基于SPCE061A的电子语音时钟设计

摘要钟是现代人类日常生活必不可少的工具，语音时钟更是现在电子时钟多功能化发展的一个方向。语音电子钟具有突出的播报时间的功能，它被广泛用在生活中的各种场合。本设计就是从日常生活中常见的事物入手，通过对语音电子钟的设计，让我认识到单片机已经深入到我们生活的每个领域。本设计基于单片机技术原理，以SPCE061A单片机作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计制作出一个多功能数字时钟系统。该时钟系统主要由时钟模块、计时模块、语音播报模块、液晶显示模块、键盘控制模块组成。系统具有简单清晰的操作界面，能够准确显示时间以及日期，并且实现同步播报功能，可随时进行时间调整，同时系统还具有闹钟时间设置、闹钟开/关、止闹功能以及秒表的应用。本设计电路简单明了，系统稳定性高。同时，该时钟系统还具有成本、低功耗的特点，具有很强的实用性，而且系统具有一定的可扩展性。关键词SPCE061A单片机，实时时钟，语音报时，数码管显示ABSTRACTTHEBELLISTHEINDISPENSABLETOOLOFMODERNDAILYLIFE,THESPEAKINGCLOCKISADIRECTIONOFTHEDEVELOPMENTOFMULTIFUNCTIONALELECTRONICCLOCKVOICEELECTRONICCLOCKWITHPROMINENTBROADCASTTIME,ITISWIDELYUSEDONVARIOUSOCCASIONSINLIFETHISDESIGNISTOSTARTFROMTHECOMMONTHINGSOFEVERYDAYLIFE,THROUGHTHEDESIGNOFVOICEELECTRONICCLOCK,IREALIZEDTHATTHEMICROCONTROLLERHASGONEDEEPINTOOURLIVESEACHOFTHESEAREASTHISDESIGNISBASEDONTHEPRINCIPLEOFSCMTECHNOLOGYORDEROFSPCE061AASTHECORECONTROLLER,THROUGHTHEPRODUCTIONOFTHEHARDWARECIRCUITANDSOFTWAREPROGRAMMINGFORTHEDESIGNOFAMULTIFUNCTIONALDIGITALCLOCKSYSTEMSTHECLOCKSYSTEMCLOCKMODULE,TIMINGMODULES,VOICEBROADCASTMODULE,LCDMODULE,KEYBOARDCONTROLMODULECOMPOSITIONTHESYSTEMHASASIMPLEANDCLEARUSERINTERFACE,ABLETOACCURATELYDISPLAYTHETIMEANDDATE,ANDSYNCHRONOUSBROADCAST,MAYATANYTIMETOADJUST,THESYSTEMALSOHASTHEALARMTIMESETTINGS,ALARMON/OFF,ONLYTROUBLETHEAPPLICATIONOFTHEFUNCTIONANDSTOPWATCHDESIGNHARDWAREANDSOFTWAREASTHEGUIDINGIDEOLOGY,GIVEFULLPLAYTOTHEMCUFUNCTION,MOSTOFTHEFUNCTIONALITYTHROUGHSOFTWAREPROGRAMMINGSIMPLECIRCUITANDSYSTEMSTABILITYATTHESAMETIME,THECLOCKSYSTEMCOST,LOWPOWERCONSUMPTION,ANDHIGHLYPRACTICAL,ANDTHESYSTEMHASACERTAINDEGREEOFSCALABILITYKEYWORDSSPCE061ASINGLECHIP,REALTIMECLOCK,VOICEBROADCAST,DIGITALDISPLAY目录第一章语音时钟设计环境介绍11161板简介112SPCE芯片介绍2121芯片简介2122芯片性能与结构213NSP的核心结构3131CPU核心组成3132管脚描述5133特性514集成开发环境NSPIDE615SPLC50液晶显示模组7151参数7152硬件连接8第二章语音时钟设计原理简介921设计概述9211时钟功能9212语音输出功能922设计方案11第三章语音时钟硬件设计1131系统硬件结构11311硬件连接11312按键设计1232系统模块设计13321计时系统13322SPCE061A中断系统16323音频模块19324语音输出模块19325数模转换模块19326SPLC501液晶显示模组20327看门狗22第四章电子时钟程序设计2341软件结构2342主程序2343键盘扫描程序2444时间日期程序2645播放语音子程序2746LCD显示子程序2847校时子程序29总结31参考文献32谢辞331第一章语音时钟设计环境介绍1161板简介61板是凌阳十六位单片机中的一款SPCE061A的开发系统。61板是SPCE061A的硬体开发系统，用户只采用61板就可以进行开发，与61板配套的软体开发工具名称为凌阳十六位单片机集成开发环境（UNSPIDE）,凌阳大学计划网站提供开发环境的免费下载和升级。61板的主要特点是简单、易学、实用。它采用的是精简指令集，在这个指令系统中共有41条指令，指令功能简单且容易掌握。“61板“除了具备单片机最小系统电路外还包括有电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等。图1161板框图说明主要部位说明POWER5V一般指令周期最长为182个时钟周期，原因是累乘加指令需要的时间最长为182个时钟周期；其次CPU响应中断后，到CPU执行中断服务程序又需要8个时钟，原因是需要堆栈PC指针和SR寄存器及将中断向量赋值给PC及跳转到中断服务程序，这些操作共需要8个时钟周期。因此,SPCE061A从中断信号出现到进入中断服务最长需要190个时钟周期。当然，如果出现有同级或高级中断正在响应或服务中须等待的时候，那么响应时间是无法计算的。中断响应后，P_INT_CTRL和P_UART_COMMAND2中的中断请求标志应及时清除。否则就意味着中断请求仍然存在，弄不好就会造成中断的重复查询和响应，因此就存在一个中断请求的撤销问题。在SPCE061A中断中，中断撤销只是标志位的置“0”问题。SPCE061A中断除UART中断外，所有的中断均需软件清除标志位，即将P_INT_CTRL中相应的中断位清零。即可将中断请求撤销。而UART中断，则是硬件自动清零，不需要软件操作。如当接收到数据后，P_UART_COMMAND2中的接收标志位自动置“1”，进入UART中断，在UART中断中读出数据，P_UART_COMMAND2相应的中断标志位自动清零。SPCE061A单片机的中断服务流程图37所示19图37中断服务流程图所谓中断的入口即中断的入口地址，每个中断源都有自己的入口地址，中断入口地址表如下中断向量中断优先级别FFF7H（复位向量）RESETFFF6HFIQFFF8HIRQ0FFF9HIRQ1FFFAHIRQ2FFFBHIRQ3FFFCHIRQ4FFFDHIRQ5FFFEHIRQ6FFFFHUARTIRQ表31中断入口地址表当CPU响应中断后，就是通过中断入口地址进入中断服务程序。323音频模块此模块主要通过MICROPHONE把我们所要求语音信息进行的输入。再由SPCE061A对采集的语音信号进行处理提取的说话人特征参数与存储在外扩FLASH内的特征参数模板进行匹配。20324语音输出模块可以直接听喇叭输出的声音。SPY0030A是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片。和LM386相比，SPY0030A还具有工作电压低、输出功率高及低失真的优势。325数模转换模块D/A（数/模）的作用就是把数字量转换为模拟量的部分，音频输出就是这个过程，A/D（模/数）的作用就是把模拟量转换为数字量的部分，音频输入就是这个过程把人讲话的声音波形通过SPCE061A芯片中的A/D（模/数）采集后，处理后又通过D/A（数/模）转换还原后，通过功率放大电路播出声音。SPCE061A提供了两路的D/A（数/模）转换通道，分别是DAC1、DAC2。SPCE061A有7个10位ADC通道，其中一个通道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（模/数）转换。其余6个通道LINE_IN和IOA06引脚共享，可以将输入的模拟信号如电压信号转换为数字信号。326SPLC501液晶显示模组SPLC501液晶显示模组为128X64点阵，面板采用STN（SUPERTWISTEDNEMATIC）超扭曲向列技术制成并且由128SEGMENT和64COMMON组成。（1）SPLC501的组成SPLC501液晶显示模组主要有液晶显示器（带驱动、控制器的液晶面板）、复位按键、电源指示灯和模组接口及跳线。SPLC501液晶显示器的接口引脚说明接口引脚名说明CS1片选，低有效RES复位脚AO数据命令选择脚21对于6800系列MPU的读/写信号（R/W）R/W对于8080系列MPU的写信号（W/R）对于6800系列MPU的时钟信号使能脚（EP）EP对于8080系列MPU的读信号（RD）DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB78位数据总线VR端口输出电压C86H选择6800MPU系列C86C86L选择8080MPU系列PS串、并行时序选择表32接口引脚说明（2）SPLC501驱动控制器芯片SPLC501液晶显示模组采用的驱动控制芯片为凌阳科技的SPLC501A芯片，SPLC501为液晶显示控制驱动器，集行、列驱动器和控制器于一体，广泛应用于小规模液晶显示模块。SPLC501单芯片液晶驱动，可以直接与其他微控制器接口总线相连。微控制器可以将显示数据通过8位数据总线或者串行接口写到SPLC501的显存中。SPLC501的特点1内置8580位显示RAM。RAM中的一位数据控制液晶屏上的一个象素点的亮、暗状态。“1”亮“0”暗。2具有65行驱动输出和132列驱动输出。3可以直接与80系列和68系列微处理器相连。4内置晶振电路，也可以外接晶振。5工作温度范围为40摄氏度和85摄氏度之间。22SPLC501液晶显示模组采用GPG12063YS3LCD模块，此模块内嵌SPLC501芯片，采用先进的COG技术，将芯片嵌在LCD玻璃上，结构框图如图38所示。图38SPLC501的结构框图（3）SPLC501的显示RAM区映射SPLC501液晶显示模组的显示器上的显示点与驱动控制芯片中的显示缓存RAM是一一对应的；SPLC501A芯片中共有65（8PAGEX8BIT1）X132个位的显示RAM区。而显示器的显示点阵大小为64X128点，所以实际上在SPLC501液晶显示模组中有用的显示RAM区为64X128个位；按BYTE为单位划分，共分为8个PAGE，每个PAGE为8行，而每一行为128个位（即128列）。SPLC501液晶显示模组中，驱动控制芯片的显示RAM区每个BYTE的数据对应屏上的点的排列方式为纵向排列，低位在上高位在下；SPLC501液晶显示模组的显示屏上的每一个点都对应有SPLC501A片内的显示缓存RAM中的一个位，显示屏上64X128个点分别对应着显示RAM的8个PAGE，每一个PAGE有128个BYTE的空间对应。因此可知显示RAM区中的一个PAGE空间对应8行的点，而该PAGE中的一个BYTE数据则对应一列（8个点）。（4）SPLC501行和列地址用户如要点亮LCD屏上的某一个点时，实际上就是对该点所对应的显示RAM区中的某一个位进行置1操作；所以就要确定该点所处的行地址、列地址。SPLC501液晶显示模组的行地址实际上就是PAGE的信息，每一个PAGE应有8行；而列地址则表示该点的横坐标，在屏上为从左到右排列，PAGE中的一个BYTE对应的是一列（8行，即8个点），达128列。可以根据这样的关系在程序中控制LCD显示屏的显示。SPLC501A芯片的显示缓存RAM区实际上比模组上的显示器所对应的RAM区要大；23所以，实际在用的时候SPLC501A芯片中每个PAGE的RAM中的前4个BYTE是没有点对应的。（5）SPLC501操作时序SPLC501液晶显示模组提供了8080和6800的并行操作时序，也提供了串行的操作时序，用户可以通过对PS、C86引脚接不同的电平来选择操作的时序。327看门狗WATCHDOG是用来监视系统的正常运作。当系统正常运行时，每隔一定的周期就必须清除WATCHDOG计数器。如果在限定的时间内，WATCHDOG计数器没有被清除，CPU就会认为系统已经无法正常工作，将会进行系统复位RESET。SPCE061A的WATCHDOG的清除时间周期为075秒。因为WATCHDOG的溢出复位信号WATCHDOG_RESET是由4HZ时基信号经4分频之后产生的，即每4个4HZ时基信号1秒将会产生一个WATCHDOG_RESET信号。第4章电子时钟程序设计本毕业设计所做的是一个具有报时功能及作息时间控制钟。它利用SPCE061A单片机的2HZ时基计时，进行年历计算，并用SPCE061A的语音功能将它报出来；在进行时间计算，分每加1时，都与规定的作息时间比较，如果相等则进行相应的控制或动作。41软件结构根据语音电子钟的硬件模块化设计，结合IDE集成开发环境及程序设计规则，提出如图41所示的软件结构。从图中可以看出各文件之间的调用关系。24图41软件结构图各个程序文件的功能描述1MAINC实现了系统的初始化，显示开机画面，键盘扫描和语音播报。2SYSTEMC包含了工程中大部分的功能函数，包括各种界面的显示、时间和日期的调整、秒表的调整、闹钟的时间设定、闹钟的铃声选择等。3KEYC键盘扫描文件，里面定义了键盘扫描函数、延时函数，用来实现对键盘的扫描等功能，键盘扫描采用查询方式。4ISRASM中断服务函数文件，实现语音解码、秒表和时间以及日期的修改。5SPEAKC语音播报函数，实现语音播报日期、时间以及闹钟。42主程序主程序流程如图42所示，在主程序中初始化了整个工程中用到的变量，初始化了液晶显示模块。开2HZ中断实现计时。在主程序中调用了键盘扫描程序，对IO口的低三位进行扫描，如果有键按下，就把相应的键值存入到一个变量中，通过主程序来判断是哪个键按下，并执行相应的功能若是KEY1键按下，则会进入功能选择菜单，此时KEY1就会为确定键，KEY2为下翻键，KEY3为上翻键；若是KEY2键按下，播报时间；若是KEY3键按下，播报当前的日期；KEY2、KEY3键同时按下控制闹钟的开/关。25图42主程序流程图43键盘扫描程序本设计中，由于在语音时钟的功能上用到了3个按键进行播放和调时，所以就用到了键盘扫描程序来进行按键的去抖动和对按键长、短按的识别。去抖动的原理是利用主程序的循环扫描，主程序循环一次，扫描一次按键，当连续N次扫描到的键值都一样时，则说明是稳定的按键值。长、短按的识别也是同样的道理，当按键持续时间到扫描按键次数大于N时，系统认为此次操作为长按，按键持续时间所进行的扫描小于N次时，系统认为此次操作为短按。键按下过程原理如图43所示26图43键按下的过程44时间日期程序时间日期程序模块的流程图如图44所示,该模块用到了2HZ的时基中断，用来实现计时，同时实现了日期的更新，其中农历是使用查表的方法来实现的。27图44时间日期模块流程图45播放语音子程序本设计中的语音报时播放，采用SACMA2000播放，SACMA2000属于波形编码，具有高质量，高码率的特点，适合于高保真语音的播放。播放语音子程序在本设计中主要是通过主程序MAINC进行调用。属于自动方式的播放状态，A2000自动方式的主程序流图如图45所示。28图45A2000自动方式主程序流程图中断服务子程序流程见图4629图46语音中断服务子程序流程图46LCD显示子程序本设计中的时间显示模板是由SPLC501控制器图形液晶显示模组完成显示的。此液晶模组为12864点阵，面板采用STN（SUPERTWISTEDNEMATIC）超扭曲向列技术制成并且由128SEGMENT和64COMMON组成。语音时钟设计LCD显示原理图如图47所示。30图47LCD显示子程序47校时子程序计时子程序利用2HZ的时基中断进行时钟计时，这样可以保证计时的准确性。通过2次2HZ的中断后秒变量加1，然后进行一系列相应的判断语句，确定时间各参数值的变化情况。作为万年历，当然还应考虑闰年、平年以及每月不同的天数来计算日期变量值。对时间进行校正是必须的。校正功能为键盘扫描循环，依据键值进行时间、日期参数的选定和修改。时间校正使用3个键，键1和键3作用是使待修改的时间、日期参数加1或减1。同时用语音播放修改后的时间和日期值。修改校正时，还要判断修改后的日期或时间值的合法性。键2的作用是循环选择需要修改的时间、日期参数，按照年、月、日、时、分和星期的顺序依次设定为待修改项。31图48校时子程序流程图计时中断子程序如图49图492HZ时基中断流程图32总结本设计采用SPCE061A板实现电子语音时钟在计时、播报，显示方面的基本功能。设计中利用了芯