智能语音机器人的实践制作.doc

淮安信息职业技术学院淮安信息职业技术学院 设设计计论论文文 智能语音机器人的实践制作 学生姓名 张明明 张赛 系 部电气工程系 专 业机电一体化 指导教师 杨帅 周奎 薛岚 二 一 年十月 摘 要 I 摘摘 要要 采用凌阳 SPCE061A 单片机 SPCA561A CMOS 传感器 SPCA563A 图 像处理芯片 全桥驱动电路和语音输入 输出电路制作了智能语音机器人 机 器人采用光学摄像头采集图像信息 利用全桥驱动电路实现了机器人脖子与四 肢电机的协调驱动 在 SPCE061A 内置 AD 与 DA 的基础上 外加功率放大电 路就能够进行语音输入与输出 通过 SACM S480 语音播放算法和特定人识别 算法实现了 16 种几何图形颜色与形状的识别 能够完成跳舞 前进 后退 左拐 右拐等动作 利用现场总线的 LonPoint 节点和 ILON 服务器将上层管 理网络 Internet 与底层设备机器人连接起来 实现机器人的远程监控 通过浏 览网页的形式监控机器人的运动状态和图像识别情况 机器人利用分时复用实 现多功能于一体 实验表明 系统稳定可靠 口令和图像识别正确率高 远程 监控平台能够高精确 高实时性地监控机器人的运动和图像识别状态 关键词关键词 机器人 SPCE061A 现场总线 Internet 图像识别 语音控制 远程控制 目 录 II 目目 录录 摘摘 要要 I 一一 概述概述 1 1 1 作品背景 1 1 2 作品设计内容 1 1 3 作品实现功能 2 二二 作品的方案设计作品的方案设计 1 2 1 作品要点说明 1 2 2 作品方案设计 2 2 2 1 机器人方案设计 2 2 2 2 机器人远程监控平台的方案设计 3 三三 作品硬件系统的设计与实现作品硬件系统的设计与实现 5 3 1 机器人机械结构主体的建模与改装 5 3 1 1 机械结构建模仿真 5 3 1 2 机械结构改装 6 3 1 3 齿轮与连杆机构设计 6 3 2 机器人硬件系统设计 8 3 2 1 61 控制板设计 8 3 2 2 功能控制电路设计 9 3 3 机器人远程监控平台的构建 13 3 3 1 功能控制电路设计 13 3 3 2 抗干扰措施 15 四四 系统软件设计系统软件设计 16 4 1 机器人软件设计 16 4 2 机器人远程监控平台软件设计 21 4 2 1 远程监控平台节点软件设计 21 4 2 1 远程监控平台逻辑网络设计 23 五五 系统焊接制作与测试系统焊接制作与测试 26 5 1 作品元器件 26 5 2 作品制作 26 5 2 1 机器人控制板的焊接 26 5 2 2 机器人远程监控平台的连网布线 27 5 3 作品测试 29 5 3 1 测试工具 29 5 3 2 测试结果 29 六六 总结总结 32 6 1 作品的创新性和新颖性 32 6 2 作品的实用性和应用前景 32 目 录 III 6 3 收益 33 参考文献参考文献 34 附录附录 实物图实物图 35 智能语音机器人实践创新设计论文 1 一一 概述概述 1 1 作品背景作品背景 本作品来源于 2009 年江苏省大学生实践创新计划项目 作品立项为了推 动高等职业教育教学改革 激发我们学生学习的主动性 积极性和创造性 提 高大学生的实践创新能力 促进人才培养模式和教学方法的创新 让大学生尽 早参与社会实践等创新活动 本作品的开展本着创新实践 学以致用的理念 涉及现场总线技术 Internet 互联网技术 图像处理技术 单片机技术 数电与模电技术 网页制 作技术 使新兴技术与传统技术有机结合 课上知识与课余知识有机结合 锻 炼了我们学生知识综合运用能力 又保证了学生所学的知识与时俱进 淮安信 息职业技术学院机电一体化专业的人才培养方案除了培养学生掌握传统技术外 开设现场总线技术新兴课程 旨于培养学生的创新能力 保证知识的先进性 本款机器人为学生搭建了良好实践创新平台 使学生的理论知识能够运用于实 践 充分发挥了学生的想象力和创造力 锻炼了学生实践动手能力 分析问题 能力和解决问题的能力 此次项目的开展让学生体验了电子制作的趣味性和实践性 掌握了电子 产品的制作过程 熟悉电子产品工艺 掌握电子产品的操作技巧 增进接触新 技术 新器件的机会 侧重学生应用能力的训练 符合高等职业教育的教育理 念 1 2 作品设计内容作品设计内容 本作品主要涉及现场总线技术 Internet 互联网技术 图像处理技术 单 片机技术 数电与模电技术 网页制作技术 主要的硬件与软件设计内容如下 1 机器人的连杆齿轮传动机构设计 2 机器人中央核心控制板的设计 3 H 桥驱动设计 4 现场总线系统的布线和物理连网设计 5 图像采集与信号处理 6 语音播放和识别 7 系统逻辑组网设计 智能语音机器人实践创新研究报告 2 8 互联网配置 9 网页设计 1 3 作品实现功能作品实现功能 1 机器人可以按照操作者的口令执行跳舞 前进 后退 左转和右转等动 作 2 机器人识别操作者口令后 可以对操作者做简单的响应 3 机器人可以根据现场总线和互联网搭建的远程监控平台发出的指令执行 相应的动作 4 机器人可以识别 16 种几何形状和颜色 并用语音播报 5 机器人可将识别的几何形状和颜色结果反映到远程监控平台的网页界面 中 智能语音机器人实践创新设计论文 1 二二 作品的方案设计作品的方案设计 2 1 作品要点说明作品要点说明 本作品的开展本着创新实践 学以致用的理念 提高高职院大学生实践 创新能力为目的 通过本项目的参与 训练单片机 模电 数电和信号处理与 检测 组网 网页设计等能力 提高实际操作能力和综合运用能力 作品以控 制和检测为主要内容 主要由机器人控制本体和远程监控平台组成 机器人采 用 16 位具有 DSP 功能的 SPCE061A 单片机为控制器 利用凌阳公司提供的印 制电路板 我们学生只要按照要求测试并焊接元器件 就能实现语音输入电路 语音输出电路 程序下载电路 电源供给电路于一体 系统稳定可靠 只要扩 展图像信号采集电路 LED 发光二极管和电机控制电路就完成项目的硬件条 件 减少了开发周期 也符合高职学生的能力层次 达到了高职以实践应用为 主的教学目标 系统采用凌阳语音播放算法 SACM S480 通过调用 Sacmv26e lib 语音播放库中的函数实现语音信号的模数转换 压缩编码 解码 填充队列 数模转化等 语音识别分为语音训练和语音识别两个过程 通过调 用 bsrv222SDL lib 语音识别库中的函数实现特征模型导入和导出等 远程监控 平台采用 LonWorks 现场总线技术 通过 ILON 服务器实现了与 Interrnet 互联 网无缝衔接 通过浏览网页的形式完成机器人的远程监控 该平台采用 LonPoint 节点的网络变量与机器人交换信息 具有可靠性与实时性高等特点 智能机器人利用语音实现了人机交互 通过识别操作者的语音命令 执 行相应的动作 同时通过语音播放响应操作者 如 我跳的漂亮吧 好的 怎么样 等 使机器人更加人性化 通过多功能按钮可使机器人随时切换图 像识别功能 可识别由 三角形 长方形 圆形 正方形 与 红色 绿色 黄色 蓝色 随意搭配的几何形状 共 16 种 并通过语音播报 的形式将识别结果告诉操作者 机器人在语音播报的同时 伴随眨眼表情 LED 闪烁 使其更加具有趣味性 远程监控平台通过在 IE 浏览器中监控网页 机器人动作监控区域内通过 下拉菜单选择 ON 或 OFF 远程控制机器人跳舞 前进 后退 左转与右转等 动作 通过图像识别区域的图像与颜色的变化远程监控机器人几何形状的识别 情况 智能语音机器人实践创新研究报告 2 实验表明 智能机器人的命令识别率和图像识别率较高 但是当外界环 境恶劣的情况下 如噪音 光线黑暗等 可能出现误识别 明确了本作品今 后的努力方向 改进麦克与摄像头 远程监控平台能够实时精确监控机器人的 动作执行和图像识别情况 2 2 作品方案设计作品方案设计 本作品主要有机器人和远程监控平台组成 2 2 12 2 1 机器人方案设计机器人方案设计 智能机器人主要包括控制与检测两大部分 控制部分主要包括电机控制 头 臂 腿 LED 灯控制 眼睛 和语音输出 检测部分主要包括图像信 号输入和语音信号输入 如图 2 1 所示 SPCE061A 全桥 驱动 直流 电机 齿轮 变速 执行机构 头 臂 腿 眼睛 语音 输入 语音 输出 SPCA5 63A SPCA5 61A 光学 摄像 头 图 2 1 系统结构框图 控制器模块控制器模块 根据设计目标 控制器主要完成语音信号和图像信号的处 理 要求控制器要具有较好的处理速度和较强的数字信号处理能力 凌阳 SPCE061A 是一款 16 位控制器 片内采用的 nSPTM microcontroller and signal processor 核心处理器 具有较高的处理速度 能够完成 16 位算术逻辑 运算 16 16 位硬件乘法运算和 DSP 内积滤波运算 能够快速处理复杂的数 字信号 不需要额外的专用语音控制芯片 就能实现语音的编解码等 既节省 了设计成本 又能满足的控制要求 因此本项目采用凌阳 SPCE061A 单片机 为让控制器稳定可靠地工作 采用 SPY0029 芯片为系统提供稳定的 3 3V 智能语音机器人实践创新设计论文 3 电压 SPY0029 采用 CMOS 工艺 具有静态电流低 线性调整好 语音输入模块 语音输入模块 SPCE061A 芯片中已经集成了音频输入专用 ADC 以及 AGC 放大电路 因此芯片外部的电路比较简单 能够很轻松地将语音信号采 集到芯片内部 AGC 能随时跟踪 监视前置放大器输出的音频信号电平 以 便使进入采集的音频信号保持在最佳电平 又可使谐波减至最小 这些无疑保 证了 SPCE061A 单片机能够较好地控制语音信号 SPCE061A 的传声器录入操 作者的声音 语音资源被芯片内部的 ADC 转换器转换为数字语音资源 但是 这样的语音资源占用存储空间较大 因此需要将其放入数据队列中 利用音频 压缩算法 SACM S480 将其压缩编码 然后放在存储器储存起来 语音输出模块 语音输出模块 播放语音时 将保存起来的语音数据送到解压缩队列中解 码 然后经输出队列和 DAC 转化器转换为模拟信号 SPCE061A 内置两路 10 位精度的 DAC 通过外设功率放大电路放大后送到扬声器发出声音 只需要 外接功放电路即可完成语音的播放 采用 SPY0030 SPY0030 是凌阳的一款 音频放大芯片 可以工作在 2 4 6V 范围内 最大输出功率可达 700mW 电机控制模块 电机控制模块 机器人的头 臂和腿只对其方向进行控制 因此电机控制 电路采用全桥控制电路即可实现 利用 PNP 型三极管和 8550 和 NPN 型三极 管 8050 构建全桥控制电路 图像采集模块 图像采集模块 图形采集统由光学镜头 CMOS 传感器 SPCA561A 图 像处理芯片 SPCA563A 组成 SPCA561A 和光学镜头获取外部图像 然后传 递给 SPCA563A 做分析和处理 并得出相应的信息 颜色 形状等等 SPCA563A 对采集到的图像信息具有分解的功能 并把需要的内容存贮到对应 的地址中 SPCE061A 可以通过读取图像特征寄存器中内容来获得数据 如图 2 2 所示 光学镜头 CMOS传感器 SPCA561A 图像处理芯片 SPCA563A 中央处理器 SPCE061A 图 2 2 图像采集原理图 智能语音机器人实践创新研究报告 4 2 2 22 2 2 机器人远程监控平台的方案设计机器人远程监控平台的方案设计 构建监控平台的技术选择余地较多 最常见的是采用 DCS 集散式系统 该系统布线复杂 传输模拟信号 存在中央控制节点 可靠性不高 现场总线 是 90 年代推到我国的一种崭新的控制技术 能够彻底地实现系统的数字化和 分布式控制 解决了存在中央控制器所引起的瓶颈问题 开放性协议又实现了 监控平台的互操作和互换性 便于日后的维修与更换 所以采用现场总线技术 搭建远程监控平台 通过延长信号的传输距离 是不能实现真正意义上的远程控制 本作品利 用了 Internet 互联网技术 彻底实现了远程控制 由于 Internet 互联网的 TCP IP 协议与 LonWorks 现场总线的 LonTalk 协议不兼容 因此必须采用一种设备能够 相互转化两种协议 承担 翻译 的角色 这里采用 ILON100 设备 现场总线控制系统实现与 SPCE061A 为核心的机器人交换信息 采用 LonPoint 节点 该节点通过网络变量实现了信息的交换 它是是一种面向对象 的编程方式 简单易学 通过调用图像模块就能信息传递 故采用 LonPoint 节 点采集与处理机器人的信息 智能语音机器人实践创新研究报告 5 三三 作品硬件系统的设计与实现作品硬件系统的设计与实现 3 1 机器人机械结构主体的建模与改装机器人机械结构主体的建模与改装 本作品主要以控制和检测为主要设计内容 着重训练单片机 模电 数电 和信号处理与检测 组网 网页设计等能力 同时考虑减少设计周期和成本 以市场现有的玩具机器人作为控制对象的外壳 拆掉内部芯片 形成本作品的 机械主体 为达到设计内容的完整性 只对机器人的机械主体进行了仿真建模 3 1 13 1 1 机械结构建模仿真机械结构建模仿真 利用 PRO E 对机器人进行三维实体的仿真建模 头 头是一个触角回转体 可以先选择一个基准面 然后进行平面拉伸 然后以拉伸平面为第二基准平面 在第二基准平面上画一个简单的圆柱体 再 进行倒圆周 然后形成一个头的形状 嘴巴就是画一个与第二基准平面垂直的 平面 画一个小的长方体 进行拉伸切除就可以了 如图 3 1 所示 手 手就是通过在平面里画圆柱 然后进行拉伸 在进行切除成形 如 图 3 2 所示 腿 先选择一个基准平面 然后进行平面拉伸 以拉伸平面为基准 画 圆柱体 进行切割倒角成形 如图 3 3 所示 图 3 1 机械人头部结构 智能语音机器人实践创新研究报告 6 图 3 2 机械人手臂结构 图 3 3 机械人腿结构 3 1 23 1 2 机械结构改装机械结构改装 机器人的机械主体是利用现有的机器人改装形成的 机器人主要分 4 大块 头部 腿部 前胸 后背 主要改装流程如下 1 拆卸机器人的头部 腿部 前胸 后背等组成部分 2 拆掉控制芯片 并对相应电机的控制线做记号 3 组装机器人 并将控制线引导机壳外 3 1 33 1 3 齿轮与连杆机构设计齿轮与连杆机构设计 机器人采用的直流电机的转速为 6000rpm 为了能够使机器人的四肢达到正 常的执行速速 设计了传动比 i 200 齿轮传动机构 i n1 n2 z2 z1 智能语音机器人实践创新研究报告 7 通过上述公式可以推算出从动轮的转速大概在 30rpm 能够保障机器人的正 常速度动作 如图 3 4 所示 图 3 4 齿轮传送机构 作品创新性地利用连杆机构实现了机器人的手臂动作 机器人的腿部电机 驱动机器人的腿动作时 通过连杆机构 同时实现手臂的的前后摆动 达到了 无需手臂电机就能实现手臂动作的目标 为设计节省了电机成本 同时也方便 了日后的编程 如图 3 5 所示 图 3 5 连杆传送机构 智能语音机器人实践创新研究报告 8 3 2 机器人硬件系统设计机器人硬件系统设计 3 2 13 2 1 6161 控制板设计控制板设计 智能机器人的控制芯片采用 61 控制板作为基本控制单元 通过模块化扩展 电机控制电路 LED 控制电路 图像采集电路等形成本作品的硬件系统 61 控制板主要具有单片机最小系统电路 电源电路 程序下载电路和与外 界进行信息交换的端口等 SPCE061A 最小系统中 包括 SPCE061A 芯片及其外围的基本模块 其中外 围的基本模块有 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 如图 3 6 所示 在 SPCE061A 的 OSCO 和 OSCI 端接上晶体振荡器及谐振电容 构成时钟电路 其他不用的引脚如 ADD 电源端和 GND 地端接上 0 1 F 去耦电容提高抗干扰能力 复位电路能够实现上 电自动复位和手动复位 SPCE061A 本身具有上电复位功能 只要接通电源就能 自动复位 上电复位过程中 电源 ADD 通过电阻 R18 给电容 C37 充电 RES B 端电平由低变高 复位结束 需要手动复位时 按下按键 电容 C37 经 按键放电 RES B 端电平变低 实现手动复位 锁相环外围电路能够对时钟的 基频进行倍频 100u C4 104 C7 104 C8 100u C5 VSSVSS 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 84 83 82 81 80 79 78 77 76 75 VCP VDD P RES B IOB0 IOB1 IOB2 IOB3 IOB4 IOB5 IOB6 IOB7 IOB8 IOB9 IOB10 VDDH 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 54 55 56 57 IOB11 IOB12 IOB13 IOB14 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 32 31 30 29 28 27 26 MICN MICOUT OPI AGC AVSS1 VREF2 DAC2 DAC1 OSC0 OSC1 VDD ICE EN ICE SCK ICE SDA VSS IOB15 SLEEP IOA15 IOA14 IOA13 IOA12 IOA11 IOA10 IOA9 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 51 52 53 50 MICP VCM VRT VDD A VMIC AVSS1 IOA5 IOA4 IOA6 IOA7 VDDH IOB8 VDDH 100u C29 C28 vss104 C31 100u C27 AVSS1 12 Y1 32768 20p C14 20p C15 3300p C3 104 C10 3 3K R2 100u C19 104 C22 D3 DIODE D4DIODE 104 C34 220u C33 220u C35 104 C36 0R15 0R16 0 R17 0R14 0 0 R21 0 R19 R22 4 7K R18 S1 104 C37 S4K3 S3K2 S2K1 OSCOOSCI VRT VREF2 J1 CON2 2 1 VSS AVSS1 VCC 104 C18 100u C17 LED 1K J10 CON2 5V 1 SPY0029 3 U3 2V5V3 2 1 VSS V1VO GND SOT 89 2 VDD A VDD P VDD VDDH3 VSS AVSS1 AVSS2 RESET VDD RES B VSS V5 J5 CON3 1 2 3 VDDH VDDH3 KEY IOA0 IOA1 IOA2 V5 OSC PLL VREF POWER VSS NC VCP VSS DAC NC NC NC NC PVPP IOB11 IOB12 IOB13 IOB14 IOB15 XSLEEP VSS XROMT IOA15 IOA14 IOA13 IOA12 IOA11 IOA10 IOA9 IOA8 VDDH VDDH VSS VSS IOA7 IOA6 IOA5 IOA4 IOA3 IOA2 IOA1 IOA0 NC NC VSS VMIC VDD VRTPAD VCM MICP NC NC NC NC PFUSE MICOUT OPI AGC VSS VREF2 DAC2 DAC1 PVIN VSS XICESDA XICECLK XICE VDD XTEST OSC321 OSC320 NC NC VSS VCP VDD XRESB IOB0 IOB1 IOB2 IOB4 IOB3 NC NC NC IOB5 IOB6 IOB7 IOB8 IOB9 IOB10 VDDH 图 3 6 最小系统电路 智能语音机器人实践创新研究报告 9 由开关电源提供的 4 5V 直流电压经过 SPY0029 后产生 3 3V 给整个系统供 电 SPY0029 采用 CMOS 工艺 具有静态电流低 线性调整出色等特点 VDDH 为 SPCE061A 的 I O 电平参考 如果该点接 SPCE061A 的 51 脚 可使 I O 输出高电平为 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 如图 3 7 所示 D3 DIODE D4DIODE 104 C34 220u C33 220u C35 104 C36 0R15 0R16 0 R17 0R14 0 0 R21 0 R19 R22 J10 CON2 5V 1 SPY0029 3 U3 2V5V3 2 1 VSS V1VO GND SOT 89 2 VDD A VDD P VDD VDDH3 VSS AVSS1 AVSS2 图 3 7 电源电路 3 2 23 2 2 功能控制电路设计功能控制电路设计 1 眼睛闪烁电路 在基于 SPCE061A 最小系统的基础上 利用 IOA0 IOA2 三个接口连接多功能键 S1 S2 S3 用于机器人的语音训练和功能切换 利用两个发光二极管作为机器人的眼睛 1K 电阻来限流 通过 IOB14 和 IOB15 实现 LED 的闪烁控制 如图 3 8 所示 LED3 LED4 12 Y1 32768 1K 1K 20p C14 20p C15 VSS OSCO OSCI S4 VDD 104 C37 4 7K R18 VDD VSS RES S1 S1 S1 IOA0 IOA1 IOA2 VDD VDD VDD IOB14 IOB15 SPCE061A 图 3 8 机器人眼睛控制电路 智能语音机器人实践创新研究报告 10 12 Y1 32768 20p C14 20p C15 VSS OSCO OSCI S4 VDD 104 C37 4 7K R18 VDD VSS RES S1 S1 S1 IOA0 IOA1 IOA2 VDD VDD SPCE061A 1K R1 22u C6 104 C9 10K R5 10K R63K R4 22u C1 224 C11 224 C12 VSS VSS VMIC VCM MICP MICN 3K R8 4 7u C2 470K R3 104C12 5 1K R7 502 C16 VSS AGC MICOUT OPI Mic1 图 3 9 机器人语音输入通道电路 2 语音输入通道 SPCE061A 芯片中已经集成了音频输入专用 ADC 以 及 AGC 放大电路 因此芯片外部的电路比较简单 如图 3 9 所示 其中 VMIC 提供传声器的电源 VSS 是系统的模拟地 VCM 为参考电压 MICP 脚和 MICN 脚分别是传声器 X1 的正极 负极的输入引脚 当对着传声器讲话时 MICP 脚和 MICN 脚将随着传声器输入的声音产生变化的波形 并在 SPCE061A 的两个端口处形成两路反相的波形 送到 SPCE061A 控制器内部的运算放大器 进行音频放大 经过放大的音频信号 通过 ADC 转化器转化为数字量 保存到 相应的寄存器中 然后对这些数字音频信号进行压缩 辨识 播放等处理 3 语音输出通道 SPCE061A 内置两路 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 3 10 所示 其中 VDD 为参考电压 VSS 是系统的模拟地 音频信号由 SPCE061A 的 DAC 引脚输出 通过音量电位器 R9 的调节端送到集成音频功率放大器 SPY0030 经音频放大后 音频信号从 SPY0030 输出经外接扬声器播放声音 智能语音机器人实践创新研究报告 11 12 Y1 32768 20p C14 20p C15 VSS OSCO OSCI S4 VDD 104 C37 4 7K R18 VDD VSS RES S1 S1 S1 IOA0 IOA1 IOA2 VDD VDD SPCE061A 1K R10 104 C20 100u C21 224 C23 R9C25 104 C26 Speak er SPY0030 DAC1 1 2 4 5 VDD 图 3 10 机器人语音输出通道 4 电机驱动电路 机器人驱动电路采用功率较大的三极管搭成 H 桥来 驱动电机 可以实现电机的正向旋转与电机的反向旋转 这些电机包括用于走 路的左腿电机 右腿电机和脖子电机 如图 3 11 所示 以左腿电机控制电路 为例 当 IOB8 为高电平 IOB9 为低电平时 Q1 Q3 Q6 导通 Q2 Q4 Q5 关断 电机正转 否则 电机反转 Q3 Q4 Q5 Q6 四个三极 管组成四个桥臂 Q6 和 Q3 组成一组 Q5 和 Q4 组成一组 Q1 控制 Q6 Q3 的导通与关断 Q2 控制 Q5 和 Q4 的导通与关断 而 Q1 Q2 由 IOB8 和 IOB9 端口控制 这样就可以通过 IOB8 和 IOB9 端口控制四个桥臂的导通与关断 进而控制左腿电机的运行状态 如图 7 所示 同理右腿电机和脖子电机采用相 同的控制电路分别利用 IOB10 和 IOB11 IOB12 和 IOB13 端口控制 智能语音机器人实践创新研究报告 12 12 Y1 32768 20p C14 20p C15 VSS OSCO OSCI S4 VDD 104 C37 4 7K R18 VDD VSS RES S1 S1 S1 IOA0 IOA1 IOA2 VDD VDD SPCE061A Q1 NPN8050 Q2 NPN8050 2K R3 Q3 PNP8550 200 R1 Q5 PNP8550 Q4 NPN8050 Q6 NPN8050 VCC 200 R2 2K R4 M Motor IOB8 IOB9 图 3 11 电机控制电路 5 图像采集电路 光学摄像头将图像的颜色与形状传给 SPCA561A SPCA561A 通过 I2C 串行总线将采集信息传送到 SPCE563A 芯片 中 SPCE563A 将处理形状与颜色信息存储到相应的寄存器中 SPCE061A 通 过 SPI 串行总线读取 SPCE563A 相应的寄存器内容 进而得出识别结果 SPCE563A 芯片的时钟信号 SCK 数据传输信号 SDI 握手请求信号 LOAD 和复位信号 RSTNN 分别同 IOA8 IOA9 IOA10 IOA11 连接 如图 3 12 所 示 12 Y1 32768 20p C14 20p C15 VSS OSCO OSCI S4 VDD 104 C37 4 7K R18 VDD VSS RES S1 S1 S1 IOA0 IOA1 IOA2 VDD VDD SPCE061A IOA8 IOA9 IOA10 IOA11 VDD GND VCC SCK SDI LOAD RSTNN GND SPCA563A RGBIN0 RGBIN1 RGBIN2 RGBIN3 RGBIN4 RGBIN5 CPU16WR CPU16RD EXTVD EXTHD I2CSCL I2CSDA SPCA561A 像像像像像 图 3 12 图像采集电路 智能语音机器人实践创新研究报告 13 3 3 机器人远程监控平台的构建机器人远程监控平台的构建 3 3 13 3 1 功能控制电路设计功能控制电路设计 考虑 LonPoint 节点的实际应用环境 本文设计以 Motoral 公司生产的型号 为 MC143150 神经元芯片为处理器的 LonPoin DI 和 DO MC143150 芯片支持外 部存储器的扩展 神经元芯片负责现场设备的通信和数据处理任务 电源电路设计 电源电路的设计直接关系到节点性能的好坏 好的电源系 统能够保证节点稳定可靠地运作 减少噪音干扰 提高检测精度 延长使用寿 命等 交流电源电压经过全波整流后 采用 7805 芯片变成节点电路需要的 5V 的直流电源 设计如图 3 13 所示 图 3 13 节点的电源电路 I O 调理接口设计 数字量 开关量 输入节点 DI 主要用于检测外部数字信号 和具有开关状态的信号 比如检测继电器的闭合状态 某些开关的状态 电平 信号的输入等 这类节点在设计过程中主要考虑的问题是如何将各种各样的数 字量和开关量转换成 Neuron 芯片能够接收的信号 并且这类信号在输入通道上 要加光电隔离器 以提高节点运行的安全性和可靠性 以 IO0 为例 如图 3 14 所示 当被检测的引脚为低电平时 发光二极管亮 光敏三极管导通 IO0 引脚 为低电平 反之 IO0 引脚为高电平 图 3 14 DI 节点 I O 调理接口 图 3 15 DO 节点 I O 调理接口 数字量 开关量 输出节点 DO 的 I O 调理接口由光电隔离电路 电磁继电器 二极管组成 以 IO0 为例 如图 3 15 所示 当 I O 引脚为低电平时 发光二极管 智能语音机器人实践创新研究报告 14 亮 光敏三极管导通 电磁继电器吸合 输出引脚为低电平 反之 输出引脚 为高电平 二极管的作用是当断电时 线圈得以续流 保护电路 通讯接口设计 节点利用 FTT 10A 自由拓扑双绞线收发器将神经芯片与物 理网络连接 该收发器支持无极性星型 总线型和环型布线 使系统安装人员 不再局限于总线拓扑结构的限制 自由拓扑结构通过最简便的接线方式减少了 系统的安装时间和费用 同样还避免了对布线路由 接合以及节点布置的局限 使网络更容易扩展 收发器所带的变压器隔离接口可满足系统的高性能 高共 模隔离 同时具有隔离噪声作用 可防止干扰信号进入传输网络中 MC143150 与 FTT 10A 的接口电路如图 3 16 所示 将 FTT 10A 的 TXD RXD 分别与神经 元芯片的通信端口 CP0 CP1 相连 由二极管 D1 D2 D3 D4 构成了 FTT 10 收发器的 NET A 和 NET B 引脚间的差动缓冲电路 电容 C3 用来减小瞬态变化 的共模成分 这一结构大大增强了节点承受来自网络连接端的 ESD 的能力 连 接到 T1 T2 端的 D5 D6 D7 D8 组成更高一级的泄放通道 保证通过前级 缓冲电路后剩余的瞬态能量不对 FTT 10 收发器和神经芯片造成扰动 图 3 16 节点的通讯接口及外围电路 其它外围电路设计 要了要使节点能够正常工作 设计复位电路 服务电 路 时钟电路是必不可少的 1 复位电路 该电路用于在节点上电时进行复位动作 为了在系统电源 出现电压抖动或未完全掉电的情况下 检测电源电压是否低于规定的工作电压 将一个低电压中断设备 LVI 与神经芯片的 Reset 引脚相连 一旦出现低电压中断 智能语音机器人实践创新研究报告 15 请求 便触发节点的 Reset 事件 2 服务电路 该电路包括服务按钮和服务指示灯 其中服务按钮是专为 安装节点到网络而设置的 服务指示灯主要用于在诊断神经芯片固件状态时 作指示信息用 3 时钟电路 该电路采用外接晶振所构成振荡器为节点输入时钟 保证 节点正常工作 这三部分的具体电路设计见图 3 16 中 Reset 引脚 Server 引脚 晶振引脚所 连接的电路 3 3 23 3 2 抗干扰措施抗干扰措施 通常的供电和接地抗干扰措施外 主要是要避免和消除来自网络介质的静 电泄放 ESD 和电磁干扰 EMI 即主要针对 FTT 10A 来设计抗干扰电路 对于 ESD 在印刷电路板 PCB 设计中应提供一个导入大地的通道 还要不致引起整 个 PCB 电压的升降 具体采用火花放电隙和箝位二极管来实现 对于 EMI 因 为 FTT 10A 对垂直杂散电磁场最不敏感 而对水平杂散电磁场最敏感 所以在 PCB 设计中应使 FTT 10A 尽量远离水平杂散电磁场区域 对于不可避免的杂散 电磁场应使其相对于 FTT 10A 垂直分布 在 LonWorks 网络中传输媒体要使用双绞线 它保证了信号传递的质量 从 而可以使信号传送到足够远的地点 另外在使用双绞线时 利用网络端点的阻 抗匹配提高信号质量及传输距离 通常 LonWork 网络传输信道已具有足够的 抗噪声能力 并不需要采用屏蔽双绞线 如果在某种情况下需要用屏蔽线 则最 好将屏蔽层经过一个 470 的电阻单点接地 以防止屏蔽层带上高压静电 智能语音机器人实践创新研究报告 16 四四 系统软件设计系统软件设计 4 14 1 机器人软件设计机器人软件设计 作品中的机器人 SPCE061A 控制板软件设计采用通过在线调试器 PROBE 实 现的 它既是一个编程器 即程序烧写器 又是一个实时在线调试器 用它可 以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具 硬件在线实时仿真 器和程序烧写器 它利用了 SPCE061A 片内置的在线仿真电路 ICE In Circuit 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 SPCE061A 相应 管脚 直接在目标电路板上的 CPU SPCE061A 调试 运行用户编制的程序 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上位机 通讯 在计算机 IDE 集成开发环境软件包下 完成在线调试功能 图 4 1 是计算 机 PROBE 用户目标板三者之间的连接示意图 图4 1 用户目标板 PROBE 计算机三者之间的连接图 在程序设计过程中 采用模块调用的形式 将颜色识别 形状识别 口令 识别 不同音乐和语音播放 跳舞 前进 后退 左拐 向右拐等功能分别构 成子函数供调用 程序流程图如图 4 2 所示 系统采用 C 语言与汇编语言混合编 程的方法 利用 IDE 开发调试系统软件 智能语音机器人实践创新研究报告 17 开始 初始化 口令是否训练 是否有键按下 语音提示语音提示 KEY1按下KEY2按下 形状识别颜色识别 圆形正方长方三角圆形正方长方三角 口令识别或远程监控平 台控制指令 跳舞后退右拐左拐前进眨眼 是否有键按下 是否有键按下 是否复位键按下 是否复位键按下 复位 是 是 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 向远程监控平台 上传识别状态 图 4 2 程序设计总流程图 1 眼睛闪烁子程序 当机器人识别语音命令号 回响应操作者 在播放语音的同时 代表机器 人的眼睛的 LED 会闪烁 使其更加人性化 流程图如图 4 3 所示 语音播放子程序开始 开定时中断 间断亮 灭LED 语音播放结束 关中断 返回 否 是 图 4 3 眼睛闪烁子程序流程图 智能语音机器人实践创新研究报告 18 2 语音播放子程序 调用函数 SACM S480 Initial 进行初始化 然后进入播放循环 在播放循环 中通过 SACM S480 Status 判断语音是否播放完毕 如果语音资源播放未完毕 调用 SACM S480 ServiceLoop 函数获取语音资源并解码 填入播放队列等待中 断播放 否则通过 SACM S480 Stop 函数停止语音播放 语音播放子程序流程 图如图 4 4 所示 调用SACM S480 Initial函数 初始化 调用SACM S480 Play函数播放语 音 根据SACM S480 Status函数判断语音 是否播放完毕 调用SACM S480 ServiceLoop函数获取语音 资源并解码 填入播放队 列等待中断播放 清看门狗 通过SACM S480 Stop函数停止语音 播放 返回 N Y 调用BSR Delete SDGroup函数初始化 标志位BS Flag是否 为0 xFFFF 调用BSR Train 函数训练语音模 型 保存训练结果 装载语音 模型 进入识别模式 根据识别结果控 制执行对象 Y N 图4 4 语音播放子程序流程图 图4 5 语音识别子程序设计流程图 3 语音识别子程序 智能机器人的语音识别系统在 SPCE061A 上的实现通过初始化 RAM 调用 函数 int BSR Train 语音训练 初始化辨识器 启动实时监控和利用 BSR GetResult 完成语音辨识处理 语音识别子程序流程如图 4 5 4 电机控制子程序 电机主要驱动脖子 左腿和右腿控制 左臂和右臂通过连杆机构与左腿和 右腿联系起来 无须控制 动作速度通过内部的齿轮减速机构达到了所需要求 要使机器人逼真模拟人类动作 脖子 左腿和右腿控制需独立控制且协调恰当 程序中主要采用 IO 端口位控制 各动作之间的延时灵活 控制效果好 流程图 见 4 6 机器人的跳舞动作是在前进 后退 左拐 右拐和摇头等基础动作的合 智能语音机器人实践创新研究报告 19 成 并配以背景音乐 图 4 7 为跳舞程序的流程图 图 4 8 为基础动作的程序 流程图 否 是 开始 设定恰当的延时时间间隔 分别控制相应的电机 逼真 模拟人类动作 命令识别成 功 电机端口初始化 是 前进 延时 延时 延时 延时 延时 后退 左拐 右拐 摇头 跳舞时间 是否结束 结束 否 图 4 6 电机控制子程序 图 4 7 跳舞动作子程序流程图 左腿电机正转 延时 右腿电机正转 延时 前进时间结 束 结束 是 否 左腿电机反转 延时 右腿电机反转 延时 后退时间结 束 结束 是 否 左腿电机正转 右腿电机反转 延时 左拐时间结 束 结束 否 是 左腿电机反转 右腿电机正转 延时 右拐时间结 束 结束 否 是 脖子电机正转 延时 脖子电机反转 延时 摇头时间结 束 结束 是 否 图 4 8 基础动作子程序流程图 5 图像采集与处理子程序 主机 SPCE061A 与从机 SPCA563A 采用串行总线通信 两者通过握手请求 信号 在时钟信号的驱动下 实现了数据传输 SPCE061A 和 SPCA563A 数据 交换的程序流程图如图 4 9 所示 通过设置 SPCA563A 芯片相应的寄存器和读取 智能语音机器人实践创新研究报告 20 特征寄存器获得形状与颜色信息 该芯片处理图像的子程序流程图如图 4 10 所 示 开始 程序初始化 边沿触发中断 发生 发送请求 在时钟的下降沿将数据 发送到数据线上 同时 接收数据线上的数据 一个字节的数据接收 发送完毕 数据处理 传送与接收下一 个字节 是 否 是 否 开始 程序初始化 接收到单片机的 请求 发出回应 在时钟的上升沿读取数据 线上的数据 同时发送现 场数据到数据线上 结束一个字节的发 送与接收 数据处理 发送与接收下一个 字节 否 是 图 4 9 串行通信程序流程图 智能语音机器人实践创新研究报告 21 开始 对输出寄存器0 x7500 进行手动方式设置 对中心寄存器0 x70e0和0 x70e8 进行颜色与形状模式设置 向特征寄存器 0 x7405分配颜色 读取特征寄存器0 x7421开始的七个 存储单元的内容 获得颜色与形状 的识别结果 识别是否结束 结束 图 4 10 图像处理子程序流程图 4 24 2 机器人远程监控平台软件设计机器人远程监控平台软件设计 4 2 14 2 1 远程监控平台节点软件设计远程监控平台节点软件设计 LonPoint 节点软件的编写采用 Neuron C Neuron C 是一种专门为神经芯片 设计的程序语言 它在标准 C 的基础上进行了自然扩展 直接支持神经芯片的 固化软件 并删除了标准 C 中一些不需要的功能 如某些标准的 C 函数库 并 为分布式 LonWorks 环境提供了特定的对象集合 及访问这些对象的内部函数 它提供了内部类型的检查 是一个开发 LonWorks 应用的有力工具 节点的应用 程序包括自己的调度程序 定时器 I O 对象和网络变量 调度程序负责芯片的 任务调度 而定时器用来干涉任务的调度 I O 对象实现神经芯片和外设之间的 数据传送 程序运行采用事件触发方式 当给定的一个条件为真时 与该条件 相关联的一段程序代码将被执行 程序中的事件通常是 I O 对象的改变 网络变 量的改变 定时器的终止等 LonPoint 节点 DI 与 DO 的程序设计流程如图 4 11 与 4 12 所示 智能语音机器人实践创新研究报告 22 开始 编译指令 包含头文件 预编译指令 定义网络变量 定义I O对象 定义定时器 when事件 复位 设置定时器 1 定时200ms when事件 定时器1 溢出 I O对象0状态 改变输出网络 变量0 when事件 定时器2 溢出 I O对象0状态 改变输出网络 变量1 设置定时器 1 定时200ms 设置定时器 2 定时200ms 是 是 是 是 是 否 否 否 否 否 图 4 11 DI 节点程序流程图 智能语音机器人实践创新研究报告 23 编译 包含头文件 定义I O对象 定义网络变 量数组 when事件 网络 变量0改变 更新I O0 when事件 网络 变量1改变 更新I O1 when事件 网络 变量2改变 更新I O2 when事件 网络 变量3改变 更新I O3 是 是 是 是 否 否 否 否 图 4 12 DO 节点程序流程图 为使节点具有优良的网络性能 需要对心跳 Heartbeat 最大接受时间 Max Receive Time 时限阈 Throttle 最小差值 MinDelta 四个属性进行 配置 心跳 最大接收时间用于目的节点以保证发送节点正常工作 心跳间隔或最 大接收时间是根据应用而定的 为优化性能 心跳间隔和接收心跳时间应该按 下列经验法则 MaxReceiveTime 4 HeartbeatTime 为了在指定时间间隔使得既不丢失重要的更新 又不浪费带宽消耗 让最 大的时限阈值是一个输出网络变量能满足系统正常运转要求的最长的更新间隔 时间 让时限阈值小于心跳时间间隔值 否则网络变量的更新将在阈值到时之 后的第一个心跳时被传送除此之外 为了在设计得很好的网络中 通信错误 重试或重复发送较少 网络变量最大的带宽消耗就是时限阈值 另外设置最小 差值以便过滤掉无关紧要的信息 防止网络变量在发生很小的值变化时被传送 心跳决定了它所应用的网络变量的最小带宽消耗 P sH 1 智能语音机器人实践创新研究报告 24 这里 Z 是带宽消耗 数据包 秒 H 是心跳时间 秒 P 是每次更新在网 络上传送的数据包数目 与服务类型有关 时限阈值通常用毫秒表示 带宽消耗公式为 P msT Z 1000 这里 Z 是带宽消耗 分组包 秒 T 是时限阈值时间 毫秒 P 是每个更 新在网络上传送的分组包数目 与服务类型相关 所有这些配置属性