毕业设计--基于SPCE061A的音控智能小车设计.doc

哈尔滨理工大学远东学院学士学位论文基于SPCE061A的音控智能小车设计摘要自从人类可以制造和使用各种机器以来，人们一直怀着一个理想，那就是能让各种机器听懂人类的语言并且对周围环境有自己的判断能力。随着科学技术的不断进步，语音识别以及传感器技术的出现，使人类的这一理想得以实现并向着更高的层次发展。语音识别技术就是让机器通过识别和理解把语音信号转变为相应的文本或者命令的高技术，而传感技术就像智能机器的眼睛，它使机器具备自动探查并自动做出反应的能力。本文首先对语音识别及探障技术的概况、分类、方法作了简要的介绍。其次，介绍了语音识别以及探障原理，根据这两个基本原理针对智能小车所要实现的功能提出设计思路，其中包括对单片机的选择、硬件结构以及软件设计。接着，本文对以SPCE061A为核心的硬件电路设计及软件设计进行了详细介绍。硬件电路包括SPCE061A最小系统、小车驱动电路、声音输入电路、声音输出电路、超声波发射以及接收电路等。软件包括主程序、声控模块、避障模块、驱动模块以及一些重要子程序。最后，进行了软硬件综合调试，对调试时出现的硬件以及软件问题做了详细的说明。除此之外，还利用示波器以及MATLAB对运行时小车的重要输入输出信号进行分析，以此来获得参数的最佳设置。在最后的结束部分对本设计的不足及经验做出了总结。关键词声控；避障；测距；智能音控小车Design of Intelligent Speech Control Car Based on SPCE061AAbstractSince man can make and use various machines, people have had a dream that the machines could understand their language and have their own judgment ability towards the surroundings. With the unceasing development of the technology, and the appearance of speech recognition technology and sensor technology, the dream has been realized. The speech recognition technology is a high technology, which make the machine change the speech signals into homologous text or order by recognition and comprehend. The sensor, which is like eyes of the intelligent machine, makes the machine have ability of automatic exploration and corresponsive.Firstly, this paper introduces general situation, sort and methods of speech recognition and explore barrier briefly.Secondly, introduce basic principles of speech recognition and explore barrier. And then idea of design is putted forward According to the two basic principles above and the function demanded, including the choice of MCU, the hardware structure and software design.Then, this paper introduces the designs of the hardware and the software that takes the SPCE061 as core in detail. The hardware electric circuit includes minimum system, drive circuit, voice importation circuit, voice exportation circuit, super voice wave blast-off and receives circuit etc. The software includes main procedure, module of voice control, module of explore barrier and drives and some important subprogram.Finally, the debug of software and hardware is carried out and the problem encountered is detailed. And the important input and output signals when the dolly moves is analysed with use of oscillograph and MATLAB, from which the best configuration of the parameters is acquired. In the end, summary the shortage and experience of the design.Keywords Voice control; Explore barrier; Distance measure; Intelligent speech control car不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 语音识别技术介绍11.2.1 语音识别概述11.2.2 语音识别的类型及方法21.3 超声波探障技术简介31.3.1 超声波测距概述31.3.2 超声波的特点31.3.3 超声波传感器简介31.4 课题的主要研究内容4第2章 智能小车的设计思路52.1 语音识别及超声波探障原理52.1.1 语音识别原理52.1.2 超声波测距原理52.2 小车功能62.3 设计思路62.3.1 硬件设计思路62.3.2 软件设计思路72.4 小车的组成部分及工作过程72.4.1 小车的组成部分72.4.2 小车工作过程82.5 本章小结10第3章 硬件电路设计113.1 单片机介绍113.1.1 特点113.1.2 结构概述113.2 SPCE061A最小系统123.2.1 时钟电路123.2.2 锁相环PLL电路133.2.3 时钟系统133.2.4 复位电路143.2.5 电源模块143.2.6 程序下载电路153.3 小车驱动电路163.3.1 方向及动力控制电路163.3.2 控制端口状态173.4 声音控制电路183.4.1 声音输入及A/D转换电路183.4.2 声音输出及D/A转换电路193.5 超声波探障电路203.5.1 超声波发射电路213.5.2 超声波接收电路213.5.3 避障距离选择电路233.6 本章小结24第4章 软件设计254.1 主程序说明254.2 子程序说明264.2.1 小车驱动子程序264.2.2 语音控制子程序274.2.3 避障子程序274.2.4 其它重要子程序304.3 PWM调速354.4 本章小结36第5章 调试与分析375.1 硬件电路及软件的调试375.1.1 电路调试方案375.1.2 问题发现与解决385.2 信号分析395.2.1 超声波部分信号分析395.2.2 声控部分信号分析415.2.3 驱动部分信号分析415.3 本章小结41结论41致谢41参考文献41附录A41附录B41附录C41附录D41千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪论1.1 课题背景及意义许多边缘、交叉学科的发展都促进了现代科学技术的进步，尤其是对机电一体化、自动控制、语音识别、计算机技术以及声光电通信技术等科学领域更是非同一般。本文设计的声控智能小车正是以上交叉学科的有机结合。 随着人们生活水平日益提高，可声控的智能系统也越来越受到人们的重视。例如在交通运输以及自动控制等等，少不了声控与自动避障系统的支持。正是在这样的背景下，对智能小车的研究更有着现实意义。它的技术可以移植到许多别的领域中去，并且可以应用于人们的日常生活当中，以方便人们的日常生活，提高人们的生活质量。1.2 语音识别技术介绍1.2.1 语音识别概述随着现代科学和计算机技术的发展，人们在与机器的信息交流中，需要一种更加方便、自然的方式，语言是人类最重要的、最有效的、最常用的和最方便的通信形式。这就很容易让人想到能否用自然语言代替传统的人机交流方式如键盘、鼠标等。语音识别，即自动语音识别(ASR(Automatic Speech Recognition)的简称。简单地说，语音识别就是让计算机能听懂人说话，将人说的话转换成计算机文本等。语音识别属于多维模式识别和智能计算机接口的范畴。语音识别研究的根本目的是研究出一种具有听觉功能的机器，能直接接受人的口呼命令，理解人的意图并做出相应的反应。作为一门综合学科，语音识别又是以语音为研究对象，是语音信号处理的一个重要研究方向，是模式识别的一个分支，涉及到生理学、心理学、语言学、计算机科学以及信号处理等诸多领域，甚至还涉及到人的体态语言(如人在说话是的表情、手势等行为动作可帮助对方理解)，其最终目标是实现人与机器进行自然语言通信。语音识别系统的研究涉及微机技术、人工智能、数字信号处理、模式识别、声学、语言学和认知科学等许多学科领域，是一个多学科综合性研究领域。1.2.2 语音识别的类型及方法1.2.2.1 语音识别的类型语音识别主要有两大类：语音识别和说话人识别。对这两类系统的共同要求是对自然会话的识别率高。但目前的一些设备对识别对象和说话人都是在某些限制条件下才有较高的识别率。语音识别的基本任务是准确地识别全部的话语，或者是“理解”所说的话语。说话人识别系统的任务是确认说话人(即证实说话的人是否是所要求的那个人)或者从某个己知的人群中辨认出那个说话人。因此，后一个系统又可分为说话人确认与说话人辨认两个方面。简而言之，语音识别是识别讲话的内容是什么，是对语音共性的识别。语音识别系统在实际应用中根据不同的分类准则可以有多种分类：(1)根据对说话人说话方式的要求，可分为孤立字(词)语音识别系统、连接字语音识别系统及连续语音识别系统。(2)根据对说话人的依赖程度可分为特定人和非特定人语音识别系统。(3)根据词汇量大小，可分为小词汇里、中等词汇量、大词汇以及无限词汇量语音识别系统。1.2.2.2 语音识别的方法语音识别的方法有三种：基于声道模型和语音知识的方法、模板匹配的方法以及利用人工神经网络的方法1。1. 基于语音学和声学的方法该方法起步较早，在语音识别技术提出的开始就有了这方面的研究，但由于其模型及语音知识过于复杂，现阶段没有达到实用的阶段2. 模板匹配的方法模板匹配的方法发展比较成熟，目前已达到了实用阶段。常用的方法有三种：动态时间规整(DTW)、矢量量化(VQ)以及隐马尔可夫(HMM)。3. 神经网络的方法它是一个自适应非线性动力学系统，模拟了人类神经活动的原理。由于存在训练、识别时间太长的缺点，目前仍处于试验探索阶段。在本设计中用到的是模板匹配中动态时间规整的方法来识别语音的，它的优点是占用存储空间少并且语音识别效果较好。1.3 超声波探障技术简介1.3.1 超声波测距概述探障技术的基础是测距技术。现在常用的测距手段有超声波、红外线、微波等。由于本设计采用了超声波，因此本章就超声波测距技术作详细介绍。随着时代的发展，越来越多的自动化设施被用在生活生产的各个方面。而自动化的一个重要组成部分就是对物体的自动探查并自动做出反应，因此探障技术越来越得到人们的重视并得到了长足发展。在现今，探障技术的一个重要用途就是汽车电子。倒车雷达系统就是探障技术的一个很好的应用，当司机倒车失误时，它可以避免相撞从而避免不必要的损失。也可以展望，如果智能测距技术可以应用在汽车的行使安全中，当有障碍时自动选择合适路径进行避让，就可以大量减少车祸的发生。超声波探障就是指利用超声波对物体进行测距探障，而超声波是指超过20KHz的声波。常用的超声波频率为几十KHz到几十MHz。1.3.2 超声波的特点超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好能够成为射线而定向传播。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可以穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成放射波，碰到活动物体能产生多普勒效应。它具有两种形式：横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小传播较远。利用超声波的特性，可以做成各种超声波传感器，配上不同的电路，制成各种超声仪器及装置，并在通讯，医疗家电等各方面得到广泛应用。1.3.3 超声波传感器简介为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了2。 性能指标：(1) 工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。(2) 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。(3) 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。图1-1 超声波发生器结构1.4 课题的主要研究内容在绪论中对该小车的研究意义做了简要说明。由于小车实现运用到的主要是声音识别及超声波测距，因此在这里对它们进行了介绍。课题的主要研究内容为：1. 根据语音辨识原理设计并实现能够声控的小车系统。2. 根据测距原理设计并实现能够自动避障的小车系统。第2章 智能小车的设计思路2.1 语音识别及超声波探障原理2.1.1 语音识别原理虽然语音识别系统有多种分类方法，但基本原理、所采用的基本技术相似。语音识别的原理图如图2-1所示。首先，要根据人的语音特点建立语音模型，对输入的语音信号进行分析，并抽取所需的语音特征，在此基础上建立语音识别所需的模板。在识别过程中，要根据语音识别模型将计算机中存放的语音模板与输入的语音信号的特征进行比较，根据一定的搜索和匹配策略找出最优的与输入的语音匹配的模板。然后，根据此模板的定义，通过查表就可以给出识别结果。显然，这种最优的结果与特征的选择、语音模型的好坏、模板是否准确都有着直接的关系3。图2-1 语音识别过程2.1.2 超声波测距原理由物理学知，声波属于弹性机械波，由于超声波反射能力很强，而且波长也远比一般的平面反射物表面粗糙度大，所以通常对坚硬物质表面都能反射，利用这一特性，可以将超声波用于物体定位。图2-2 超声波测距原理本设计中使用的测量方法是“回波法”，其基本原理如图2-2所示。传感器发出一定频率的超声波，超声波遇到物体就会被反射回来被传感器接收，计算出这期间的时差并乘以超声波的速度，这样物体的距离就可以计算出来了。2.2 小车功能1. 运动方向小车可以实现前进、后退、左转、右转。2. 声音控制可以通过直接的语音命令控制小车的动作。但在命令时，发出的语音命令要与训练时的命令相互一致。3. 智能避障当小车前方遇到障碍物时，小车会自动选择转向避开障碍物而不用语音控制。2.3 设计思路2.3.1 硬件设计思路在本设计中，最终目的是设计出一个可以进行声音控制以及自动躲避障碍物的智能小车。因此，应该考虑到以下几个问题：1.控制芯片的选择问题；2.小车的运动实现以及用何种方式控制；3.怎样实现语音控制；4.避障的实现问题；除了以上几点，在考虑各个问题的同时要时刻考虑到各功能之间的协调问题以及实现的难易程度、成本等。整个设计都是围绕着单片机展开的，所以第一个问题的解决尤其重要。选择不同的单片机，其它部分的具体解决方案也会有所不同。首先，控制芯片选择了SPCE061A型16位单片机。SPCE061A具有出色的语音识别功能，在内部集成了A/D和D/A转换电路。因此，处理器选择SPCE061A可以使得电路得到简化，语音控制部分的实现也简单许多。只需要配合一定的外围电路，就可以实现音频的输入和输出功能。识别部分同样由于使用SPCE061A简化许多，其内部集成有声音识别器，可以识别传入单片机中的数字语音信号4。其次，小车的运动由两个独立的步进直流电机来完成。一个实现前进和后退，另一个实现左转和右转。这样选择的优点是实现起来比较简单，配合驱动电路最终利用四个I/O口就可以协调控制小车的运动。但这样选择的缺点是不够灵活，但应用起来较前两个简单许多。另外，用两个直流电动机在价格上比较低廉。因此，对于运动的灵活性要求不是很高的前提下，选择该方案完全可以很好的达到目的。避障的实现选择了超声波，它价格低廉也比较好实现。在该设计中，选择了两个普通的电气式超声波传感器，一个发送一个接收。在只假设前方有障碍的情况下，将这两个超声波传感器安装在小车的前方就可以达到目的。如果想要得到更好的避障效果，可以在小车的后面以及两个侧面分别安装超声波传感器，但是相应的电路会复杂许多，也会增加难度软件控制5。最后，考虑到供电问题，设计中除了由小车本身的电池槽供电外，超声波探障部分还可以外接电源。2.3.2 软件设计思路在编写程序之前需要根据小车要实现的功能对软件部分进行模块划分，这样可以避免在设计时手忙脚乱容易出错的问题，更减少了各模块出现冲突的可能。而且在程序调试阶段比较容易找出问题。由小车的硬件组成以及实现功能可以将程序分为三个部分。第一个部分为小车的驱动程序，也就是可以使小车前进、后退、左转、右转的程序。这个部分是整个程序的基础，其它程序最终都要调用这个部分的程序对小车进行控制。第二个部分是避障部分。设计这个部分时，应该配合超声波测距原理来编程，重点是对发射波与反射波之间时间差的计算。第三部分是语音控制部分。这个部分的触发是由训练者的声音触发的，并且这个部分的优先级应该设为最高，当语音控制与避障发生冲突时应当执行语音控制。但应该注意到，虽然语音控制不像是避障部分那样一直都在进行，但是它的识别功能始终都是运行着的。最后，应该注意对各部分的协调。包括对寄存器、中断、I/O口等资源的分配，特别是避障部分与语音控制部分的协调问题，由于这两个部分始终都在同时运行着的，所以非常容易产生冲突。另外，在使用中断时一定要注意对现场的保护以及恢复，并且应当在各个模块与函数后作出标注，重点说明程序入口与返回值等等以便调试时查错。SPCE061A提供了多种音频压缩算法，不同的算法有不同的特点。结合实际情况，选择了SACM_S480，它的特点是压缩比大，计算量大，音质不高。2.4 小车的组成部分及工作过程2.4.1 小车的组成部分1. 底座其它各个部分均安装在这个部分之上，除此之外，这个部分的一个重要功能就是为小车提供动力。它的前后各安装有一个驱动电压为5V的步进电机。前面的电机控制转向，后面的电机提供动力。2. 驱动电路板安装在底座之上。它由十二个三极管以及八个电阻组成，目的是实现用四个I/O口来控制两个安装在底座上的电机的运转，以便与单片机相连从而达到单片机控制电机的运转。3. 控制电路板安装在最上层。它也是声控智能小车的核心。它由单片机及其外围电路、声音采集电路、以及避障电路组成。主要任务是实现对命令的执行以及协调各部分工作。图2-3 小车的组成框图2.4.2 小车工作过程图2-4 小车结构图如图2-4，小车的运行主要分为两大模块，即声控模块以及探障模块。单片机将这两个模块的输入数据进行处理并做出相应的输出到驱动电路，控制小车的运动。另外，单片机还将对两个模块的运行进行协调控制，保证模块之间不会发生冲突。对于具体的运行过程，两个模块相对独立，相互之间的联系并不多。因此，以下将分别叙述。2.4.2.1 声控过程首先要对小车进行训练，从而获取声音标准。训练完成后，小车就可以被声控了。当小车前进时，说话者说出命令，音频模拟信号通过麦克风接收。麦克风接收到的音频信号通过音频输入电路发送到单片机的麦克风专用引脚。通过引脚再传送给单片机中的模拟-数字转换电路，从转换电路出来的信号是数字信号。最后将该数字语音信号与训练所得到的语音库相比较，比较结果相同后，调用相应的前进子程序。单片机的I/O口与驱动电路相连，通过驱动电路上的三极管的道通与截止使得直流电动机的两端产生电压，正向电压就正转，反向电压就反转。其他语音命令的执行过程与原理都与此相同。2.4.2.2 避障过程同语音控制过程不同的是，自动避障是随时都在进行的，并不需要有命令或者外界的触发。首先从单片机发出一定频率的周期信号，该信号传送给超声波发射电路，这个周期信号经过发射电路进行频率调整再传送给超声波传感器，从超声波传感器的发射端发送出超声波。超声波不断的由发射端发出，当前方有较大障碍物时，障碍物会将小车发出的超声波反射回来。小车上的超声波传感器接收端收到被反射回来的超声波后，会向超声波接收电路发出正弦信号。信号经过接收电路的比较器后由正弦信号转换为数字脉冲信号。脉冲信号传送给单片机后，经过与发送的脉冲进行时差计算。当时差小于预设数值时，表明小车即将撞上该障碍物。这时，单片机停止小车运动，调用左转子程序。小车进行左转之后，单片机停止小车运动。调整小车方向，等待新的命令。这样就完成了自动避障。2.5 本章小结在这一章中，首先介绍了语音识别以及探障原理。接下来根据这两个基本原理针对智能小车所要实现的功能提出设计思路，其中包括对单片机的选择、硬件结构以及软件设计。第3章 硬件电路设计3.1 单片机介绍本小节对SPCE061A单片机的特点以及主要参数进行介绍，以便于更好的了解本设计。3.1.1 特点SPCE061A具有以下特点：1. 体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展：它把各功能部件模块化的集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。2. 具有较强的中断处理能力：SPCE061A中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。3. 功能强并且效率高的指令集：SPCE061A指令集的格式紧凑，执行速度快并且其指令集提供了对高级语言的支持。4. 功耗低并且电压低：SPCE061A提供了可供软件控制的3种省电模式，即弱振模式、暂停模式和备用模式，大大的降低了其耗电量。另外，SPCE061A的工作电压范围大，能够在低电压供电时正常工作，而且能够用电池供电。SPCE061A里只内嵌32K字的FLASH ROM，较高的处理速度使它能够非常容易和快速的处理复杂的数字信号，因此SPCE061A微控制器适用于数字语音识别应用领域，是数字语音辨识产品经济的选择67。3.1.2 结构概述SPCE061A的结构如图3-1所示，在这里我们要特别注意它的7通道10位电压模拟-数字转换器和单通道声音模拟-数字转换器，以及两个10位数字-模拟转换输出通道接口AUD1和AUD2。SPCE061A的A/D转换器有8个通道，其中有一个通道是MIC-IN输入，它专门用于对语音信号进行采样。语音信号经过MIC转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入到SPCE061A内部的前置放大器。SPCE061A内部的自动增益控制电路AGC能够随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平。当输入信号增大时，AGC电路自动减小放大器的增益。当输入信号减小时，AGC电路自动增大放大器的增益，以便使进入A/D的信号保持在最佳电平。A/D转换器对于输入的音频信号进行8KHZ采样，并且按照凌阳音频编码格式进行编码，每秒占用16K的存储器空间。SPCE061A的声音播放由双通道10位D/A输出接口AUD1和AUD2来实现。图3-1 SPCE061A的结构3.2 SPCE061A最小系统本小节重点介绍单片机的外围电路，比如复位电路、时钟电路、选频电路、电源电路以及下载电路等8。3.2.1 时钟电路时钟电路采用晶体震荡器电路。如图3-2所示，其OSCI以及OSCO分别接在单片机的晶振输入输出引脚上，VSS1接地。外接晶振采用32768Hz。原因是由于阻容RC时钟电路不如外接晶振电路准确。C1与C2的作用是使电路满足起振的相位条件使Y1起振。SPCE061A通过32768Hz实时时钟源分频而提供了多种实时时钟中断源。 12Y13276820pFC120pFC2OSCVSS1OSCIOSCO图 3-2 时钟电路3.2.2 锁相环PLL电路PLL电路的作用是将系统提供的实时时钟的基本频率(32768Hz)进行倍频，调整至49.152MHz、40.96MHz、32.768MHz、24.574MHz或者20.480MHz。系统默认的PLL自激振荡频率为24.576MH。图3-3中的电路是锁相环压控振动器的阻容输入电路。图3-3 锁相环电路3.2.3 时钟系统这部分由前两小节中叙述过的时钟电路以及锁相环电路与单片机内的时钟系统组成。如图3-4，通过晶振电路产生出基本频率，通过PLL对实时时钟32768Hz进行倍频处理，产生出FOSC信号，作为时钟源。FOSC信号经过分频产生出CPUCLK信号，同时，32768Hz信号经过时基信号发生器的分频处理，为定时/计数器提供时钟源信号并为中断系统提供中断信号。图3-4 时钟系统结构图3.2.4 复位电路在本设计中，采用低电压复位，复位电路如图3-5所示。当按下按键后，单片机上复位引脚就产生一个低电平，单片机就复位。当电源电压低于2.2V时，系统会变得不稳定而且容易出故障，会在4个时钟周期之后产生一个复位信号，使系统复位。S1104C74.7KR2RESETVSS1RES_BVDD1图3-5 复位电路3.2.5 电源模块这一部分的作用是为单片机以及各个模块供电。电路如图3-6所示。其中C21、C22、C23、C24的作用是滤波抗噪，保证电源的稳定性。二极管D2和D3的作用是保护U3芯片以及电路板上的其他器件，当电源反接时D2和D3导通防止U3或者其他器件烧毁。SPY0029是一款电压转换芯片，输入端VI的最高输入电压是+7V，输出电压有(2.55V、2.7V、3.0V、3.3V)。在本设计中，选择输出电压为3.3V9。VI2GND1VO3U3SPY0029104C21104C23POWERVSS261A_VCC61A_GNDV5D2IN4007D3IN4007VSS10R36220uFC22220uFC24VDDH3图3-6 电源模块3.2.6 程序下载电路如图3-7，该电路的功能是通过与PC机相连来将程序传入单片机的ROM中。在这里用到了单片机上的三个引脚ICE_EN、ICE_SCK以及ICE_SDA。其中ICE_EN为ICE使能引脚，ICE_SCK为ICE时钟引脚，ICE_SDA为数据传输引脚。这里提供了两种下载方式，使用在线调试器或者普通的IDE连接线进行下载。通过J5选择到底使用哪种方式下载。使用在线调试器的工作原理在这里就不予介绍了，重点介绍一下EZ-PROBE电路。EZ-PROBE电路的核心74HC244芯片。该芯片是一款电流驱动芯片，在芯片中集成有8个放大器。1OE引脚为低电平时，前4个放大器工作。同样地当2OE引脚为低电平时，后4个放大器工作。当选择PROBE下载时，J5的1和2跳短，这样就相当于给1OE引脚了一个高电平，前四个放大器停止工作，这样EZ-PROBE不可用。当选择了EZ-PROBE进行下载，J5的2和3针跳短，ICE_EN与VDD短接，ICE_EN为高电平，PROBE不可用。J4的3针脚PD0与单片机地ICE_SCK连接，提供下载时的时钟。5针脚与单片机的VSS1相连接，作为参考地电压。而J4的1针脚STORBE控制U4的使能端，作为数据输入控制端。3针脚是数据传输脚，它与单片机的ICE_SDA引脚相连。J4的4针脚是这个部分的关键也是它与PROBE最大的不同点，这个针脚的作用是将数据引脚的数据回传给PC机，通过与程序的配合达到对数据传输的控制。下载时J4与PC机的25针IDE相连接。STORBE出现高电平，使U4开启。配合PD0传来的时钟信号，PD1开始传输数据。同时，BUSY端将正在传输的数据回传，通过程序判断传输状态。如果数据没有问题，则继续传输下去，要是数据有问题或者没有发现有数据出现，则由程序控制停止传输。D4为3.3V的稳压管，保证芯片的后四个放大器的使能引脚稳定在3.3V。C26为滤波抗扰电容，其它的电阻的作用是保护电路限制电流。图3-7 程序下载电路3.3 小车驱动电路小车的驱动电路分为两个部分，一个对方向进行控制另一个对前进或后退进行控制，下面分别介绍。3.3.1 方向及动力控制电路如图3-8，电路由六个三极管以及四个电阻组成，电路直接与电动机相连接。控制电路由小车的电池槽提供电压10。工作过程如下：1. 当IOB10为高电平IOB11为低电平时，Q7的基极为高电平从而导通。由三级管的特性可知，Q7的集电极以及发射极也都为正电压，从而受Q7影响的Q9以及Q12的基极也都为正电压，Q9和Q12也都导通。同时，由于IOB10为低电平，Q8的基极为低电平，Q8处于截至状态，受Q8影响的Q10和Q11也处于截至状态。因此，转向电动机的“1”端为高电平，“2”端为低电平。这样，转向电动机正转，带动前轮向左转11。图3-8 方向控制电路2. 当IOB10为低电平IOB11为高电平时，Q8的基极为高电平从而导通。由它控制的Q10以及Q11也都导通。同时由于IOB10为低电平Q7截至，因此受其影响的Q9和Q12也都截至。因此，转向电动机的“1”端为低电平“2”端为高电平，电动机反向转动，带动前轮向右转。过大的电流会使三级管损坏从而使电路失效，电阻R5、R6、R7以及R8的作用是防止三级管被损坏。图3-9 动力控制电路需要注意IOB10、IOB11不能同时为高电平，这样会造成前轮驱动全桥的桥臂短路。如图3-9为动力控制电路，它与转向控制电路相似，这里不再赘述。3.3.2 控制端口状态表3-1列出了控制端口的状态以及小车对应的运动。表3-1 控制端口状态3.4 声音控制电路在这一小节中，将详细介绍和声音控制有关的电路。由于采用了SPCE061A单片机，有关声音控制的外部电路都要配合单片机内的电路工作。3.4.1 声音输入及A/D转换电路1. 声音输入电路图3-10 声音输入电路如图3-10所示，VMIC为麦克风供电，由于麦克风有一定的工作电压和电流要求，因此R4、R5以及R6的作用是调整电压和电流以适应麦克风工作。C8的作用是使麦克风供电引脚的电压更稳定。C9和C10的作用是抗干扰，起到一定的滤波作用。最后，经过调整的麦克风模拟信号通过MICP与MICN输入到单片机内。在这里需要注意的是，这个部分的信号都是模拟信号，最终的模拟数字转换是在单片机内完成的。2. A/D转换电路这个部分集成在单片机内，如图3-11所示，虚线内表示单片机内部。SPCE061A有8路可用复用10位ADC通道，其中一路通道(MIC_IN)用于语音输入，模拟信号经过自动增益控制器和放大器放大后进行A/D转换。其余7路通道(LINE_IN)和IOA0IOA6引脚复用，可以直接通过引线(IOA0IOA6)输入，用于将输入的模拟信号转换为数字信号。SPCE061A的A/D转换范围是整个输入范围，即最大的模拟信号输入电压范围0VAVdd。非法的A/D模拟信号将影响转换电路的工作范围，从而降低ADC的性能。图3-11 A/D转换电路单片机内部集成了了两级放大器以及相关控制字。其中V2VREF提供了2V的参考电压，当需要2V的A/D最高参考电压时，将它与单片机的外部最大的参考电压输入引脚VRT短接即可。VMIC为麦克风供电引脚，MICP与MICN为麦克风输入引脚。OPI与AGC等引脚共同控制两级放大器，可以通过调整REXT来调整第二级放大器的增益大小（第二级放大器增益A=60K/(1K+Rext)），总增益=第一级增益第二级增益。MUX为ADC的多通道控制单元，对这个控制单元进行写入来选择到底是通过哪一个通道进行语音输入。P_ADC存储MIC输入的A/D转换的数据。P_ADC_LINEN_DATA用于读出LINE_IN10位ADC转换的数字数据。RDY的作用是用来触发A/D转换。以上这些控制单元将在下一章软件部分作详细说明。3.4.2 声音输出及D/A转换电路1. 声音输出电路声音输出电路如图3-12所示，当需要声音输出时将J2跳短使单片机的数模转换引脚DAC与输出电路相连接。其中，C16的作用是进行滤波避免输出的模拟信号被干扰，R11的作用是进行电压电流调整。SPY0030是这个部分的核心。它是凌阳公司的一款音频功率放大芯片，最大公路增益为20，其中4和6引脚是它的输入端，1和2引脚为它的输出引脚直接与扬声器相连接。音频信号由这里输入到芯片中进行功率放大。8引脚为供电引脚，7引脚为它的使能引脚，3引脚为参考地，6引脚为参考电压庶出引脚。通过R12可以调整声音的大小。C17、C18的作用是滤波抗扰，使声音信号不会被噪音干扰。C19与C20做SPY0030的电源输入滤波电路。图3-12 声音输出电路2. D/A转换SPCE061A为音频输出提供两个DAC通道。其结构如图3-13所示。P_DAC1与P_DAC2是一个带10位缓冲寄存器的10位D/A转换单元。通过此单元可以直接写入10位数据到缓存器。P_DAC_CTRL为DAC控制单元。这些控制字也将在下一章详细介绍。图3-13 D/A转换结构3.5 超声波探障电路在本小节中，将详细介绍与超声波探障有关的电路。包括超声波发射电路、超声波接收电路、距离选择电路以及其它相关电路。3.5.1 超声波发射电路超声波发射电路由六个反向器组成如图3-14所示，它们直接与IOB3相连接，通过对单片机的I/O口进行设置使得从IOB3输出40KHz的脉冲40KHZ_SENDSEND224C46224C4512US154U6BCD4049UB/FP76U6CCD4049UB/FP910U6DCD4049UB/FP1112U6ECD4049UB/FP1415U6FCD4049UB/FP32U6ACD4049UB/FPVCCTGROUNDPower图3-14 超声波发射电路信号。通过六个反向器进行调整，使传入超声波传感器的矩形脉冲功率加大。传感器的原理已经在前面介绍过了，由于外部电源信号的频率处在超声波传感器的谐振频率，因此超声波传感器发出40KHz以上的超声波。而这两个电容的作用是进行抗扰滤波。需要说明的是，在这里选用了一片CD4049UB，其内部刚好集成了六个反向器。超声波传感器的谐振频率为40KHz，工作电压为4.5V9V。另外，由超声波传感器的原理可知，超声波是沿着发射传感器的轴线方向发出的，因此在使用时将超声波传感器的轴线方向朝着小车的前方12。3.5.2 超声波接收电路该接收电路的主要功能是将物体发射回来的超声波信号由超声波接收传感器接收，形成模拟信号传入电路，然后对该信号进行调整使它能够被单片机接收识别从而计算物体离小车的距离进行避障控制。图3-15 超声波接收电路如图3-15所示，超声波接收电路由一个超声波接收传感器、一个比较器和两个放大器组成。放大器选择NE5532芯片，该芯片中集成有两个放大器，对音频信号有很好的放大作用并且有较低的工作噪声。比较器选择了LM311-8芯片，1引脚是地端参考电压，2与3引脚是芯片的输入引脚，4和8引脚是该芯片的供电引脚，7引脚是输出引脚，5和6引脚在本设计中没有用到，所以置空。首先，由物体反射回来的超声波被接收传感器接收，这个信号是非常微弱的。R29与R31组成分压电路对输入第一个NE5532功率放大器的电压进行分压。C50与R30的作用是抗噪声并且对电压电流进行调整。R32与C49同功率放大器的负端与输出引脚相连接形成一个积分电路，微弱的接收信号通过这个部分回被放大并且由于积分作用使得一部分噪声被去除。后面的R52、C59与第二个功率放大器依然组成了一个积分放大电路，经过第一级放大后的信号在这里又一次被放大。这两级功率放大电路对超声波接收传感器接收到的微弱信号进行了10000倍的放大。被放大后的信号的功率足够发送到单片机内进行识别，但是这个信号并不是脉冲信号，因此再通过LM311-8芯片进行调整。经比较器比较以后，信号被调整为脉冲信号。最后，将这个数字信号输入单片机内进行处理12。3.5.3 避障距离选择电路选距电路如图3-16所示，通过这个调整这个电路中的J17以及R27，可以选择探障距离。一共提供了三种测距模式，LOW、HIGH和SET。它们的测距范围都有所不同，其中LOW的测距范围为25cm100cm，HIGH的测距范围为70cm400cm，SET可以自选距离范围但最大不超过700cm最小不小于25cm。这些参数范围都是有一定实际意义的，在第四章会重点介绍，下面仅就这几种测距模式对电路进行说明。图3-16 距离选择电路这三种模式的选择实际上就是通过对接收电路中的LM311比较器的比较电压进行选择来实现的。当选择了LOW模式时，如图所示接入LM311的COM_LINE引脚的电压是VCCT在R23与R24上的分压，也就是20KVCCT/(5.1K+20K)。这个电压是比较高的，因此对于低于这个电压的信号没有反应，我们知道超声波对于物体距离越远反射波的能量越微弱，电压信号也就越低，因此对于超过100cm距离的物体就无法接收到回波了。当选择了HIGH模式时，接入LM311的COM_LINE引脚的电压是VCCT在R25与R26上的分压，也就是20KVCCT/(11K+20K)。这个电压较LOW来说比较高，因此对于较远的物体的反射波依然可以发现但对于进距离的物体反射波的判断会变得不准确。当选择了SET模式时，如图所示接入比较器的比较电压是通过变阻器R27与电阻R28的分压，即R28*VCCT/(R28+R27)。在这个模式下可以通过对变阻器的调节来调整测距距离。3.6 本章小结在本章中详细介绍了以SPCE061A为核心的硬件电路的结构与原理。叙述时按照设计时的模块逐一介绍，包括SPCE061A的最小系统(晶振电路、锁相环阻容输入电路、复位电路、下载电路等)、小车驱动电路、声音输入电路、声音输出电路、超声波发射以及接收电路等。其中避障部分的重点是超声波的发送与接收模块，而对于声控部分的重点是A/D及D/A转换电路。另外，对于声控部分还用到了单片机内的一个辩识器，它可以进行实时监控，对于输入的数字语音信号与模型进行比较得出索引号，但由于比较复杂这里就不在叙述了。第4章 软件设计4.1 主程序说明流程如图4-1所示，首先进行初始化设置并打开识别器。接下来要判断是否已训练。在这里利用了一个特殊的FLASH单元(0xe000单元)，当FLASH在初始化以后，如果没有进