公交车报站器的设计与实现.doc

毕业论文毕 业 设 计公交车报站器的设计与实现Design and Realization of the Bus Stop-Reporting Mechanical 公交车报站器的设计与实现 摘要 本文介绍了基于凌阳十六位单片机精简开发板61板SPCE061A、LED键盘和SPR_4096显示模组制作的简易公交车报站系统，利用SPR_4096模组存储语音资源和利用了LED键盘显示模组完整地播放一条公交线路的站名，并且能够显示日期和时间，具有时间日期的设置功能。首先给出了模拟公交车报站器的选题背景和设计方案。再次详细地介绍了系统设计过程中要用到的各种模块（主控板模块、SPR模组模块、LED显示模组模块）的工作原理和主要功能以及语音压缩的方法和过程。最后详细地介绍了系统设计过程中各种模块的硬件设计和软件设计的实现过程，最终成功实现了公交车报站和在数码管上显示时间日期等基本功能。关键词 公交车报站器SPCE061A芯片SPR4096模组LED键盘显示模组语音压缩 Design and Realization of the Bus Stop-Reporting MechanicalAbstract This paper introduces the Facilitated Bus Stop-Reporting System based on the Sunplus sixteen-singlechip developing panel-SPCE061A, which using SPR_4096 modular and LED keyboard displaying modular completely broadcasts the stop names of a bus route and shows the date and time with the function of setting the time and date. Firstly , this paper gives the choosing background and the designing scheme of the Imitated Bus Stop-Reporting System. Secondly, it explicitly introduces the operating principle and main function of kinds of modules used in the system design (master control board module, SPR modular module and LED displaying modular module) as well as the method and the process of the speech compression. Finally, it detailedly explains the design process of the module hardware and software so that and the functions of the Bus Stop-Reporting, the time and date-showing are accomplished.KeywordsBus Stop-ReporterSPCE061A chipSPR4096 ModularLED keyboard Displaying ModularSpeech Compression目 录第一章 选题背景与系统总体设计方案11.1 选题背景11.2 设计方案的提出11.2.1 系统的工作原理21.2.2 系统的硬件方案31.2.3 硬件模块连线图3第二章 系统方案比较与论证52.1 主控板模块52.2 SPCE061A精简开发板52.3 SPR模组模块52.3.1主要功能52.3.2结构框图62.4 LED显示模组模块62.4.1结构框图62.4.2 LED电路原理图72.5语音压缩7第三章 公交车报站器系统设计93.1主控板模块93.1.1硬件设计93.1.2系统软件设计113.2 SPR模组模块163.3 LED显示模组模块183.3.1硬件设计183.3.2系统软件设计203.4语音压缩的过程与方案实现253.4.1语音压缩的过程263.4.2方案实现263.4.3语音播放的实现27结论30致谢语31参考文献32附录33前 言当今社会环境污染问题越来越严重，每年的4月22日为世界地球日，每年的6月5日为世界环境日，可见人类对环境污染问题越来越重视。在城市中机动车的尾气成了污染环境的主要污染源，很多国家提倡人们乘坐公共汽车出行以减少污染，有的国家甚至设定某一天为禁止机动车日来告诫人们环境污染的严重性。由此看来，未来公共汽车将充当现代城市生活中的一个重要角色，而且无人售票的公共汽车成为了一个趋势。 公共汽车成为城市人们出行的必备选择后所面临的问题是乘客们如何能够在正确的车站下车，如何知道这辆车开向哪里，途中还会经过哪些车站。在一些需要提示乘客注意的情况，比如车在转弯需要注意，或者需要让座等等，这时该怎么办？解决的办法就是利用公交车报站器播放语音，提示乘客。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。传统的公交车报站主要由售票员报站，但是有些售票员有着浓重的地方口音，给外地人乘坐公交车造成了困难，另外，随着无人售票车逐渐增多，公交车报站器就越显得重要了。本毕业设计方案采用凌阳科技公司的SPCE061A单片机，SPR4096存储器与LED键盘显示模组制作一个简易的公交车报站器。VI第一章 选题背景与系统总体设计方案1.1选题背景 随着大规模集成电路技术的发展，将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入/输出(I/O)接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上构成单片机成为一种趋势，可以说单片机已经基本上具备了微机系统的功能，因此单片机在今后的计算机硬件领域中具有不可替代作用，其发展前景是非常看好。本次设计我将用16位单片机SPCE061A芯片来设计一款模拟公交车报站器，利用SPR模组存储语音资源，实现公交车模拟报站功能。当前单片机应用的领域越来越多，单片机的功能将得到淋漓尽致的实现。将单片机用于控制过程，在国内外都已经得到了充分的发展。据统计，我国的单片机年需求量已达1-3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的电子厂，其产品多数要用到单片机，并不断地向内地辐射，这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景，目前单片机已渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的足迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说全自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的工程师和科学家。科技越发达，智能化的东西就越多。本设计的目的在于通过本次设计能将所学到的单片机理论知识应用于生产实践中，增强自己的社会实践能力，为将来在社会更好的立足做准备，同时在实践中学习更多的理论知识，继续深造。本次设计将实现公交车报站、在数码管上显示时间日期等功能，最终完成设计的要求。对我设计过程中用到的各种硬件模块和系统实现所需软件工具的应用有了更深刻的了解和认识。1.2设计方案的提出通过对凌阳SPCE061A单片机的仔细研读，了解了其系统丰富的内部资源，在此基础上加之对凌阳设计资料之设计方案的参考，我总结了两种设计方案如下：方案一： 根据设计要求，选用 MCS51 单片机作为主控芯片，外部适当的扩展 RAM 组成最小系统。在外围扩展 K9F1208 FLASH 芯片作为存储语音资源的存储器，外扩专用语音处理芯片。考虑到 MCS51 的 I/O 口资源，在外部使用专用 8279 芯片管理键盘、显示器件。系统框图如图 1-1所示：RAM专用语音处理芯片MCS51单片机8279专用键盘显示芯片FLASH键盘、显示图1-1 系统框图方案二：根据设计要求，选用 SPCE061A 单片机作为主控芯片，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。由于这颗芯片使用较少的外围器件就能实现最小系统，本次毕业设计即是采用了方案二，框图如图 1-2所示图1-2 系统框图1.2.1 系统的工作原理通过麦克风由音频输入电路将外部音频输入到凌阳芯片中，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，并且在数码管上显示对应信息。1.2.2系统的硬件方案系统主要包括SPCE061A精简开发板、SPR4096 FLASH存储芯片、6位7段显示数码管。SPCE061A是整个设计的核心控制器件，负责控制数码管输出，键盘信息的采集输入和语音资源的播报。数码管和键盘主要作用是人机交互的作用，显示报站器的信息，同时利用8个按键实现不同的操作。硬件框图如图1-3所示：61板SPR4096语音播报存储数据输入数据显示数据SIOSPCE061ALED键盘显示 图1-3 硬件框图61 板作为整个系统的核心控制，并且负责语音的输出。SPR 模组_4096 作为语音资源的存储介质。该模组配备 SPR4096 芯片可以存储 512K(byte)的数据资源。LED 键盘显示模组作为时间显示与用户输出设备。1.2.3硬件模块连线图根据设计要求硬件模块规划如图1-4：图1-4 硬件模块连线图其中IOA0-7为数码管的段驱动，IOA8-13分别为6位数码管的位驱动，IOA15为冒号的位驱动，IOB2为冒号的段驱动，IOB0-1分别为SPR4096的SCK和SDA相接，IOB8-15与键盘相接。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”，用于播报行向和行向控制； 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； 第二章 系统方案比较与论证在利用凌阳61板设计公交车报站器的过程中，我主要用到三种硬件模块和实现语音报站功能的语音压缩方法。三种硬件模块分别为控制公交车报站的主控板模块（即SPCE061A板）、存储语音资源的SPR模组模块（包括SPR_4096和SPR_1024两种型号）和实现公交车报站功能在数码管上显示时间日期等功能的LED显示模组。2.1 主控板模块SPCE061A 是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便灵活的实现语音的录放功能，该芯片拥有 8 路 10 位精度的 ADC，其中一路为音频转换通道，并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。两路 10 位精度的 DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放（这两点是此芯片相对于51芯片的优势所在）。另外凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境（unSP IDE）。SPCE061A 片内还集成了一个 ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而 ICE 接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（unSP IDE）用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载1。2.2 SPCE061A 精简开发板“61板”是SPCE061A EMU BOARD的简称，是以凌阳 16 位单片机 SPCE061A 为核心的精简开发仿真实验板。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、复位电路等。61 板上有调试器接口（Probe 接口）以及下载线（EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配合凌阳十六位单片机软件开发工具unSP IDE，可方便地在板上实现程序的下载、编译和在线仿真调试2。 2.3 SPR模组模块2.3.1 主要功能SPR芯片分为两种：SPR_4096和SPR_1024两种。在本次设计中采用的是SPR_4096芯片，该芯片的作用是存储语音资源。SPR模组是凌阳科技公司针对存储器芯片SPR_4096/SPR_1024开发的简易烧写器。该烧写器配合PC机ResWriter工具，通过EZ_probe下载线，完成对SPR_4096/SPR_1024存储芯片的擦除、写入、校验等功能。并且在SPR模组上留有与SPCE061A单片机的接口，可以实现SPR模组与SPCE061A单片机组成的系统。2.3.2 结构框图SPR_4096/1024结构框图如图2-1所示：图2-1 SPR_4096/1024结构框图SPR 模组预留两个接口，一个接口是 EZ-probe，这是在使用 ResWriter 工具对 SPR4096/1024 进行烧写时连接使用的，另一个是 10PIN 的排线，主要提供电源以及与 SPCE061A 连接使用。SPR 模组电路支持 SPR4096 和 SPR1024，但这两种芯片不能同时使用，SPR 模组电路只能对其中一种芯片进行使用，而且在使用时必须配备下载线使用。2.4 LED显示模组模块LED显示模组在实现公交车的报站功能和显示日期时间功能上起着非常重要的作用。预置信息的输入和采集信息的显示是采用配套的 LED 键盘模组来实现的，该模组具有 6 位数码管显示，显示范围大。采用动态显示技术节约端口资源，另有 8 位的 LED发光二极管显示可作为指示灯使用；具有 8 个按键输入，可作为独立的 8 按键输入，也可作为 2*4 的阵列键盘使用；同时为了调试的方便，模组还配置了一路模拟电压信号发生器，可以十分方便地实现 A/D 转换调试。2.4.1 结构框图LED显示模组的结构框图如图2-2所示图2-2 LED显示模组结构框图2.4.2 LED电路原理图LED键盘显示模组电路原理图如图2-3所示图2-3 LED键盘显示模组电路原理图2.5 语音压缩语音压缩在设计公交车报站系统时是一个必不可少的过程。语音资源存储器SPR模组只支持二进制语音文件，在向SPR模组烧录语音资源时，首先用Windows操作系统自带的“录音机”应用程序录制，录制的格式为wav，然后用语音压缩软件工具Compress Tool将录好的语音资源压缩成二进制语音文件(格式为72k)，最后再通过语音烧写工具ResWriter将二进制的语音文件烧录到语音存储器SPR模组中。第三章 公交车报站器系统设计3.1 主控板模块3.1.1 硬件设计主控板模块主要由电源板电路模块、音频输入MIC电路和音频输出DAC电路等功能模块组成。（1）电源板电路模块分析图 3-1是电源部分的电路，4.5V直流电压经过SPY0029后产生3.3V电压，从而给整个系统供电。图3-1 电源电路图图中的VDDH3为SPCE061A的I/O电平参考，接SPCE061A的51脚，这种接法使得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。（2）音频输入电路MIC电路音频输入电路如图3-2所示： 图3-2 音频输入电路原理图此部分起到了将外部音频输入到凌阳芯片中的作用，其工作原理如下：麦克风相当于一个可变电阻串联到电路中，C11、C12将麦克风的阻值变换耦合输入到SPCE061A的对应引脚MICP（麦克风差动输入正端），MICN（麦克风差动输入负端），从而完成了音频的输入。VICM为麦克风提供电源串联电阻R1R4 MICROPHONE R3到地形成回路，电容C1起滤波作用。VCM为上拉电阻提供电源使两输入端始终保持着高电平从而保证输入信号有效。电容C9和C6起到去耦和滤波作用。（3）音频输出电路DAC电路音频输出电路原理图如图3-3所示。此部分为语音输出部分，其工作原理如下：接口J2从SPCE061A的DAC部引脚接入信号通过改变电阻R9的阻值可以形成不同频率的信号，再经过C23将信号耦合输入到音频集成放大电路芯片SPY0030的4，5输入端，经其放大之后从1，2脚输出到扬声器。图3-3 音频输出电路原理图3.1.2 系统软件设计在公交车报站系统的软件设计前，首先将源程序下载到61板上。当把程序下载到61板上，通过61板的语音处理功能将存储在SPR模组中的语音资源播放出来，从而实现公交车的报站功能。下载到主控板即61板上的程序是系统设计的主函数程序，主程序是用C语言编程，文件名为main.c，主函数程序如下：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，SPR4096DIG_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，DatauiHour_H);DIG_Set(4，DatauiHour_L);DIG_Set(5，DatauiMinite_H);DIG_Set(6，DatauiMinite_L); Broadcast(5);/播放站点while(1)if(uiDisp = 0)/显示时间DIG_Set(1，0);DIG_Set(2，0);DIG_Set(3，DatauiHour_H);DIG_Set(4，DatauiHour_L);DIG_Set(5，DatauiMinite_H);DIG_Set(6，DatauiMinite_L);if(uiDisp = 1)/显示月日DIG_Set(1，DatauiMonth_H);DIG_Set(2，DatauiMonth_L);DIG_Set(3，0x0077);DIG_Set(4，DatauiDay_H);DIG_Set(5，DatauiDay_L);DIG_Set(6，0x007f);if(uiDisp = 2)/显示年DIG_Set(1，0x0040);DIG_Set(2，DatauiYear_H);DIG_Set(3，DatauiYear_MH);DIG_Set(4，DatauiYear_ML);DIG_Set(5，DatauiYear_L);DIG_Set(6，0x0040);uiKey = Key_Get(); /得到键值，扫建程序在128Hz中断中调用switch(uiKey)case KEY1:uiA2000_S480 = 0;/选择S480放音，在中断FIQuiKey = 0;if(uiflag 1) uiKey1_Count+;NextStation(uiKey1_Count); /播放提示下一站*uiflag = 1;elseuiflag = 0;ComingStation(uiKey1_Count); /*站到了*if(uiKey1_Count = 16)uiKey1_Count = 0; /如果是终点站，重新初始化break;case KEY2:uiA2000_S480 = 0;if(uiflag = 0)uiKey2_Count-;NextStation(uiKey2_Count);uiflag = 1;elseuiflag = 0;ComingStation(uiKey2_Count);if(uiKey2_Count = 0)uiKey2_Count = 16;break;case KEY3:uiA2000_S480 = 0;PlaySnd_S480(65，3);/播放提示语，车在运行中，请做好扶稳break;case KEY4:uiA2000_S480 = 0;PlaySnd_S480(67，3);/请让座break;case KEY5:/广告或娱乐uiA2000_S480 = 1;PlaySnd_A2000(70，3);break;case KEY6:g_4Hz_On = 1; /进入4Hz中断代码，实现闪烁效果uiSetflag+;Set_Time();/设置时间break;case KEY7:uiKey = 0;uiDisp+;/切换显示时间/月日/年if(uiDisp = 3)uiDisp = 0;if(uiDisp = 0)uiTemp = *P_INT_Ctrl_New;/打开2Hz中断，显示秒针uiTemp |= C_IRQ5_2Hz;*P_INT_Ctrl_New = uiTemp;elseuiTemp = *P_INT_Ctrl_New;/关闭2Hz中断，不显示秒针uiTemp &= 0xfffb;*P_INT_Ctrl_New = uiTemp;uiTemp = *P_IOB_Buffer;uiTemp &= 0xfffb;*P_IOB_Data = uiTemp;break;case KEY8:if(uiOn_Off = 0)DIG_Off();/关闭数码管uiOn_Off = 1;elseDIG_On();/打开数码管uiOn_Off = 0;break;default:break;*P_Watchdog_Clear = 0x0001;/清看门狗3.2 SPR模组模块SPR模组是针对语音资源存储芯片SPR_4096/1024芯片开发的建议语音烧写器。它的作用是存储语音资源，然后通过主控板的语音处理功能和录放功能将相应的语音资源播放出来。SPR模组电路分析SPR模组_4096硬件原理图如图 3-4所示：图3-4 SPR_4096硬件原理图SPR模组_4096的硬件电路主要分成3大部分：第一部分：ResWriter工具对SPR_4096/SPR_1024进行烧写的硬件电路如图3-5所示：图3-5 烧写SPR_4096/1024硬件电路图分电路主要起到控制SCK、SDA信号的作用，通过74HC244可以控制SDA信号的通与断，这样可以使用ResWriter工具发出符合烧写芯片的时序信号，完成对芯片的擦除、写入与校验功能。 第二部分：SPR_4096的工作电路，如图3-6所示： 图3-6 SPR_4096工作电路此部分工作电路是为了使SPR_4096存储器工作的外围电路，通过SCK与SDA与外界相连。第三部分：SPR1024的工作电路，如图3-7所示：图3-7 SPR1024工作电路此部分工作电路是为了使SPR1024存储器工作的外围电路，通过SCK与SDA与外界相连。另外，SPR模组_4096还有其他接口电路，如图3-8所示：图3-8 SPR模组_4096接口跳线电路上图最左边的电路是SPR4096片内FLASH与片内SRAM的选择端，当MEM选择与地短接时使用的是SPR4096的片内FLASH，当MEM选择与电源短接时使用的是SPR4096的片内SRAM。3.3 LED显示模组模块在设计公交车报站器的过程中，LED显示模组在实现公交车报站功能上起着很重要的作用。LED显示模组的8个按键K1-K8，每个按键都对应着相应的功能。例如：K5按键起着播放广告和音乐的功能，K6按键起着设置时间和日期的功能等等。3.3.1 硬件设计LED键盘显示模块分析主要元器件（1）ULN2003A分析ULN2003A其内部为三极管阵列，其IN脚相当于三极管的B极，OUT较相当于三极管的C极。若IN脚输入高电平，对应的OUT脚接地；IN脚输入低电平，对应的OUT脚截止输出。ULN2003A元件图如图3-9所示，图中：IN1-IN7为输入信号，OUT1-OUT7为输出信号。输入信号高有效。图3-9 ULN2003A元件图（2）LG5621AH分析LG5621AH共阴极2位数码管。 LG5621AH元件图如图3-10所示，图中：a-dp为数码管的段信号，G1、G2为2位数码管的位信号。段信高有效，位信号低有效。 图3-10 LG5621AH元件图（3）LG5421AH 共阴极4位数码管。 LG5641AH元件图如图3-11所示，图中：a-dp为数码管的段信号，d1、d2为时钟冒号的段信号；G1-G4为4位数码管的位信号，G5为时钟冒号的位信号。段信号高有效，位信号低有效。 图3-11 LG5641AH元件图3.3.2 系统软件设计（1）键盘扫描模块：键盘扫描的原理为：先从IOB1215输出高电平，再从IOB811读回状态值，如果有健按下，相应“行”对应的位就会被置为高电平，得到“行”位置；马上进入“列”扫描，先从IOB12输出一个高电平，再从IOB811读回值，判断是否为高电平，是，则得到“列”位置，否则扫描第二“列”，如此类推，通过“行”位置和“列”位置得到确定按键位置。通过编码，返回键值。键盘扫描子程序流程图如图3-12所示：图3-12键盘扫描子程序流程图（2）设置模块：设置子程序流程图如图3-13所示：图3-13设置子程序流程图 为了防止误操作，在设置模块里设定一个3秒的定时，在3秒的定时里只有允许的几个键按下才会执行相应的操作，其他键无效。程序自动记录最后一次按键时间，如果3秒内没有按键操作，自动保存设置，退出。（3）行向调整模块：行向调整子程序流程图如图3-14所示： 图3-14行向调整子程序流程图（4） LED键盘显示模组的八个按键K1K8的功能实现以及在数码管上显示日期时间的功能，现将在LED键盘显示模组上显示与设置时间的部分程序说明如下：调整分钟的程序如下：void Set_Time(void)unsigned int uiKey;unsigned int uiTemp;while(1)uiKey = Key_Get();*P_Watchdog_Clear = 0x0001;/调整分钟if(uiSetflag = 1)if(g_Light = 1)DIG_Set(3，DatauiHour_H);DIG_Set(4，DatauiHour_L);DIG_Set(5，DatauiMinite_H);DIG_Set(6，DatauiMinite_L);if(g_Light = 0)DIG_Set(3，DatauiHour_H);DIG_Set(4，DatauiHour_L);DIG_Set(5，0);DIG_Set(6，0);switch(uiKey)case KEY6:uiSetflag = 2;uiKey = 0;break;case KEY7:uiMinite_L+;if(uiMinite_L = 10)uiMinite_L = 0