研究具有十分重要的经济意义和广阔的应用前景。 1 2 行走导盲辅具的发展及现状 电子导盲辅具( e l e c t r i ct r a v e la i d s ，e t a ) 的发展有四十多年的历史。导盲辅具 可分为自主式与引导式两大类，可以认为它们分别是对导盲手杖与导盲犬的发展。 电子导盲辅具一般带有传感器，如超声波式、激光式、图像式。按提供的环境信 息可分为两类：一类是引导式模式( ( g u i d a n c em o d e ) ，道路前面一定距离有障碍 物时，发出不同的声音信息；一类是全景模式( i m a g em o d e ) ，为使用者构建出一 幅它们所处环境的图像( 声音或触觉) 。下面介绍几种导盲辅具 7 舶】： 1 手杖式 传感器采用超声或激光，安装在盲杖上或戴在头，如图1 2 所示；但只注重局 部性闪避障碍物而不考虑全面性导航。 图1 2 英国s o u n df o r e s i g h t ”u l t r a c a n e ”超音波手杖 浙江隆光电子器件有限公司生产的l g i i 集成电路超声导盲镜是利用超声波 脉冲反射法和超声波回声测距技术来帮助盲人在行走中发现障碍物的设备。它的 山东大学硕士学位论文 主要元件安装在眼镜架上，由超声波发射器发出超声波，遇到障碍物时超声波会 被反射回来，由接收换能器把超声波转换为电能，再转换为低频信号，根据探测 距离发出不同频率的鸣叫声，以提醒盲人，确保行走安全。 2 机器人导引式 移动式机器人( m o b i l er o b o t ) 都具备有多种探测传感器、较强的信息处理能力， 在复杂的室内或室外环境中能进行自主性的导航，移动式机器人可用于导盲。移 动式机器人包括轮式机器人和四足机器人。 3 穿戴式 穿戴式行进辅具它直接传感器穿载在盲人腰带上，不需要移动式机器人的动 力系统，使用者成为半被动地接收系统指令的运动载具，比移动式机器人具有更 灵活的行动能力。可使用引导式与全景式两种模式。图1 3 所示为美国某大学研制 的穿戴式行进辅具( n a v b c l t ) 。 图1 3 美国某大学研制的穿戴式行进辅具( n a v b e l t ) 4 轮式导引手杖 导引式手杖是在拐杖的末梢接上一具载有许多传感器、小型控制计算机，有 导轮的移动式平台。它其实是将原移动式机器人的动力系统移除，保留其智能感 测的部分。导引式手杖如图1 4 所示。 占 黥。一。墨，峨一廓。一一墨j， 山东大学硕士学位论文 。趱 5 利用通讯网络导盲 1 ) g p s 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 导盲。德国一家公司研制 出一种数字导盲装置，一个只有香烟盒大小的差分全球卫星定位系统用卫星信号， 计算出盲人所在的位置( 精度高于5 0 厘米) 。盲人用话筒向身上微电脑输入预定 的目标，电脑在电子地图上找到当前的位置、目标和方便的步行路线，由语音合 成装置发出如何走的指令，使盲人走到目的地。该系统还有加速度传感器、电子 罗盘和步测计，在全球卫星定位系统接收机接收卫星信号受到干扰时，这些装置 可计算出盲人所在的位置，向救援中心报警。 2 ) 无限射频r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 导盲系统。意大利一座小镇 建设的电子导航系统帮助盲人或是外地游客知道自己身在何处。从2 0 0 7 年秋天开 始，位于意大利i s p r a 的欧盟公民救援与防护中心( i s p c ) 开始在意大利北部的 l a v e n om o m b e u o 的人行道上植入1 2 6 0 枚电子标签，并将其与s e s a m o n e t 网络 进行连接。位于盲人手杖顶部的天线激活其经过r f i d 芯片，芯片就会通过无线射 频信号将一个惟一的标签号码传送给其随身携带的智能手机。该智能手机上装配 有导航信息数据库，可将标签的号码映射到其当前所处的位置。通过手机上的蓝 牙耳机，盲人就会收到关于位置和周围环境情况的具体的信息。 台湾科技学院电子系学生赖昱勋、叶峻利、曾纪凯和周子皓所设计研发出 “r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 与无线电盲人辅助系统”。此项研发主要将 l o 山东大学硕士学位论文 导盲系统移植入手仗中，时时告知盲人所在路名、前方红绿灯标志、路口两侧距 离及实时剩余秒数。这种新式盲人手杖的设计，主要是利用手杖中的感应器来侦 测预先埋设好电子卷标( t a g i t ) f l 勺导盲砖，并将电子卷标码转为语音路标，之后再 透过耳机来告知盲人所在位置，达到定位的功能，此种系统将来也可用于帮助色 盲人分辨灯号。 3 ) 手机语音导盲 手机语音主要是用于城市方位的告知。当盲人迷路时，通过按预先设置的导 盲键向服务商发出求助信息，获知当前位置。此方式要求手机支持w a p 上网功能， 不便于行进中的实时导盲，而且费用相对较高。北京捷通华声语音技术有限公司 为盲人研制出盲人手机导航装置。 1 3 课题简介及论文安排 本论文的目标是设计一种障碍检测范围大、能导航、具有良好的人机界面、 安全而又成本低的导盲辅具。除了能探测路面状况，还能检测到高于腰部以上的 障碍物以及前方十米远的移动物。使用者获取传感器感测信息的方式有：手的触 觉感知手柄震动，不同方向的障碍物对应不同的频率声音，按指令提供语音提示。 有4 至6 个按键供使用者用于控制操作导盲辅具。即使使用较普通的盲杖，也需 有个训练、实践的过程，该辅具还具有辅助训练的功能。机械结构采用轮式结构， 无电机驱动部分，使用者推动前进，重量与成本大大降低。本文主要包括以下几 个方面： 第1 章：绪论。介绍了导盲辅具系统研究的背景和意义，导盲发展现状和国 内外研究动态，以及论文研究内容和组织结构。 第2 章：课题相关理论综述。对嵌入式系统组成、特点以及嵌入式系统设计 开发一般方法进行了综述。介绍了传感器测距原理，对人机交互技术、语音处理 技术、定位技术也做了简单介绍。 第3 章：系统总体方案设计。本章研究了行走导盲辅具的原理，进行了功能 需求分析，提出了系统总体构架，描述了导盲系统硬件体系结构。 第4 章：嵌入式系统硬件设计。主要功能模块包括：c p u 控制模块、嵌入式 山东大学硕士学位论文 语音识别应答模块、串行通信模块、超声波发射与接收模块、按键模块、时钟模 块等。 第5 章：嵌入式系统软件设计。对系统软件进行了分析设计，对各个应用软 件模块进行了设计。 第6 章：模拟实验与调试。 第7 章：总结与展望。对本文进行了总结，指出本文的创新之处和不足之处， 并对下一步的研究方向进行了展望。 1 2 山东大学硕士学位论文 第2 章课题相关理论综述 本章介绍了嵌入式系统的设计准则及开发方法，论述了超声波测距原理、适 用于盲人的人机交互技术及定位技术。 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。i e e e ( 国际电气和电子 工程师协会) 对嵌入式系统的定义是：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助 装置、机器和设备运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r 0 1 m o n i t o ro ra s s i s tt h e o p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。从中可以看出嵌入式系统是软件和 硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。国内普遍认同的定义是：以应用为 中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【15 1 。 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途来设计的。与通用计算机系 统相比有几个重要特征： 1 ) 是“专用计算机系统，其中的硬件系统和软件系统的结合非常紧密，一 般要针对硬件进行系统的移植。软件要求固化存储，以提高速度。 2 ) 系统内核小，系统精简，比通用p c 系统资源少。从经济及安全考虑，成本 低、结构简单，不要求功能设计及实现过于复杂。 4 ) 使用实时操作系统软件。嵌入式软件开发要走向标准化就必须使用多任务 的操作系统。 5 ) 嵌入式系统开发需要专用的开发工具和方法。 2 嵌入式系统的组成及分类 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，分类一般也可从硬件及软件进行划 分。 山东大学硕士学位论文 i !i i j 鼍 1 ) 嵌入式系统的硬件 从硬件方面看，嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中最核心的部分。目前，世 界上嵌入式处理器已经超过一千种，流行体系结构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。 可以分成下面几类： 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i tm c u ) 。8 位微控制器俗称单片机， 比较有代表性的是m c s 5 1 、6 8 k 、f 8 系列及a t m e l 推出的a v r 单片机等等。 1 6 位微控制器m c s 8 0 9 6 是在2 0 世纪8 0 年代中期制造出来的，后又产生了 8 0 c 1 9 6 2 9 6 ，其他1 6 位微控制器还有s a b l 6 7 、c 1 6 6 系列。台湾凌阳公司 的s p c e 0 6 1 a 、s p m c 7 0 1 系列等。 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 。目前主要的类 型有a r m s t r o n g a r m 、6 8 0 0 0 、3 8 5 e x 、s c - 4 0 0 系列等。 常用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r , e d s p ) 。目前最为广泛应用的是t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列。 令高度集成的嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。 2 ) 嵌入式系统软件 从软件方面进行划分，按软件规模可分为大系统、中系统、小系统；按软件 实时性需求可分为：非实时系统、软实时系统、硬实时系统。 2 1 2 嵌入式系统开发方法0 1 乒1 7 】 1 嵌入式系统设计的一般方法 在嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程为如图2 1 所示的过程： 1 4 山东大学硕士学位论文 图2 1 嵌入式系统开发流程图 2 传统的嵌入式系统开发方法 传统的嵌入式系统开发采用的是软件开发与硬件开发分离的方式，其过程可 描述如下： ( 1 ) 需求分析。对客户所需产品的功能和特征进行非形式描述叫做需求， 进一步对需求进行提炼得到系统的规格说明，应包含进行系统体系结 构设计所需要的足够的信息。需求不但包括功能部分还包括非功能部 分，非功能需求包括性能、成本价格、系统的尺寸及重量、功耗等。 ( 2 ) 体系结构设计。体系结构是系统整体结构的一个计划，描述如何实现 那些功能。体系结构定义了系统最主要的模块及功能，决定了界面、 总线结构、硬件及软件功能。： ( 3 ) 微处理器选择。处理器的选择是嵌入式系统设计最重要也是最难的的 步骤之一。有多种方法来比较微处理器，包括技术性的和非技术性的。 需要考虑的重要因素包括微处理器的性能、成本、功率、软件开发工 具、可利用的软件资源、实时操作系统的选择等。 ( 4 ) 硬件设计与测试。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 软件设计、开发、调试、测试。 ( 6 ) 系统集成：软硬件集成。嵌入式系统设计最关键的一个步骤是硬件与 软件的集成。在集成过程中通常可以发现错误。早做比晚做好，防止 避免在坏的硬件上调试坏的软件，或在好的软件上调试坏的软件，以 避免浪费调试时间。 ( 7 ) 集成测试。 ( 8 ) 如系统正确，则结束，否则继续进行； ( 9 ) 若出现错误，则需对软件及硬件分别验证和修改； ( 1 0 ) 返回( 3 ) ，继续进行测试。 3 嵌入式系统软件开发的新兴技术 自从微处理器于上世纪7 0 年代商业化以来，已发展成为成熟的技术，但这个 行业是在动态、快速前进中。从整体上明确嵌入式系统开发中的许多明确趋势是 可能的，这些趋势指明了关键技术的出现，依靠这些技术，迎接解决问题时遇到 的挑战。一些关键技术如下【1 8 】： ( 1 ) 微处理器技术( m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y ) 。从最早的4 位器件至1 j 3 2 位r i s c 芯片的发展，进行嵌入式系统设计比以往有更广泛的微处理器选择余地，并必须 基于功能、规格、支持、可用性和价格来做出选择。代码移植需求跨微处理器家 族的可兼容工具和r t o s 产品。 ( 2 ) 系统架构( s y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 。以前的嵌入式系统多由一个微处理器及 一些外设组成，现在由于系统架构的的进步使得多处理器嵌入式系统变得普及。 对于单处理器系统而言，软件开发人员使用的调试技术基本相同，即：在线仿真， 片上调试，r o m 监视器和指令仿真。开发多处理器系统面临的最大困难之一是调 试问题，需要相应的调试技术。 ( 3 ) 设计构成( d e s i g nc o m p o s i t i o n ) 。早期的嵌入式系统的所有开发，包括硬 件设计与软件设计，一般由一个工程师完成。软件设计仅占全部设计工作的 5 肌1 0 。上世纪八十年代，这个比例上升到约5 0 ，到了九十年代达到7 0 8 0 。 嵌入式系统的开发由专业的硬件与软件团队合作完成。这需要硬件软件协同验证 ( h a r d w a r e s o f t w a r ec o v e r i f i c a t i o n ) 和基于主机的原型( h o s t - b a s e dp r o t o t y p i n g ) ， 以及指令集仿真器技术( i n s t r u c t i o ns e ts i m u l a t o rt e c h n o l o g y ) 等。一些低成本面向 1 6 山东大学硕士学位论文 主机的连接技术已变得普及，如大家熟悉的j a t g 接口。 。( 4 ) 软件内容( s o f t w a r ec o n t e n t ) 。早期的设计比较简单，随着系统变得日益 复杂，多任务模型在软件开发被广泛采纳，常选择购买一些标准的、商业化的实 时操作系统产品。购买的标准化软件或知识产权在设计中的比重也在增加。 ( 5 ) 编程语言。目前最流行的语言是c 语言，a d a 语言在面向防御的系统中盛 行，c + + 将要取代c 语言，j a v a 语言是专为嵌入式系统开发而设计的。 2 2 超声波测距原理 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范 围，可以分为次声波、声波、超声波、特超声波。超声波就是频率高于人类听觉 上限频率( 约2 0 l z ) 的声波，也称超声。超声检测中常用的工作频率在0 2 5 2 0 m h z 范围内。超声测距是一种非接触式的检测技术，与电磁或光学等其它方法 相比，它具有不受光线、烟雾、电磁干扰等影响的优点。因此在液位测量、机械 手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用，特别是应用于空气测距， 由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测 出来，具有很高的分辨率，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器 具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。近二、三十年，由于电子技术及 压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速发展。在无损探伤、测距、岩 体探测等方面，新的超声探测仪表不断出现，应用领域不断扩大。 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标 物体阻挡时就会发生反射，反射波称为回声。如果声波在介质中传播的速度是已 知的，而且测量到声波从声源到达目标然后返回声源的时间，从声波到目标的距 离就可以精确地计算出来。超声波一般采用压电效应或者磁致伸缩效应产生。超 声波在介质中传播的速度取决于介质本身的固有特性和边界条件。对于流体物质 ( 空气、水等) ，当超声波传播时，在介质中只有体积形变( 即拉伸形变) 而没有切变 形变发生，所以只存在超声波纵波【1 9 。2 0 1 。 超声波测距原理比较简单，一般是采用时差法。通过检测发射的超声波与其 遇到障碍物后产生回波之间的时间差f ，求出障碍物的距离d ，计算公式为： 山东大学硕士学位论文 d = c a t 2 ，c 为超声波波速，超声波波速与空气温度有关，当对测距精度要求 不高时，可以不考虑温度的影响。 2 3 人机交互技术 人机交互技术( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n i q u e s ) 是指通过计算机输入、 输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。用户界面是人机之间传递、 交换信息的接口。在现实生活中，人是通过视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉与外 界进行信息交换的。图形界面在人机交互中占主导地位，但这种交互方式过多地 依赖于视觉，使人的视觉通道造成过载。听觉通道的作用和使用的频率仅次于视 觉通道，听觉见面是多通道用户界面的一个分支。对于盲人来说，使用听觉通道 获取外界信息是最直接和有效的，另一个重要界面是触觉【2 l 】。 2 3 1 信息的显示 人脑是地球上效率最高、功能最强大、最灵活的信息处理和存储装置，来自 周围环境和身体内部各式各样的刺激被人的感官所接受，并由大脑处理。通信通 道的带宽指的是经由通道传递的信息比率。例如，人耳的带宽估计在 8 0 0 0 1 0 0 0 0 b i f f s 之间，而人眼( 视神经纤维) 为1 0 0 0 b i f f s 。这些远高于同一时间 人脑所能吸收及解释的信息量。因此感官感知的的大部分信息在到达大脑前都被 过滤掉 2 2 - 2 3 】。 信息的原始来源是一些物体、事件或环境状况，可以直接到达大脑，也可通 过中介间接到达大脑。间接感觉作为新刺激可能有两种类型：一是编码刺激，例 如，视觉或听觉显示装置；二是再生刺激，例如，电视、广播、照片、望远镜、 助听器等装置呈现的刺激。这里术语显示装置实质上指呈现信息的任何间接手段， 例如，公交交通标志、收音机或盲文印的一页纸。 在人机交互界面中，虽然图形界面目前仍然占主导地位。但是，一种通道有 优于另一种通道的内在优势。例如，对于警戒性质的作业，听觉优于视觉的倾向， 因为它具有吸引注意力的属性。表2 1 对使用视觉和听觉形式的场合进行了比较。 山东大学硕士学位论文 表2 1 对使用视觉和听觉形式的场合 使用听觉形式的场合使用视觉形式的场合 信息简单信息复杂 消息短消息长 消息以后不会被查询消息以后会再被查询 消息涉及当时的事件消息涉及空间位置 消息要求立即行动消息不要求立即行动 人员的视觉系统超负荷人员的听觉系统超负荷 太亮太过嘈杂 工作要求人们不停地走动工作允许人们在一固定位置 2 3 2 听觉显示器 听觉刺激信号声音的两个主要属性是频率和强度，物理声音的频率与人们对 音调的感觉有关，声音的强度与人们对响度的感觉有关。听觉存在屏蔽效应，即 声音环境中的某一声音降低了耳朵对另一声音的敏感度的情况。与视觉形式相比， 听觉形式对于显示信息提供了某些独特的优点。考虑人们有关的听觉信号的接受 能力，听觉显示装置的设计原则是： 1 一般原则 ? ( 1 ) 相容性。在可行的地方，信号的维度及编码采用已学或自然而然形成 的关系，例如，高频率与上或高有关。 ( 2 ) 渐进性。当表达复杂信号时，应考虑使用两个阶段的信号。一个是要 求注意的信号，用来吸引注意识别信息的基本类别；另一个是指示信 号，进一步指明精确的信息。 ( 3 ) 可分离性。听觉信号应该能很容易从同时存在的声音输入中被辨别出 来。 2 表达原则 ( 1 ) 避免听觉维度的极限。 ( 2 ) 根据周围的噪声水平设定强度。 ( 3 ) 使用间断的变化的信号。 1 9 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 不要使听觉通道超负荷。 2 3 3 特殊用途听觉显示器 有几种用听觉信息来帮助盲人在他们的环境中行动的装已经被开发出来。这 种移动辅助装置分为两类： 一是道路无障碍指示器，提供“走停 信号，来指示沿路线行走是否安全。 二是环境传感器，帮助使用者构建一幅所处环境的图像。一个例子是声波引 导器，它提供给使用者关于一个物体的三种信息：用来确定距离的频率差异信息、 方向信息和物体表面特征的信息。 2 3 4 触觉显示器 虽然人们日常生活非常依赖触觉，但这些感觉仅仅在有限程度上开发应用。 盲人的白手杖主要是利用触觉。目前触觉显示装置的主要用途用来代替听觉装置， 特别是作为耳聋者的辅助设备，以及代替视觉装置，特别是用作盲人的辅助设备。 最常用作触觉显示装置的刺激类型是机械振动或者电子脉冲。信息可以通过 机械振动来传输，所基于的物理参数有振动的位置、频率、强度及持续时间。电 子脉冲可以根据电极的位置、脉动率、持续时间、强度及相位来进行编码。 2 4 语音信号处理技术 语音信号处理技术( 简称语音处理技术或语音技术) 是建立在语音学和数字 信号处理基础之上的，对语音信号模型进行分析、存储( 编码) 、传输、识别和合 成等方面研究的一门综合性学科。它包括语音编码、语音识别、说话人识别和语 音合成四大学科分支，并由此形成语音分析技术、语音存储技术、语音识别技术 和语音合成技术四大实用技术【2 4 1 。 2 4 1 语音编码和压缩技术 数据的压缩和信源编码是同一种技术，只是名称不同而已。语音存储主要研 究数据压缩技术。 语音压缩编码按编码后所需的数据传输率可分为5 类：高速率( 3 2 k b s 以上) 、 中高速率( 1 6 3 2 k b s ) 、中速率( 4 8 1 6 k b s ) 、低速率( 1 2 , 4 8 k b s ) 和低速率 山东大学硕士学位论文 ( 1 2 k b s 以下) 。 语音压缩编码的目的：通过对数据的压缩，达到高效率存储和转换数据的结 果，即在保证一定语音质量的条件下，以最小的速率来表达和传送语音信息。 语音压缩编码的基本依据有两个：第一个依据是，从产生语音的物理机理和 语言结构的性质来看，语音信号中存在较大的冗余度。语音压缩实质上就是识别 这些冗余度，并设法去掉它们。第二个依据是利用人类听觉的某些特点。从听觉 器官的物理机理来看，人所听到的声音的动态范围和带宽受到限制。比如，存在 听觉“掩蔽”现象，即一个强的声音能够抑制另一个同时存在的弱的声音。利用 这一性质可抑制与信号同时存在的量化噪声。 语音编码方法按传统概念可分为3 类：波形编码、参数编码和混合编码。 2 4 2 语音合成技术 语音是人类最习惯、最方便的通信方式。人机语音交互是人机交互的重要课 题，机器讲话以及用用人的语音去控制机器动作已不是什么难事。语音合成与语 音识别技术为人机对话开辟了一条新的途径。语音合成研究的目的是制造种会 说话的机器，使一些以其他方式表示或存储的信息转换为语音，让人们能通过听 觉而方便的获得。语音合成的应用领域十分广泛，例如：自动报时、报警、公交 车自动报站、电话查询业务和文本校对等。语音技术还可以作为为听觉、视觉和 语音表达有障碍的残疾人的通信辅助工具。语音合成的基本原理如下： 按照说话过程中所用到的各种知识，将语音合成由浅到深分成三个层次：( 1 ) 按规则从文本到语音的合成( t e x t t o s p e e c h ) ；( 2 ) 按规则从概念到语音的合成 ( c o n c e p t t o s p