基于嵌入式景点导航系统2013114

1、 嵌入式系统设计结课论文论文题目 景点语音导览系统硬件系统姓 名 学 号 日 期 摘 要 本设计主要实现了景点语音自动导览系统，具有景点语音信息录放以及选择播放某个景点信息等功能。系统包括微控制器模块，语音录放电路，触摸屏LCD 模块，复位电路及电源等。系统使用ARM 嵌入式系统来控制语音芯片的工作。语音合成芯片选用ISD4004, 它采用模拟数据半导体存储器直接存储的专利技术，较好地真实再现语音的自然效果。配合触摸屏LCD 模块，能够精确地实现景点语音信息的录入以及选择放音。 关键词 嵌入式；触摸屏LCD；语音导览；SPI 控制 前 言 自动驾驶系统是一个复杂的电子系统，涉及传感器、图像处理

2、、信息融合和逻辑推理等多项技术，该系统一直是信号与信息处理领域中的一个研究热点问题。随着现代信号与信息处理技术的发展，自动驾驶技术也在不断进步。本项目希望研究的最终目标是一个完整的旅游列车辅助驾驶系统，该系统涉及四个方面的内容，第一是景点语音自动导览子系统；第二是物障检测报警子系统；第三是列车运行状态检测和故障自动诊断子系统；第四是自动运行控制子系统。其中本课题的研究内容就是要实现旅游列车辅助驾驶系统的第一方面内容，即景点语音自动导览子系统。从目前导览系统的发展和应用来看，现在旅游景点、博物馆、展馆等个人需要导览服务的场所都应用了导览机，这些设备主要以无线自动导览为主，也有部分人机互动导览系统

3、。它们大都采用GPS 定位方式来实现语音播报自动导览控制功能。但是这类无线系统主要应用与人为景点、城市景观游览区，在大多数旅游景点，特别是山区和溶洞等自然景观区使用时准确率较差。特别是旅游列车所运行的自然景观区域，一般范围较广，自然环境奇异，无线通信条件较差。如何利用旅游列车的固定轨道运行特点，设计一个更精确更稳定的语音自动导览系统，是本课题需要解决的问题。 第1章 景点语音自动导览子系统的总体设计1.1系统的功能和总体结构景点语音自动导览子系统具有以下功能：（1）各个景点语音信息的录入；（2）通过按键模拟到点触发，播放各个景点的语音信息。根据系统功能要求，可将系统分为4个功能模块：ARM芯片

4、 STM32模块、电源模块、语音录入电路模块、语音播放电路模块ARM芯片 STM32模块：控制语音模块的录入与输出。电源模块：将15V的直流电源转换成+3.3V和+5V对各模块供电。语音录入电路模块：通过麦克风录入各个景点的语音介绍信息。语音播放电路模块：通过喇叭播放各个景点的语音介绍信息。景点语音自动导览子系统总体框图见图1-1。ARM芯片STM32时钟驱动数字音频数据存储器输出接口控制按键模拟触发复位控制电源控制 1.2元器件的选型根据系统的总体设计和功能分析，进行硬件设计前需对各功能模块所使用的元器件选型。 1.2.1微控制器的选型在硬件设计中，单片机的选择是最重要的，需要从单片机最高频

5、率、芯片内部硬件资源、系统功耗、芯片软件支持工具，内置调试工具等方面考虑。STM32F103RBT6增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口:2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。 STM32F103RBT6增强型系列工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V

6、，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。 本设计课题中采用STM32F103RBT6作为语音电路的MCU控制器，主要使用它的SPI模块用于发送和接受录放音指令。1.2.2 语音处理芯片的选型ISD4004系列语音芯片工作电压为+3V,单片录放时间8到16分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存储在片内闪烁存储器中,因此能

7、够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。ISD4004采样频率可以是4.0,5.3,6.4或8.0kHz，频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存储器中,可在断电情况下保存一百年(典型值),可反复录音十万次。本项目选用的是单片录放时间为16分钟的语音芯片，其采样频率为4.0kHz，可分2400段，工作于SPI 串行接口，指令格式为8位控制码+16位地址码。引脚描述（1）电源(VCCD,VCCA) 芯片内部数字电路电源正极引脚和模拟电路电源正极引脚。为使噪声最小,芯片的数字电路和模拟电路使用不同的电源供电,并且

8、分别引到外封装的不同管脚上,数字和模拟电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。（2）地线(VSSD,VSSA) 芯片内部数字电路电源地线和模拟电路电源地线引脚。芯片的数字电路和模拟电路也要使用不同的地线。图1-3 ISD4004芯片引脚（3）同相模拟输入(ANA IN+) 录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰-峰值32mV,耦合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰-峰值16mV。（4）反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。

9、信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰-峰值16mV。（5）音频输出(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动5K的负载。（6）片选() 此端为低,即向ISD4004芯片发送指令，两条指令之间为高电平。（7）串行输入(MOSI) 此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,以供输入。（8）串行输出(MISO) 此端为串行输出端，芯片未被选中时,本端呈高阻态。（9）串行时钟(SCLK) 时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI 和MISO的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到芯片,在下降沿移出芯片。 （10）中断() 本端为漏极开路输出。芯片在任何操作(包括快进)中检测

10、到EOM或OVF时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI周期开始时清除。中断状态也可用RINT指令读取（OVF标志指示芯片的录/放操作已到达存储器的末尾；EOM标志只在放音中检测到内部的EOM标志时,此状态位才置1）。 （11）行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个RAC周期表示芯片存储器的操作进行了一行(ISD4004系列中的存储器共2400行)。该信号保持高电平175ms,低电平25ms。快进模式下,RAC 218.75s是高电平，31.25s为低电平。该端可用于存储管理技术。（12）外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在1%以内。商业级芯片

11、在整个温度和电压范围内, 频率变化在2.25%以内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在4%以内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接时钟时,此端必须接地。（13）自动静噪(AM CAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于滤除无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1µF的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时

12、,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1µF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA则禁止自动静噪。内部结构图1-2 ISD4004的内部结构 1.3电源芯片的选型景点语音自动导览子系统需要两个不同的直流稳压电源，分别是+5V、+3.3V,对电路中的功放芯片等供电。第2章 景点语音自动导览子系统的硬件设计2.1 系统的总体组成结构语音自动导览子系统是由ARM STM32模块及扩展的外部语音模块和接口电路构成，整个系统工作频率为281.25KHz。系统主要由ARM控制语音芯片的录放音，从录音模块录入语音信息，再由放音模块实现对景点语音信息的输出。整个系统包括如下

13、部件： l ARM芯片STM 32l 电源电路l 语音录入电路l 语音播放电路2.2 语音模块的设计语音模块由录音与放音两部分组成，采用ISD4004语音芯片实现。其中录音电路通过麦克风录入音频信号，经过放大和去噪电路存入ISD4004语音芯片。放音电路将音频信号去噪后经过音频放大器输出。语音芯片外围电路图如图2-1所示：图2-1 语音芯片外围电路语音录放控制电路是由三极管的导通控制，如图2-2所示，放音电路如图2-3所示。图2-2 录放音控制电路模块图2-3 放音电路模块2.3 电源模块的设计电源模块是给整个系统供电，有两种不同的电源需求，使用Ucc3842PWM发生芯片，以产生所需的两种电

14、源+5 V、+3.3 V，其中+3.3V分为数字电源和模拟电源。电源模块简单示意图如2-4所示。图2-4电源模块电路第3章 景点语音自动导览子系统硬件制作3.1 PCB板的设计与制作PCB板的设计需考虑如下因素：l 电磁干扰l 系统工作频率l 元器件布局l 走线方向与密度景点语音自动导览子系统的工作频率为281.25KHz，较低的工作频率，因此系统的电磁干扰比较小；整个系统元器件布局较复杂，芯片的管脚多且细，使得走线密度较高。系统又有两种不同的电源构成，划分电源模块较复杂。综合考虑系统的上述因素，采用两层板进行PCB板设计与制作。考虑到PCB板的制作成本较高，尽可能的通过细致的布局来缩小PCB

15、板的大小。 景点语音自动导览子系统采用PADS2007软件进行PCB板图的绘制。第一步使用power logic绘制电路原理图，制作元器件库中没有的原件型号，制作各个元器件的PCB封装并添加到元器件库中。第二步使用power pcb进行元器件的布局，元器件布局，除了讲究效果美观之外，还要充分考虑PCB的走线是否方便。一般情况下，元器件布局应该从PCB的机械结构、散热性、抗电磁干扰能力以及布线的方便性等方面综合考虑和评估。元器件布局的基本原则是线布局与机械尺寸有关的元器件，然后是电路系统的核心元器件和规模较大的元器件，最后再布局电路板的外围元器件。第三步对PCB进行布线。在整个PCB设计中，以布

16、线的设计过程技巧最细、工作量最大。布线应遵循尽量选用多层板形式，电源线、地线、PCB走线对高频信号应保持低阻抗，一面横向走线另一面纵向走线，避免长距离平行走线等原则。同时布线应考虑加工的实现的走线密度。顶层PCB板图如图3-1所示，底层PCB板图如图3-2所示。完成PCB板图的绘制后，导出制版文件交给工厂加工，在加工完成后进行元器件焊接。为了不使先焊接上的元器件妨碍后焊接元器件的焊接，我们按照一定的顺序进行焊接。首先焊接电源电路部分的贴片芯片，接着焊接直插的电阻、电容，最后焊接按钮开关和LED等元器件。主要芯片的焊接采用专用工具，焊接时注意温度、时间和焊盘着锡量。其他元器件采用一般焊接方法，焊接时注意元器件排列整齐，焊点的圆整和焊锡的量。焊接完毕后，根据电路原理图，对硬件电路进行检测。重点检测是否存在焊接错误，各个焊点是否有虚焊，焊点与焊点间是否有短路等。图3-1 PCB顶层设计图3-2 PCB底层设计3