公交车报站器毕业设计.doc

公交车报站器 I 摘 要 随着城市交通的快速发展 公交汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务 而公交汽车的报站共识直接影响其服务的质量 传统报站方式是由乘务人员进 行人工报站 该方式因其效果太差和工作程度太大 在很多大城市已经被淘汰 近年来 微机技术与各种语音芯片相结合 即可完成语音的合成技术 使得公 交车报站器的实现成为可能 从而为市民提供了更加人性化得服务 公交应用 系统带给公交企的将不仅是形象的提升 也是效益的增长 本文介绍了一种公 交车报站器的系统设计原理 提出了以 61 单片机为核心 通过 4 4 键盘获取外 部指示以控制 SPR4096 语音芯片电路以及 LCD 显示的硬件设计和软件设计方 案 该系统语音音质好 功能强 成本很低 是提供公交服务的一种较好的手 段 本文首先介绍了 SPCE061A 的基本原理和开发方法 讨论了控制模块 显 示系统和存储系统的总体设计思想和实现方案 并且详细阐述了硬件系统和软 件系统的设计 硬件系统包括电源电路 控制电路 信息存储电路 显示电路 语音资源存储电路等 硬件驱动程序由开发系统提供的汇编语言库函数来实现 经过调试和仿真运行 使系统最终达到了课题设计的要求 关键词 单片机 语音处理 LCD 显示 SPR4096 沈阳工程学院毕业设计 论文 II Abstract With the rapid development of urban traffic transit buses out for people with a quick and convenient services But the consensus transit buses stops directly affects its quality of service Traditional way is by the crew stops artificial stops for its effect this way poor and working level too big in many big cities have been eliminated In recent years with various pronunciation chip microcomputer technology can complete combined speech synthesis technology makes the realization of bus stops device becomes possible and thus for citizens to provide a more humanized service Bus application system will not only bring bus enterprises but also is of image promotion of growth Benefit This paper introduces a kind of bus stops the system design principle is put forward to 61 single chip through 4 4 keyboard access external SPR4096 pronunciation chip instruction to control circuit and LCD display hardware design and software design This system voice timbre the function is strong very low cost is to provide the bus service is a good method This paper firstly introduces the basic principle and development SPCE061A methods are discussed in control module display systems and storage system design thinking and realize the overall solution and illustrates the hardware and software system design Hardware systems include power supply circuit control circuit and information storage circuit display circuit speech resources storage circuit etc Hardware driver by the development of the system provided assembler language library function to realize After testing and simulation operation the system finally achieved the topic design requirements Key Words MCU Speech Processing LCD display SPR4096 公交车报站器 III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 引言 1 2 SPCE061A 单片机简介 2 3 系统方案 6 3 1 系统设计要求 6 3 2 方案论证 6 3 3 系统硬件方案 7 3 4 系统工作原理 8 4 系统硬件设计 9 4 1 板电路设计 9 4 2 板模块电路分析 9 4 2 1 电源电路模块分析 9 4 2 2 音频输出电路模块分析 10 4 3 MSGL12864 液晶显示屏概述 12 4 4 键盘电路设计 12 4 5 SPR4096 存储模块 13 5 系统软件设计 14 5 1 SPCE061A 的指令系统和集成开发环境 IDE 14 5 1 1 指令系统 15 5 1 2 指令格式与寻址方式 16 5 2 系统程序和模块流程设计 17 结 论 26 致 谢 27 参考文献 28 附录 29 公交车报站器 1 1 引言 1 1 课题背景及研究意义 在当今社会 即使在私家车越来越多的今天 公交车仍然是人们出行的首 选 因为公交车具有方便 快捷 车票便宜等优点 本设计即是设计出一款基 于凌阳SPCE061A单片机的公交车报站器 着重研究了SPCE061A单片机的语音播 放和时间设置模块的程序编写 在公交车报站器的设计方案中 通过PC机将所 要播报的站名和服务语录制成WAVE文件并压缩 然后添加到所建立的工程中的 语音资源索引表中 同时将这些站名和服务语烧录到外扩的SPR4096模组中 再 通过获取不同的键值来播报站名和服务语 在LED显示模组上时间和日期 通过 设置键来更改时间和日期 通过本系统软件的控制 实现了公交车报站器的语 音播报和时间 日期的显示和设置功能 通过PC机等设备录制需要播放的语音 资源 将录制好的语音资源烧写到SPR4096 FLASH存储器中 然后根据键盘执行 对应的报站等功能 并且在液晶屏上显示对应信息 采用键控结构 1 2 国内外概况 随着城市交通的快速发展 公交汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务 而公交汽车的报站共识直接影响其服务的质量 传统报站方式是由乘务人员进 行人工报站 该方式因其效果太差和工作程度太大 在很多大城市已经被淘汰 近年来 微机技术与各种语音芯片相结合 即可完成语音的合成技术 使得公 交车报站器的实现成为可能 从而为市民提供了更加人性化得服务 公交应用 系统带给公交企的将不仅是形象的提升 也是效益的增长 单片机的问世和飞速发展掀起了计算机工程应用领域的一场新革命 使计 算机技术冲破了实验室和机房的界限 广泛地应用于工业控制系统 数据采集 系统 自动测试系统 网络通信系统 智能仪表和接口以及各类功能模块等广 阔领域 单片机应用系统已经成为实现许多控制系统的常规性工具 随着计算 机科学和微电子集成技术的飞速发展 单片机自身也在不断地向高层次和更大 规模发展 由于单片机应用系统的高可靠性 软 硬件的高利用系数 优异的 性价比 使它的应用范围有传统的过程控制 逐步进入数值处理 数字信号处 理以及图象处理等高技术领域 1 3 本课题所要达到的预期目的 在单片机应用系统中 常常需要将检测到的连续变化的模拟量 如温度 压力 流量 转速 声音 光亮等转换成数字信号才能用单片机中进行处理 这种将模拟量转换成数字量的过程即是A D转换 许多新型的单片机已经在片内 沈阳工程学院毕业设计 论文 2 集成了许多A D和D A转换器及PWM输出 这样就大大简化了外围电路和编程工作 在这方面 SPCE061A做得很好 ADC 的结构及工作原理 nSP单片机的内部集成了一个 10 位的 A D 转换 器 它采用逐次逼近式原理实现模 数转换 nSP中的 ADC 由以下几部分组成 10 位数 模转换器 DAC0 10 位数据缓存器 DAR0 逐次逼近寄存器 SAR 比较器 COMP 以及 ADC 控制寄存器 其输入信号有两个通道 一个由 LINE IN 通道输入 另一个由 MIC IN 通道输入 MIC IN 一般用于麦克风通道输入 对较弱的信号 一般经音频放大器 AGC Automation Gain Control 自动增益控制放大后再进 行 A D 转换 公交车报站器 3 2 SPCE061A 单片机简介 SPCE061A 是一款性价比很高的十六位单片机 它采用高性能的 nSP 内 核 具有丰富的硬件资源 并集成了 ICE 在线仿真接口 可以直接利用该接 口对芯片进行下载 烧写 仿真 调试等操作 SPCE061A 在存储器资源方面 内嵌了 32K 的 FLASH ROM 且 SPCE061A 的外围功能模块丰富 SPCE061A 能在 2 6V 3 6V 工作电压范围内工作 时钟频率为 0 32MHz 49 152MHz 较高 的工作速度使其能快速处理复杂的数字信号 因而大大地拓宽了其应用领域 SPCE061A 内嵌 2KB SRAM 和 32KB 的 FLASH ROM 有 32 位可编程的多功 能 I O 端口 两个 16 位定时器 计数器 32768Hz 实时时钟 低电压复位 监测 功能 8 通道 10 位模 数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输 入方式 双通道 10 位 DAC 方式的音频输出功能 其特性参数表如下 表 2 1 SPCE061A 特性参数表 工作电压 CPU VDD 3 0 3 6V I O VDDH为 VDD 5 5V CPU工作频率0 32 46 152MHz 数据存储器2K Word SRAM 程序存储器32K Word FLASH Rom I O端口2组16位可编程输入 输出端口 中断14个中断源 FIQ和IRQ两个中断优先级 定时器 计数器两组16位可编程定时器 计数器端口 模 数转换器7共通道10位电压ADC和单通道10位声音 ADC 数 模转换器2过10位DAC输出通道 UART一个全双工通用异步串行接口 SIO一个同步串行设备接口 节电功能具备弱振方式和睡眠方式 WatchDog功能具备清除时间周期为0 75s的看门狗 其他功能低电压复位 低电压监测 保密功能等 沈阳工程学院毕业设计 论文 4 SPCE061A的内部模块主要分为 CPU 存储模块 定时器 计数器 ADC I O接口 电源电路模块 音频电路 SPCE061A单片机的内部结构如图2 1 所示 图 2 1 SPCE061A 的内部结构图 SPCE061A单片机具有一套易学易用且效率较高的指令系统和一个使用方便 的集成开发环境 此开发环境支持C语言 可以实现C语言与汇编语言的互相调 用 并且提供了用于语音录放的库函数 只要了解了库函数的使用方法 就能 很容易地完成语音录放 所有这些都大大方便了软件开发 在单片机应用系统中 常常需要将检测到的连续变化的模拟量 如温度 压力 流量 转速 声音 光亮等转换成数字信号才能用单片机中进行处理 这种将模拟量转换成数字量的过程即是A D转换 许多新型的单片机已经在片 内集成了许多A D和D A转换器及PWM输出 这样就大大简化了外围电路和编 程工作 在这方面 SPCE061A做得很好 ADC的结构及工作原理 u nSP单片机的内部集成了一个10位的A D转换器 它采用逐次逼近式原理实现模 数转换 u nSP中的ADC由以下几部分组成 10 位数 模转换器DAC0 10位数据缓存器DAR0 逐次逼近寄存器SAR 比较器 COMP以及ADC控制寄存器 其输入信号有两个通道 一个由LINE IN通道输 入 另一个由MIC IN通道输入 MIC IN一般用于麦克风通道输入 对较弱的 信号一般经音频放大器AGC Automation Gain Control 自动增益控制放大后再 公交车报站器 5 进行A D转换 具体控制参数如表2 2所示 表 2 2 A D 转换中的量化和编码 B15B14B13 B3B2B1B0 Read mux FAL L Channel sel控制功能描述 1 10 位模 数转换未完成 0 10 位模 数转换完成 000模拟信号电压通过 MIC INO 输入 001模拟信号电压通过 MIC IN1 输入 010模拟信号电压通过 MIC IN2 输入 011模拟信号电压通过 MIC IN3 输入 100模拟信号电压通过 MIC IN4 输入 101模拟信号电压通过 MIC IN5 输入 110模拟信号电压通过 MIC IN6 输入 111模拟信号电压通过 MIC IN7 输入 SPCE061A内嵌了最新的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 CPU及其外围的基本模块构成SPCE061A的最小系统 外围基本模块包括 晶振输入模块 OSC 锁相环外围电路 PLL 复位电路 RESET 指 示灯 LED 等 SPCE061A芯片内部集成了ICE 在线仿真接口 PC机通过Probe 在线调试 器 或EZ Probe 简易下载线 与61板相连 就可以方便地完成程序的下载 调试等 61板为Probe和EZ Probe各自提供了一组接口 可通过S5跳线来选择使 用的接口类型 沈阳工程学院毕业设计 论文 6 ICE电路框图如图2 3 图 2 3 ICE 电路框图 公交车报站器 7 3 系统方案 3 1 系统设计要求 要求设计一个操作友好且成本很低的公交车报站器 具体要求如下 可以存放较多的服务用语和广告词 10 条以上 要求操作简单 每站只需按一次键即可播报全部报站内容 前方将要 到达的站名 上下车提示服务用语 要求具有跳站 上行 下行切换控制功能 要求语音播报具有 16 档音量调节功能 要求站牌信息及服务信息等都能通过液晶屏显示出来 时间 日历播报 显示和调整功能 3 2 方案论证 方案一 方案一 根据设计要求 选用 MCS51 单片机作为主控芯片 外部扩展适当大小的 RAM组成最小系统 为存储语音资源 在51单片机外围配备一块 K9F1208 FLASH 芯片 作为存储器 另外再外扩一片专用语音处理芯片 考虑到 MCS51 的 I O口资源较少 在外部使用专用接口芯片 8279管理键盘 显示器 件 框图如图 3 1 图 3 1 方案一系统框图 沈阳工程学院毕业设计 论文 8 方案二 方案二 根据设计要求 选用 SPCE061A单片机作为主控芯片 由于这颗芯片是 SOC 使用较少的外围器件就能实现最小系统 SPCE061A 芯片集成 A D D A 功能 配合语音函数库可以实现语音功能 外围扩展键盘 显示器 件 扩展 SPR4096 FLASH芯片存储语音资源 框图如图3 2 图 3 2 方案二系统框图 方案二与方案一相比具有较大优势 SPCE061A单片机是 SOC 的 只需 使用较少的外围器件即可组成最小系统 大大降低了系统的复杂性 提高了稳 定性 SPCE061A外扩SPR4096 FLASH作为语音资源存储芯片 由于两者都具 有 SIO接口 使得程序设计大大简化 SPR4096 是 4Mbit 的 NOR FLASH 可以存储设计要求的语音资源 而三星的 K9F1208是大容量的 NAND FLASH 在存储空间上严重浪费 而且 NAND FLASH 在操作起来比较复杂 增加了开发难度 3 3 系统硬件方案 方案一和方案二进行比较后 最后选择方案二作为系统硬件方案 该方案 主要包括 SPCE061A 精简开发板 SPR4096 FLASH 存储芯片 4 4 键盘 12864液晶显示屏 SPCE061A是整个设计的核心控制器件 负责控制液晶屏输 出 键盘信息的采集输入和语音资源的播报 液晶屏和 4 4 键盘主要用作人 机交互 显示报站器的信息 同时利用 16 个按键实现不同的操作 根据设计 要求 规划系统硬件结构如图3 3 公交车报站器 9 图 3 3 系统硬件结构图 其中 SID SCLK分别为12864液晶显示器的串行数据输入端和时钟输入 端 IOB0 1与SPR4096的SCK和SDA相连接 IOB8 15与4 4键盘相连接 各键盘的功能作用分配如下 KEY1 起步 用于起步语音提示控制 KEY2 到站 用于到站语音提示控制 KEY3 上 用于跳站和对设置的内容进行递增 KEY4 下 用于跳站和对设置的内容进行递减 KEY5 行向 用于播报行向 KEY6 音量 用于音量控制 KEY7 时间日历 用于播报时间日历和对时间 日历的设置进行控 制 KEY8 设置 用于行向 时间和日历的设置状态的控制 KEY9 切换行向 用于行向控制 KEY10 15 用于宣传语和广告词的播放控制 3 4 系统工作原理 通过PC机等设备录制需要播放的语音资源 将录制好的语音资源烧写到 SPR4096 FLASH存储器中 然后根据键盘执行对应的报站等功能 并且在液晶 屏上显示对应信息 采用键控结构 沈阳工程学院毕业设计 论文 10 4 系统硬件设计 4 1 61 板电路设计 61 板电路设计主要是完成 SPCE061A 单片机的最小系统设计 电源设 计和 SPCE061A 的 D A外扩功率器件设计 如图 4 1 图 4 1 61 板整体电路图 4 2 61 板模块电路分析 4 2 1 电源电路模块分析 整个系统由三节电池供电 电池盒提供的5V直流电压经过SPY0029后稳压 到3 3V后再给系统供电 因为SPCE061A单片机的工作电压位3 3V SPY0029 是凌阳公司设计的电压调整IC 采用CMOS工艺 具有静态电流低 驱动能力 强 线性调整出色等特点 图中的VDDH3为61单片机I O口的参考电压 如果跳线口J5接1 2 则I O 公交车报站器 11 口的高电平为电池盒供电电平 如果跳线口J5接2 3 则I O口高电平为 3 3V VDDP为PLL锁相环电源 接SPCE061A的7脚 VDD和VDDA分别为数 字电源与模拟电源 分别接SPCE061A的15脚和36脚 AVSS1是模拟地 接 SPCE061A的24脚 VSS是数字地 接SPCE061A的38脚 AVSS2接音频输出电 路的AVSS2 图 4 2 61 板电源电路图 4 2 2 音频输出电路模块分析 SPCE061A内置2路10位精度的DAC 只需要外接功放电路即可完成语音的 播放 如图2 5 图中的SPY0030是一款音频驱动放大芯片 可以工作在2 4 6V 范围内 两节电池即可工作 由于它的便携性而有着广泛的实际应用 SPCE061A 的音频输出采用双通道数 模转换DAC方式 即数字信号通过10位DAC转换成 3mA驱动的电流模拟信号输出 语音提示输出直接采用DAC通道 经信号放大 后 由SPEAKER 扬声器 输出 沈阳工程学院毕业设计 论文 12 图 4 3 音频输出电路原理图 4 3 MSGL12864 液晶显示屏概述 MSGL12864 是一种具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行多种接口方式 内 部含有国标一级 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块 其显示分辨率 为 128 64 内置 8192 个 16 16 点汉字 和 128 个 16 8 点 ASCII 字符集 利 用该模块灵活的接口方式和简单 方便的操作指令 可构成全中文人机交互图 形界面 可以显示 8 4 行 16 16 点阵的汉字 也可完成图形显示 低电压低 功耗是其又一显著特点 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液 晶显示模块相比 不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多 且该模块的价 格也略低于相同点阵的图形液晶模块 MSGL12864是使用HD61202及其兼容控制驱动器作为列驱动器 同时使用 HD61203作为行驱动器的液晶模块 由于HD61203不与CPU发生联系 只要提 供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号 在MSGL12864中 两片HD61202及其兼容控制驱动器的ADC均接高电平 RST也接高电平 这样在使用MSGL12864时就不必再考虑这两个引脚的作用 CSA跟HD61202 1 的CS1相连 CSB跟HD61202 2 的CS1相连 因此 CSA CSB选通组合信号为 CSA CSB 01 选通 1 CSA CSB 10选通 2 对于MSGL12864 只要供给GND Vcc和V0即可 HD61202和HD61203所 需的电源将由模块内部电路在Vcc和V0 GND的作用下产生 4 3 2 外接管脚及说明 这里所用到的管脚一共是11个 下面简单介绍下各个管脚的功能 VSS 电源地 VDD 5 0V 的电源电压 V0 液晶显示器驱动电压 D I 当D I H 表示DB7 DB0为显示数据 当D I L 表示DB7 DB0为显示指令数据 公交车报站器 13 R W 当R W H E H 数据被读到DB7 DB0 当R W L E H L 数据被写到IR或DR E 当R W L E信号下降沿 锁存DB7 DB0 当R W H E H DDRAM数据读到DB7 DB0 DB7 DB0 数据线 CSA 当为H时 选择芯片 右半屏 信号 CSB 当为 H 时 选择芯片 左半屏 信号 RST 复位信号 低电平复位 4 3 3 液晶模块与 SPCE061A 的连接图 4 4 键盘电路设计 4 4 键盘可直接与 SPCE061A 的 I O 端口连接 其电路原理图如下 沈阳工程学院毕业设计 论文 14 图 4 6 键盘输入电路 表 4 4 键盘各按键功能表 按键公交车报站状态时间设置状态 S0逐次播放上行各站提示语 每按一次按顺序播放一个无效 S1逐次播放下行各站提示语 每按一次按顺序播放一个 无效 S2播放警告用语 车辆拐弯 请注意安全 无效 S3播放提示语 车上有老弱病残孕乘客 请让座 无效 S4播放娱乐音乐或广告无效 S5进入设置时间状态设置切换 S6显示在时间 日期 年之间切换增加 S7打开或关闭数码管减小 4 5 SPR4096 存储模块 SPR4096 是一个高性能的 4M bit 512K 8 bit FLASH 分为 256 个扇区 Sector 每个扇区为 2KB SPR4096 还内置了一个 4K 8bit 的 SRAM SPR4096 内置了一个总线存储器接口和一个串行接口 它允许单片机通过 8bit 并行模式或者 1bit 串行模式访问 FLASH SRAM 存储区 本设计使用串行 模式 串行接口的工作频率可达 5MHz 有两个电源输入端 VDDI 和 公交车报站器 15 VDDQ VDDI 是给内部 FLASH 和控制逻辑供电的 VDDQ 是专门为 I O 供电的 最大读电流为 2mA SPR4096 按串行接口模式工作 要把 CF2 CF0 均接高电平 CF7 为低电 平时选中 FLASH 高电平时选中 SRAM 图 4 4 是 SPR4096 与单片机的硬件连接图 SPR4096 的 SCK 接 SPCE061A 的 IOB0 SDA 接 SPCE061A 的 IOB1 CF0 CF2 接高电平 CF7 接低电平 选中 FLASH 图 4 4 SPR4096 电路图 5 系统软件设计 5 1 SPCE061A 的指令系统和集成开发环境 IDE 同硬件设计一样 软件设计也是分模块进行的 主要包括以下部分的程序 主程序 音频输出子程序 液晶屏显示子程序 存储子程序 按键扫描子程序 各子程序由主程序 main c 调用 组成一个整体 为了能够体现设计的思路 每个功能都将从原理 所用函数以及程序流程图几个方面分别介绍 在进行系统的软件设计之前 必须熟悉单片机的指令系统和开发环境 在 此先对SPCE061A的指令系统与集成开发环境作一个简单的介绍 5 1 1 指令系统 在介绍指令格式指令系统以前 把描述指令等一些符号的意义先做如下简 单的介绍 沈阳工程学院毕业设计 论文 16 RD 目的寄存器或目的存储器指针 Rs 源寄存器或源存储器指针 IM6 IM16 6位 16位立即数 A6 A16存储器6位16位常量 Rx Ry 序列寄存器 X Y为序列号1为最低7为最高 MR 由R4 R3 组成的32位结果寄存器 R4为高字组 R3为低字组 加减求补操作符记号 105 一106 16 BRAASCH MS Improved Modeling of GPS Selective Availability Z Proc of the 1ON National Meeting 1993 18 IEEE Standard Inverse Time Charteristic Equations for Overcurrent Relays IEEE Trans on PD 1999 14 3 19 Wilks M V Stringer J B Microrograming and the design of control circuits in an electronic digital comuter Z Pro Cambridge Philosophical Society 49 230 38 1985 20 Philips the I2C bus specification version 2 0 philips semiconductor 2000 公交车报站器 29 附录 1 主函数程序 int main void unsigned int uiKey 键盘值 unsigned int uiOn Off 数码管显示或不显示标志 unsigned int uiKey1 Count key1 按下次数 unsigned int uiKey2 Count key2 按下次数 unsigned int uiflag 按键 key1 key2 的奇偶标志 unsigned int uiTemp 临时变量 uiOn Off 0 局部变量初始化 uiKey1 Count 0 uiKey2 Count 16 uiflag 0 SP SIOInitial 初始化 SPR 模组 SPR4096 DIG Init 初始化数码管 Key Init 初始化键盘 Time Init 初始化显示时间 DIG Set 1 0 DIG Set 2 0 DIG Set 3 Data uiHour H DIG Set 4 Data uiHour L DIG Set 5 Data uiMinite H DIG Set 6 Data uiMinite L Broadcast 52 播放站点 while 1 if uiDisp 0 显示时间 DIG Set 1 0 DIG Set 2 0 DIG Set 3 Data uiHour H DIG Set 4 Data uiHour L DIG Set 5 Data uiMinite H 沈阳工程学院毕业设计 论文 30 DIG Set 6 Data uiMinite L if uiDisp 1 显示月日 DIG Set 1 Data uiMonth H DIG Set 2 Data uiMonth L DIG Set 3 0