多功能電子醫(yī)藥盒設(shè)計

多功能電子醫(yī)藥盒設(shè)計,多功能,電子,醫(yī)藥,設(shè)計 目 錄 1 引言 ..................................................................1 2 多功能電子醫(yī)藥盒設(shè)計概述 ..............................................3 2.1 設(shè)計目的 ...................................................................................................................................................3 2.2 設(shè)計實現(xiàn)總體功能 ...................................................................................................................................3 3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 ......................................................4 3.1 設(shè)計總體功能圖 ...................................................................................................................................4 3.2 功能描述 ...............................................................................................................................................4 3.2.1 按鍵功能描述 ..................................................................................................................................4 3.2.2 定時的開啟 ........................................................................................................................................4 3.2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 ..........................................................................................................................5 3.2.4 遙控器硬件設(shè)計方案 .......................................................................................................................5 3.3 產(chǎn)品使用注意事項 ...............................................................................................................................8 4 主要系統(tǒng)芯片及功能介紹 ................................................9 4.1 凌陽單片機(jī)的選擇 ...................................................................................................................................9 4.2 主要性能特點分析 ...................................................................................................................................9 4.3 系統(tǒng)主控制芯片及部件介紹 .............................................................................................................10 4.3.1 無線語音遙控器主控制器 SPCE061A 介紹 ..................................................................................10 4.3.2 直流電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N 的介紹 .................................................................................................12 4.3.3 無線語音遙控器中 SPCE061A 的功能 ..........................................................................................13 5 軟件設(shè)計部分及方案 ...................................................17 5.1 凌陽 SPCE061A 單片機(jī)指令系統(tǒng)與開發(fā)環(huán)境 ....................................................................................17 5.2 ATMEGA16L 單片機(jī)指令系統(tǒng)與開發(fā)環(huán)境 ........................................................................................18 結(jié) 論 ...............................................................19 參考文獻(xiàn) ...............................................................20 附錄 1：電路圖 .........................................................21 附錄 2： 程序 ..........................................................22 致 謝 ...............................................................41 1 1 引言 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化時代的來臨，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)將觸角 伸入社會各行各業(yè)，滲入了城市的血液中，并且在一定程度上取代了人類繁瑣的機(jī) 械的勞動。世界也正面臨一場大規(guī)模的新的工業(yè)革命，又稱為信息革命。數(shù)字化、 智能化，已經(jīng)成為這場革命的主旋律。讓計算機(jī)像人類一樣動作一樣思考，并擁有 人的記憶和人的邏輯，使人類從繁瑣的鍵盤操作和按鍵輸入中解脫出來是電腦智能 化面對的重要課題。 在現(xiàn)代傳感器技術(shù)、音頻視頻壓縮解碼技術(shù)的跨越式發(fā)展，使計算機(jī)實現(xiàn)了高 度的集成化，功能也逐漸出現(xiàn)全能化、專門化以及智能化的分化發(fā)展方向。計算機(jī) 的微處理器的功能也不僅僅局限于計算和處理數(shù)據(jù)，同時也將存儲和硬件解碼等外 圍電路也集成到其中。也正是因為如此，運(yùn)用單獨(dú)的處理器就可以實現(xiàn)智能化人機(jī) 對話接口，讓計算機(jī)像人類一樣思考，通過人類的動作和語言向計算機(jī)輸入指令， 使計算機(jī)的操作方式發(fā)生根本性的變革，真正拉近人與計算機(jī)間的距離。 現(xiàn)代計算機(jī)的性能已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大，運(yùn)算能力已經(jīng)不可限量，而且還在飛速發(fā)展。 在日常生活的諸多領(lǐng)域，電腦已經(jīng)取代人類，從事大量繁瑣的、重復(fù)性的勞動。但 是在這些領(lǐng)域中，大型的計算機(jī)不能充分發(fā)揮自身性能，而且在成本方面也毫無經(jīng) 濟(jì)性可言。所以，針對不同領(lǐng)域不同功能的專門性計算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，其運(yùn)算處理能 力并不一定非常強(qiáng)大，而是對于特別的應(yīng)用場合在其中整合特殊的功能，使其在特 定的場合發(fā)揮最大的作用。嵌入式計算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，嵌人式計算機(jī)作為計算機(jī)的一 個重要分支，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)發(fā)展所帶來應(yīng)用需求的增多， 嵌人式計算機(jī)的應(yīng)用范圍和需求越來越廣，性能不斷改進(jìn)，新的架構(gòu)不斷出現(xiàn)，各 種單片機(jī)和數(shù)字信號處理器相繼面世。嵌人式操作系統(tǒng)與 PC 操作系統(tǒng)相比，嵌人 式操作系統(tǒng)不要求全能，但必須能夠依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格，高效率地發(fā)揮硬件的運(yùn)算 能力，使產(chǎn)品達(dá)到效率價格比的優(yōu)化。 本次設(shè)計是在運(yùn)用成品嵌入式計算機(jī)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)用人類的語言無線遙控單 片機(jī)的運(yùn)作。為了更明確的顯示聲音對單片機(jī)的遙控作用，使單片機(jī)控制遠(yuǎn)處可開 啟的藥盒，體現(xiàn)聲控單片機(jī)的運(yùn)行情況。 對于多功能電子醫(yī)藥盒的設(shè)計，關(guān)鍵在于語音識別，語音處理技術(shù)是一門新興 的技術(shù)，它不僅包括語音的錄制和播放，還涉及語音的壓縮編碼和解碼，語音的識 別等各種處理技術(shù)。以往做這方面的設(shè)計，一般有兩個途徑：一種方案是單片機(jī)擴(kuò) 展設(shè)計，另一種就是借助于專門的語音處理芯片。普通的單片機(jī)往往不能實現(xiàn)這么 復(fù)雜的過程和算法，即使勉強(qiáng)實現(xiàn)也要加很多的外圍器件。專門的語音處理芯片也 2 比較多，像 ISD 系列、PM50 系列等，但是專門的語音處理芯片功能比較單一，想在 語音之外的其他方面應(yīng)用基本是不可能的。而無線通信技術(shù)現(xiàn)在多采用無線數(shù)字通 信模塊，其通信協(xié)議可以自己設(shè)定，通信頻率可以在一定范圍內(nèi)可以改變，使傳輸 數(shù)據(jù)的可靠性、安全性都大大提高。 基于上述要求本次設(shè)計擬采用三種設(shè)計方案。在芯片方面，ATMEGA16L 微處 理器和凌陽 SPCE061A 微處理器以及二者的組合應(yīng)用是三種備選方案。兩種微控制 器都具有豐富的片上系統(tǒng)資源，可以通過外加輔助電路的方式實現(xiàn)語音辨識功能， 從而滿足對控制指令的語音采集、壓縮、存儲、解壓和辨識等一系列功能的要求。 在指令系統(tǒng)方面，兩者都支持 C 語言，省去了繁瑣重復(fù)的堆棧操作，方便了程序員 的編寫，和讀取。 在確定設(shè)計使用單片機(jī)后，還應(yīng)對單片機(jī)加裝部分外圍電路才能使用，其中包 括：電源電路、音頻電路、I/O 電路等。使其保證單片機(jī)各項功能的實現(xiàn)。此外還有 部分必須的功能電路，如：復(fù)位按鍵，狀態(tài)指示燈等等。 在藥盒倉體方面，采用三個直流電機(jī)驅(qū)動，動力來自驅(qū)動后輪的直流電機(jī)，驅(qū) 動器采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的 L298N 直流電機(jī)驅(qū)動器，整個藥盒由電源供電。 語音指令的識別過程是利用單片機(jī)的特定人語音識別功能來實現(xiàn)的。首先對電 子藥盒進(jìn)行訓(xùn)練，將語音命令轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在單片機(jī) FLASH 存儲器中。在 需要控制藥倉開啟的時候，單片機(jī)通過采集聲音信號，并量化處理為數(shù)字信號后， 與存儲器中預(yù)先存儲的控制命令進(jìn)行辨識，結(jié)果以字節(jié)數(shù)據(jù)方式從無線模組發(fā)出， 藥盒接收到控制指令后，控制驅(qū)動芯片和舵機(jī)，使電子藥盒完成響應(yīng)動作。這些操 作都是由預(yù)先編寫并燒錄在單片機(jī)中的 C 語言程序控制的。 在整個設(shè)計中，兩個難點在于單片機(jī)外圍電路的設(shè)計和控制程序的編寫。如果 能很好的解決這兩個方面的問題，電子藥盒的工作應(yīng)該會比較順利。 3 2 多功能電子醫(yī)藥盒設(shè)計概述 2.1 設(shè)計目的 隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，針對生活節(jié)奏的加快和社會老齡化的趨勢，結(jié) 合產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要，設(shè)計出了多功能語音電子醫(yī)藥盒。 使用多功能電子醫(yī)藥盒提高了人們的生活效率：針對年輕人，可以在忙碌 的工作時提醒吃藥的時間；針對老年人，可以提醒按時吃藥、安全吃藥。 2.2 設(shè)計實現(xiàn)總體功能 采用凌陽單片機(jī)的語音技術(shù)，傳動技術(shù)，記憶與存儲技術(shù)。 性能指標(biāo)： 1．語音提示后，倉蓋開啟和閉合的時間：1～2s； 2．藥倉數(shù)量：4 倉設(shè)計； 3．能根據(jù)人的提示進(jìn)行藥物的選擇； 4．人性化設(shè)計與友好的人機(jī)界面； 5．24 小時內(nèi)任意設(shè)定藥物服用提醒； 6．語音互動，可以實現(xiàn)人機(jī)對話，具有小型機(jī)器人的識別能力； 7．四倉設(shè)計，分為底倉、固定倉與常動倉，介紹如下： 底倉：為藥物備用倉； 固定倉：針對家庭中常常需要服用藥物的人所設(shè)計，服藥時間、數(shù)量等可 進(jìn)行自行設(shè)定。 常動倉（分兩層）：針對生活中的易發(fā)性疾病所設(shè)計，服藥時間、數(shù)量等 可進(jìn)行自行設(shè)定，具備語音識別功能，可根據(jù)語音提示，自動進(jìn)行藥物的選擇。 8．具有時間的記憶功能。 4 3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 3.1 設(shè)計總體功能圖 3.2 功能描述 3.2.1 按鍵功能描述 時間調(diào)整鍵：可對現(xiàn)在時間及設(shè)定時間進(jìn)行調(diào)整，可實現(xiàn) 5 路定時提醒： 對于時間調(diào)整，可進(jìn)行年月日小時分的設(shè)定。 設(shè)定藥物鍵：通過此鍵可進(jìn)行服藥位置、時間及數(shù)量（最大為 4）的設(shè)定， 對于服藥位置，可進(jìn)行層數(shù)（最大為 3）與格數(shù)（最大為 6）的設(shè)定。 采用默認(rèn)鍵：通過此鍵無需設(shè)定，即可享用標(biāo)準(zhǔn)方案：位置：一層 2 格； 時間：早上 8 時，數(shù)粒：2 粒。 3.2.2 定時的開啟 當(dāng)時鐘計時達(dá)到預(yù)定時間，液晶自動顯示藥品位置、種類及服用量，語音 播報液晶屏上顯示的信息。同時，單片機(jī)控制直流電機(jī)迅速轉(zhuǎn)動，自動開啟藥 盒。3.2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 根據(jù)需要，系統(tǒng)硬件擬使用兩塊 PCB 板設(shè)計。其中一塊為語音遙控器，用 5 于搭載凌陽 SPCE061A 單片機(jī)、電源電路、音頻電路、I/O 電路等外圍電路。 另一塊為車體控制板，用于搭載接口電路，電源電路及電機(jī)驅(qū)動。 調(diào)整“現(xiàn)在時間”及定時：1）接通電源時為默認(rèn)狀態(tài)；2）當(dāng)前時間顯示： 12：00；3）定時顯示：08：00；4）數(shù)量顯示：2 粒；5）當(dāng)前位置顯示：第一 層。 3.2.4 遙控器硬件設(shè)計方案 在無線語音遙控智能電子醫(yī)藥盒的設(shè)計中，凌陽 SPCEO61A 單片機(jī)作為遙 控器的主控制器，需要增加一系列的外圍電路的支持才能實現(xiàn)音頻輸入輸出和 識別，以及語音命令的輸出等功能。需要增加的外圍電路有：電源電路、MIC 輸入電路、音頻輸出電路、無線傳輸電路、復(fù)位電路、I/O 接口電路。 1.電源電路 凌陽 SPCE061A 單片機(jī)內(nèi)核電源電壓要求為 3.3V，其他邏輯器件要求 5V 供電，設(shè)計中采用 DC9V 供電，直流電壓先通過 LM7805 得到 5V 直流電源為 邏輯電路供電，然后通過 SPY0029 穩(wěn)壓到 3.3V，為整個單片機(jī)內(nèi)核供電。另外， 在 LM7805 的前端入一個二極管，目的在于防止電源接反而對整個電路造成損 壞。電路如圖 3-1 所示。 圖 關(guān)SW-PBDiodeVINGOU7.JRLM80C 6 3-1 電源電路 2.音頻電路 1)MIC 輸入電路 在使用 SPCE061A 的語音訓(xùn)練和聲音控制的時候，需要使用 MIC 輸入電路 將語音信號接收，并傳送至 SPCE061A 進(jìn)行處理。為提高輸入的聲音質(zhì)量， MIC 輸入電路還應(yīng)具備一定的濾波降噪功能。電路中的∏性濾波器就能很好的 實現(xiàn)這個功能。同時使入電路可以實現(xiàn)自動增益（AGC）控制。原理如圖 3-2 其中 X1 是語音的 MIC 輸入端。 圖 3-2 MIC 輸入電路 2)DAC 輸出電路 在語音訓(xùn)練的過程中，凌陽 SPCE061A 需要輸出信號提示音，以讓訓(xùn)練者 了解其工作狀態(tài)，方便進(jìn)行語音訓(xùn)練。另外還要播報藥盒的工作狀態(tài)。 1KR20uFC4M35INPVADE78.9G 7 SPCE061A 自帶雙通道 DAC 音頻輸出， DAC1、DAC2 轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流 信號分別通過 DAC1 和 DAC2 管腳輸出， DAC 輸出為電流型輸出，所以 DAC 輸出經(jīng)過 SPY0030 音頻放大，以驅(qū)動喇叭放音。這為單片機(jī)的音頻設(shè)計提供了 極大方便。原理圖如圖 4.3。在 P9 上接一個 2pin 的插針外接喇叭，即可實現(xiàn)提 示語音輸出功能。DAC 電路中，SPY0030 是凌陽的一款音頻放大芯片，相當(dāng)于 LM386，但是它比 LM386 音質(zhì)好，可以工作在 2.4-6.0V 范圍內(nèi)，最大輸出功率 可達(dá) 700mW。 圖 3-3 DAC 輸出電路 3.I/O 接口電路 接口電路凌陽 SPCE061A 的兩路 16 位 I/O 接口引出，因為一般邏輯電路都 是 8 位并行總線，所以 SPCE061A 的 I/O 接口分為 4 組，每組 8 個端口加兩個 電源線，電源電壓可由雙刀雙擲選擇為 3.3V 或 5V。另外，串口和 IOB7 及 IOB10 復(fù)用，在此設(shè)計中用該資源將語音命令傳輸給串口 nRF2401 模組進(jìn)行無 線發(fā)射。原理圖如圖 3-4。 +5-2136USPY0CKRV9DApF 8 123456790PIOABS+-VC.TXR 圖 3-4 I/O 接口電路 4.復(fù)位電路 在一些情況下，需要對 SPCE061A 進(jìn)行硬件復(fù)位，有 阻容電路完成上電復(fù)位功能， 通電就自動復(fù)位，另外，還可 以按鍵外部復(fù)位，原理圖如圖 4.5。 圖 3-5 復(fù)位電路 3.3 產(chǎn)品使用注意事項 1.在使用本產(chǎn)品時禁止藥物混放，同時，若在已放過藥物的小格重新裝藥 時，及時清洗小格，保證小格干凈清潔，防止藥物污染。 2.本產(chǎn)品應(yīng)放在小孩接觸范圍之外。 3.本產(chǎn)品應(yīng)在遮光，通風(fēng)，干燥處保存。 KE 9 4 主要系統(tǒng)芯片及功能介紹 4.1 凌陽單片機(jī)的選擇 MCS－51 單片機(jī)+語音芯片的不足： 1．集成性較低：MCS－51 單片機(jī)與語音芯片之間的連線與外圍器件較多； 2．可編程性差，較難理解：在看懂時序圖的前提下才能理解其工作原理； 3．語音效果一般； 4．性價比較低，不易于接受和推廣。 凌陽單片機(jī)的優(yōu)點： 1.集成性好，語音信號的實時采集：采用模塊式集成結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成了 2KB RAM、 32KB Flash、 ADC、DAC、并行 I/O 等，特別適合語音信號處理； 2.可編程性好：2 個 16 位可編程定時器/計數(shù)器，14 個中斷源，可以通過定 時器、外部時鐘輸入、鍵喚醒等； 3.語音效果好：7 通道 10 位 ADC，內(nèi)置麥克風(fēng)放大和自動增益控制功能； 4.性價比高，易于接受和推廣。 10 4.2 主要性能特點分析 電子醫(yī)藥盒的不足： 1．人的提示進(jìn)行藥物的選擇； 2．按鍵設(shè)定，設(shè)置定時操作麻煩； 3．總體性能比較單一。 多功能電子醫(yī)藥盒的特點： 1．能根據(jù)人的提示進(jìn)行藥物的選擇； 2．人性化設(shè)計與友好的人機(jī)界面； 3．24 小時內(nèi)任意設(shè)定藥物服用提醒； 4．語音互動，可以實現(xiàn)人機(jī)對話，具有小型機(jī)器人的識別能力； 5．四倉設(shè)計，分為底倉、固定倉與常動倉，介紹如下： a)底倉:為藥物備用倉； b)固定 :倉針對家庭中常常需要服用藥物的人所設(shè)計，服藥時間、數(shù)量等可 進(jìn)行自行設(shè)定。 c)常動倉（分兩層）：針對生活中的易發(fā)性疾病所設(shè)計，服藥時間、數(shù)量 等可進(jìn)行自行設(shè)定，具備語音識別功能，可根據(jù)語音提示，自動進(jìn)行藥物的選 擇。 具有時間的記憶功能： 用戶在吃藥的第一天或前幾天大多會記得按時吃藥，用戶在吃藥同時按動 一下智能藥盒上設(shè)定好的按鍵，智能藥盒就自動記住這個時間，以后每天同樣 的時間就會響鈴、閃光和語音提示說話（hello，remember me）提醒用戶吃藥， 每天如此。 4.3 系統(tǒng)主控制芯片及部件介紹 4.3.1 無線語音遙控器主控制器 SPCE061A 介紹 經(jīng)過上述討論，實現(xiàn)聲音智能控制功能最理想的控制芯片為臺灣凌陽科技 推出的 SOPC（System On Programmable Chip）級 16 位 MCU-DSP 混合處理器 SPCE061A 作為處理語音指令的控制芯片，其兼有微處理器，數(shù)字信號處理器， 存儲器的三重功能，具有豐富的片上系統(tǒng)資源。凌陽 SPCE061A 具有 μ’nSP? 的指令系統(tǒng)提供具有較高運(yùn)算速度的 16 位*16 位的乘法運(yùn)算指令和內(nèi)積運(yùn)算指 令，增添了 DSP 功能，使得 μ’nSPTM 系列運(yùn)用在復(fù)雜的數(shù)字信號處理方面既 很便利，又比專用的 DSP 芯片廉價。凌陽內(nèi)嵌 32K 字的 Flash 和 2K 字的 SRAM，ROM 和 RAM 統(tǒng)一編址，屬于馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機(jī)，這樣的設(shè)計在制作中 方便了對語音指令的壓縮和存儲。實物如圖 4-1。 11 圖 4-1 凌陽 SPCE061A 單片機(jī) 圖 4-2 ATMEGA16L 管腳圖 SPCE061A 的主要性能： 1．16 位 μ’nSP? 核心高檔微控制器； 2．工作電壓：VVD 為 2.6V-3.6V（CPU）,VDDH 為 VDD-5.5V（I/O） ； 3．CPU 時鐘：0.32MHz-49.152MHz； 4．內(nèi)置 2K 字 SRAM； 5．內(nèi)置 32K 字 FLASH； 6．可編程音頻控制器； 7．晶體振蕩器； 8.系統(tǒng)處于設(shè)備狀態(tài)。耗電小雨 2mA 3.6V； 9.2 個 16 位可編程定時器/計數(shù)器（可自動預(yù)置初始計數(shù)值） ； 10.2 個 10 位 DAC； 11.32 位通用可編程輸入/輸出端口； 12.14 個中斷源可來自定時器 A/B，時基，2 個外部時鐘源輸； 13.具備觸鍵喚醒功能； 14.使用凌陽音頻編碼 SACM_S240 方式（2.4Kbps） ，能容納 210s 的語音數(shù) 據(jù)； 15.鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； 16.32768Hz 實時時鐘； 17.7 通道 10 位電壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 12 18.聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制（AGC）功 能； 19.具備串口設(shè)備接口； 20.具有低電壓復(fù)位（LVR）功能和低電壓監(jiān)測（LVD）功能； 21.內(nèi)置在線仿真電路 ICE（In-Circuit Emulator ） ； 22.具有保密能力； 23.具有 Watch Dog 功能。 主控制器 ATMEGA16L 的介紹 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直 接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩 個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微 控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。管腳圖如圖 3.2。 ATmega16L 有如下特點: 1.16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)； 2.512 字節(jié) EEPROM，1K 字節(jié) SRAM； 3.32 個通用 I/O 口線； 4.32 個通用工作寄存器； 5.用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程； 6.三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數(shù)器(T/C)； 7.片內(nèi)/外中斷，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器； 8.可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口； 9.8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的 ADC； 10.具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器； 11.一個 SPI 串行端口； 12.四通道 PWM，兩路 8 位，兩路 16 位； 13.六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式：空閑模式、ADC 噪聲抑制模 式; 14.省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式 15.速度等級：0 - 8 MHz ； 16.工作電壓：2.7 - 5.5V。 4.3.2 直流電機(jī)驅(qū)動芯片 L298N 的介紹 L298N 是 ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片的主 要特點是:工作電壓高，最高工作電壓可達(dá) 46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 13 3A，持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以 用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許 或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工 作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。其管腳圖和實物圖分別如 圖 4-1、圖 4-2 所示，管腳功能如表 4-3 所示。 圖 4-1 L298N 管腳圖 圖 4-2 L298N 實物圖 表 4-2 L298N 引腳功能表 14 4.3.3 無線語音遙控器中 SPCE061A 的功能 在本次設(shè)計中，關(guān)鍵地問題之一在于人聲的 A/D 轉(zhuǎn)換存儲與識別， SPCE061A 提供了語音輸入壓縮以及辨識的先進(jìn)技術(shù)。 1. 語音指令的輸入。凌陽 SPCE061A 利用麥克風(fēng)的指令輸入系統(tǒng)， SPCE061A 內(nèi)置由 D／A 轉(zhuǎn)換器 DACO 和逐次逼近寄存器 SAR 組成的逐次逼 近式 8 通道 10 位 A／D 轉(zhuǎn)換器，以及采樣／保持電路。其中 7 個通道用于將模 擬量信號（電壓信號）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，可以直接通過引線(IOA 0-IOA 6） 輸人(Line_Inl-Line_ln7)另外一個通道只用于語音輸人，即通過內(nèi)置自動增益控 制放大器的麥克風(fēng)通道（MIC-In）輸人，是語音采集專用通道，也可設(shè)置為普 通 A/D 輸入。 2．語音指令的訓(xùn)練。語音遙控器作為機(jī)器，一定是不能先天理解人類的語 言的，所以，必須教會它人類語言的含義。即語音訓(xùn)練，內(nèi)容是將人類的語言 事先已訓(xùn)練的方式經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲在凌陽SPCE061A的FLASH中，并指定每 一條語音所要指向的操作，以便在日后的使用中將采集來的語音與存儲的語音 引 腳 符 號 功 能 1 15 SENSING A SENSING B 此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動芯片反饋檢測到的信號 2 3 OUT 1 OUT 2 此兩腳是全橋式驅(qū)動器A 的兩個輸出端，用來連接負(fù)載 4 Vs 電機(jī)驅(qū)動電源輸入端 5 7 IN 1 IN2 輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器 A的開關(guān) 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端.輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號；低電平時全橋式驅(qū)動器禁止工 作。 8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通 9 Vss 邏輯控制部分的電源輸人端口 10 12 IN 3 IN 4 輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL 邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器B的開關(guān) 13 14 OUT 3 OUT 4 此兩腳是全橋式驅(qū)動器 B的兩個輸出端，用來連接負(fù)載 15 相比對，以確定單片機(jī)需要進(jìn)行的操作。 凌陽SPCE061A對于不同的辨識能力提供以下兩種語音訓(xùn)練方式： 1）特定發(fā)音人識別SD（Speaker Dependent），是指語音樣板由單個人訓(xùn)練， 可用于語音提示，而DVR用來錄音和放音； 2）非特定發(fā)音人識別 SI（Speaker Independert）。是指語音樣板由不同年 齡、不同性別、不同口音的人訓(xùn)練，可以識別一群人的命令； 在本次設(shè)計中，需要向小車訓(xùn)練：向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等幾項 語音指令，以供控制小車時的辨識使用。 值得注意的是，使用非特定發(fā)音人識別需要利用大量的 DVR 存儲不同人訓(xùn) 練的語音，但是凌陽 SPCE061A 并不能提供大量的內(nèi)存空間供存儲使用，由于 設(shè)計條件有限，無法擴(kuò)展必要的存儲芯片完成存儲語音的功能，故選擇使用特 定發(fā)音人識別。其訓(xùn)練具體流程參看后文內(nèi)容。 3．對訓(xùn)練的語音指令的存儲。將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)壓縮存儲， SPCEO61A單片機(jī)的16位 DSP有很強(qiáng)的信息處理能力，最高時鐘頻率達(dá)49.152 MHz，具備運(yùn)算速度高等優(yōu)勢。這些為語音的錄放、合成及辨識提供了條件。 凌陽壓縮算法中DVR可用于錄、放音。語音的編碼、存儲、解碼處理是通過操 作麥克風(fēng)輸人所生成的WAVE文件完成的，但在這個環(huán)節(jié)上會出現(xiàn)的一個問題 為其占用的存儲空間很大，對SPCEO61A單片機(jī)的32K FLASH來說想要存儲大 量的信息顯然是不可能的。而SPCE061A 提出了解決方法： SACMV25．LIB。 該庫將A/D、編碼、解碼、存儲及D／A做成相應(yīng)的模塊，對于每個模塊都有其 應(yīng)用程序接口API，所以只須了解每個模塊所要實現(xiàn)的功能及其參數(shù)的內(nèi)容，然 后調(diào)用該API函數(shù)即可實現(xiàn)相應(yīng)功能。在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換之前，從MIN_IN輸入的 模擬信號要經(jīng)過緩沖器和放大器，AGC功能將通過MIC——IN通道輸入的模擬 信號放大值控制在一定范圍內(nèi)，然后放大信號經(jīng)采樣-保持模塊送入比較器參與 A/D轉(zhuǎn)換值得確定。 4. SPCE061A的語音辨識。語音辨識是一種以語音模型為指令基礎(chǔ)的控制方 式，語音模型的質(zhì)量直接影響辨識操作的速度和準(zhǔn)確率。具體步驟是經(jīng)過兩次 語音采集，即訓(xùn)練和發(fā)布指令。系統(tǒng)經(jīng)復(fù)雜的函數(shù)操作將發(fā)布指令與預(yù)先訓(xùn)練 的一音模型進(jìn)行比對，如與語音模型相匹配，則輸出控制信號。具體原理如圖 4-3。 16 聲學(xué)模式訓(xùn)練 語音模型 復(fù)雜聲 學(xué)語音 條件下 的語音 輸入 語音匹配 語音模式訓(xùn)練 語音處理 語言模型 識別結(jié)果理解結(jié)束 圖 4-3 語音辨識原理簡圖 凌陽16位微處理器的SPCE061A 核心實現(xiàn)與計算機(jī)連接采用有線方案，通過 并口將預(yù)先設(shè)計的小車控制程序燒寫到SPCE061A單片機(jī)，以識別各種語音指 令．系統(tǒng)的處理過程為：當(dāng)向控制器發(fā)出語音命令時，聲波通過MIC輸入，將 相應(yīng)的信號傳遞到SPCE061A 處理芯片，在芯片中通過相關(guān)的程序與預(yù)先訓(xùn)練好 的語音模型進(jìn)行比較、識別及處理，根據(jù)識別的結(jié)果進(jìn)行判斷、轉(zhuǎn)換，然后發(fā) 出相應(yīng)的控制指令到無線模組，無線發(fā)送語音指令。 圖 4-4 語音辨識流程 使用特定人語音辨識的語音樣板由單個人訓(xùn)練和識別處理組成，如圖 3.8。 值得注意的是，凌陽 SPCEO61A 在接收到控制語音指令后，并不是直接用 其進(jìn)行辨識。 為了提辨識的正確率，語音信號要經(jīng)過語音識別電路，將語音信號經(jīng)過濾波 器降噪、加重等處理后進(jìn)行預(yù)測、量化等一系列操作進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以數(shù)字形 式進(jìn)行過零次數(shù)能量相關(guān)函數(shù)等方法進(jìn)行匹配運(yùn)算，輸出辨識結(jié)果。 5．語音指令的發(fā)送和回應(yīng)。在對遙控器發(fā)出語音指令后凌陽 SPCEO61A 將人發(fā)出的。 指令與訓(xùn)練時的音頻進(jìn)行辨識后確定指令，由串口無線模組 nRF2401 發(fā)射。 車上控制器接收到相應(yīng)指令后，設(shè)置動作標(biāo)志位，返回回應(yīng)數(shù)據(jù)，同時控制 17 L298N 和舵機(jī)，使藥盒做出開倉閉倉的動作。SPCE061A 接收到響應(yīng)數(shù)據(jù)后， 可知電子藥盒已經(jīng)響應(yīng)了語音指令，便語音播報當(dāng)前電子藥盒的響應(yīng)。 18 5 軟件設(shè)計部分及方案 5.1 凌陽 SPCE061A 單片機(jī)指令系統(tǒng)與開發(fā)環(huán)境 凌陽 SPCEO61A 單片機(jī)采用 μ’nSP? 內(nèi)核指令系統(tǒng)的程序設(shè)計支持匯編語 言和 C 語言編寫。在編程中也可以使用匯編偽指令，這樣能使句子所表達(dá)的意 思的結(jié)構(gòu)更加清晰，能夠增強(qiáng)可讀性，使匯編器的編譯效率提高。μ’nSP?內(nèi) 核對支持 ANSI-C 中使用的基本數(shù)據(jù)類型，并且可以在 C 程序中調(diào)用匯編函數(shù) 提高代碼效率，并使其具有較好的實時性。聲控小車的各種動作，以及指令以 及工作方式都要通過 C 語言與匯編語言編寫，并進(jìn)行摸擬，調(diào)試等操作。為減 少繁瑣的堆棧操作和提高程序可讀性，在本次設(shè)計中采用 C 語言編寫辨識程序。 在編程工作結(jié)束后，將會對聲控小車進(jìn)行程序的輸入。使用凌陽科技提供 的一個集成開發(fā)環(huán)境 μ’nSP? IDE，它能完成程序的編輯、編譯、鏈接、調(diào)試 和仿真等功能。使用它的的軟件仿真功能可以在不連接仿真板的情況下通過模 擬硬件的部分功能來調(diào)試程序。并使用在線調(diào)試器 PROBE 對 SPCEO61A 程序 進(jìn)行寫入，它既是一個程序燒寫器人又是一個實時在線調(diào)試器。它利用了 SPCE06lA 片內(nèi)置的在線仿真電路 ICE(In－Circuit Emulator）接口和凌陽公司的 在線串行編程技術(shù)。PROBE 工作于凌陽 IDE 集成開發(fā)環(huán)境軟件包下，其 5 芯 的仿真頭直接連接到目標(biāo)電路板上 SPCEO61A 相應(yīng)引腳，直接對目標(biāo)電路板上 的 SPCEO61A 調(diào)試，運(yùn)行編寫好的程序。PROBE 的另一頭是標(biāo)準(zhǔn) 25 針打印機(jī) 接口，直接連接到計算機(jī)打印口與微機(jī)通信，在計算機(jī) IDE 集成開發(fā)環(huán)境軟件 包下，實現(xiàn)在線調(diào)試。 圖 5-6 計算機(jī)，PROBE 和用戶目標(biāo)板三者之間的連接示意圖 19 5.2 ATMEGA16L 單片機(jī)指令系統(tǒng)與開發(fā)環(huán)境 為了獲得最高的性能以及并行性， AVR 采用了 Harvard 結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立 的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運(yùn)行。CPU 在執(zhí)行一 條指令的同時讀取下一條指令( 在本文稱為預(yù)取) 。這個概念實現(xiàn)了指令的單時 鐘周期運(yùn)行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH 。AVRStudio 是Atmel 公司推 出的AVR 單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境。能運(yùn)行于Windows9x/ME/NT/2000/XP等操作系 統(tǒng)平臺下。它提供了源文件的編輯器，用于軟件仿真的芯片仿真器和在線硬件 仿真(ICE) 的接口。源程序的編輯可采用匯編語言，其匯編級編譯器（AVR Assembler）是免費(fèi)提供的。 AVRStudio也可采用C語言編程，支持第三方C編譯 器。AVRStudio還集成有軟件調(diào)試（ AVR Studio）和實時在線仿真器（JTAG ICE）以及 AVRProg下載等功能。目前，ARTMEL 公司所發(fā)布的最新版本為 AVR Studio4.14，可以在 ATMEL公司的官方網(wǎng)站htttp://下載。 圖5-7 AVRStudio開發(fā) 20 結(jié) 論 本次對于多功能電子醫(yī)藥盒的設(shè)計采用凌陽 SPCE061A 十六位單片機(jī)和 AVR 系列 ATMEGA16L 高檔 8 位單片機(jī)配合實現(xiàn)。 SPCE061A 采用 μ’nSP? 內(nèi)核微處理器，其內(nèi)部集成語音采集、識別及播放功能，并且集成了 2K 字的 RAM、32K 字的 Flash，同時 ATMEGA16L 內(nèi)集成的 1K 字節(jié)的 SRAM 和 16K 字節(jié)的 FLASH 使得整個系統(tǒng)不需要外擴(kuò)程序存儲器和 RAM。由于采用了高性 能的 MCU，省掉了大量的外圍器件，使得硬件結(jié)構(gòu)大大簡化，提高了系統(tǒng)的可 靠性。遙控器部分選用凌陽 SPCE061A，完全取決于其高集成度和較全面的功 能，不需要增加復(fù)雜的外圍電路就可以實現(xiàn)語音辨識和一系列職能動作。它的 軟件編程采用 C 和匯編混合編程來實現(xiàn)，集兩種語言之優(yōu)點于一體，它們的完 美結(jié)合極大限度地簡化了編程過程，豐富了編程思想，給開發(fā)者帶來了莫大的 方便。采用別的單片機(jī)實現(xiàn)所有功能一般要兩個單片機(jī)，硬件電路也更加復(fù)雜。 若要實現(xiàn)語音播報功能和語音辨識，不是多用幾個別的類型的單片機(jī)就可實現(xiàn) 的，而凌陽單片機(jī)提供了很好的語音播放和錄制機(jī)制以及簡單的 API 接口編程。 使用 SPCE061A 開發(fā)產(chǎn)品不僅給開發(fā)者耳目一新的感覺更給用戶以振奮的性能。 在 SPCE061A 集成函數(shù)庫帶來方便的同時，我也感受到了其源代碼的不透明， 當(dāng)想增加自己特定的功能時，不知如何下手。與此相反，ATMEGA16L 的技術(shù) 資料很詳細(xì)，甚至 bootloader 的編程都已涉及，所以作為單片機(jī)的初學(xué)者從 AVR 系列單片機(jī)入手是一個很好的選擇，當(dāng)具有一定經(jīng)驗后，可以用 SPCE061A 做一些設(shè)計上的輔助工作，也能為自己的作品增添不少色彩。 對于無線語音遙控智能來講，本次設(shè)計的作品并無太大實用價值，但有很 大實際意義，其中聲音控制機(jī)器操作的思路是今后簡化人機(jī)接口的方向。此類 構(gòu)想可移植到諸如小家電、汽車等于生活息息相關(guān)的電子產(chǎn)品上。在人類與計 算機(jī)的關(guān)系日益密切的今天，更為便捷、更為人性化、更為智能化的人機(jī)對話 方式無疑是今后科技發(fā)展的新趨勢。 在結(jié)束了本次畢業(yè)設(shè)計后，本人對于單片機(jī)的了解和使用能力達(dá)到了一個 更高的層次，使知識得到了充分的運(yùn)用，同時也補(bǔ)充了部分沒有接觸過的思想。 本人從中受益匪淺。 21 參考文獻(xiàn) [1]劉海承等. 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Miller.Data and Network Communications，第一版，科學(xué)出版社， 2002:145～148. 22 附錄 1：電路圖 23 附錄 2： 程序 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int //********* 延時程序 ********* void delayms(unsigned int n) //延時 10×n 毫秒程序 { unsigned int i,j; for(i=0;i0;i--) for(j=248;j>0;j--); } /******************語音模塊 ********************/ sbit s1=P1^3; sbit s2=P1^4; sbit reshi=P1^5; void speak2(void) { delay1ms(50); s2=1; delay1ms(50); s2=0; delay1ms(2); s2=1; //s2=1; } /**************LCD 液晶***************/ #define LCD_CS_SET P1|=0 x04 //CS = P1.2 #define LCD_CS_CLR P1//定義按鍵位置 sbit key2=P3^1; sbit key3=P3^2; sbit key4=P3^3; sbit SCK=P3^6; sbit SDA=P3^4; sbit RST = P3^5; // DS1302 復(fù)位 /***************電機(jī)******/ unsigned char code F_Rotation[4]={0 x01,0 x02,0 x04,0 x08};//正轉(zhuǎn)表格 unsigned char code B_Rotation[4]={0 x08,0 x04,0 x02,0 x01};//反轉(zhuǎn)表格 void Delaymotor(unsigned int i)//延時 { while(--i); } void oneblock(char w) { unsigned char i,j; for(j=0;j<120;j++) { for(i=0;i<4;i++) //4 相 { if(w) P2=B_Rotation[i]; //輸出對應(yīng)的相 可以自行換成反轉(zhuǎn)表格 else P2=F_Rotation[i]; Delaymotor(1000); //改變這個參數(shù)可以調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速 } } } 26 unsigned char l_tmpdate[7]={0,0,12,14,11,3,9};//秒分時日月周年 08-05-15 12:00:00 unsigned char l_tmpdisplay[8]; code unsigned char write_rtc_address[7]={0 x80,0 x82,0 x84,0 x86,0 x88,0 x8a,0 x8c}; //秒分時日月 周年 最低位讀寫位 code unsigned char read_rtc_address[7]={0 x81,0 x83,0 x85,0 x87,0 x89,0 x8b,0 x8d}; unsigned char weizhi[6]={0,0,0}; unsigned char shuliang[3]={0,0,0}; unsigned char shijian[7]={0,1,12,14,11,3,9}; char a=0,f=0; /****************************************************************************/ void Write_Ds1302_Byte(unsigned char temp) { unsigned char i; for (i=0;i>=1; //右移一位 SCK=1; } } void Write_Ds1302( unsigned char address,unsigned char dat ) { RST=0; _nop_(); SCK=0; _nop_(); RST=1; _nop_(); //啟動 Write_Ds1302_Byte(address); //發(fā)送地址 Write_Ds1302_Byte(dat); //發(fā)送數(shù)據(jù) RST=0; //恢復(fù) 27 } /****************************************************************************/ unsigned char Read_Ds1302 ( unsigned char address ) { unsigned char i,temp=0 x00; RST=0; _nop_(); SCK=0; _nop_(); RST=1; _nop_(); Write_Ds1302_Byte(address); for (i=0;i>=1; //右移一位 SCK=1; } RST=0; _nop_(); //以下為 DS1302 復(fù)位的穩(wěn)定時間 RST=0; SCK=0; _nop_(); SCK=1; _nop_(); SDA=0; _nop_(); SDA=1; _nop_(); return (temp); //返回 28 } /****************************************************************************/ void Read_RTC(void) //讀取 日歷 { unsigned char i,*p; p=read_rtc_address; //地址傳遞 for(i=0;i<7;i++) //分 7 次讀取 秒分時日月周年 { l_tmpdate[i]=Read_Ds1302(*p); p++; } } /***********************************************************************/ void Set_RTC(void) //設(shè)定 日歷 { unsigned char i,*p,tmp; for(i=0;i<7;i++){ //BCD 處理 tmp=l_tmpdate[i]/10; l_tmpdate[i]=l_tmpdate[i]%10; l_tmpdate[i]=l_tmpdate[i]+tmp*16; } Write_Ds1302(0 x8E,0X00); p=write_rtc_address; //傳地址 for(i=0;i<7;i++) //7 次寫入 秒分時日月周年 { Write_Ds1302(*p,l_tmpdate[i]); p++; } Write_Ds1302(0 x8E,0 x80); 29 } //********* 發(fā)送字節(jié) ********* void send_byte( uchar s_data ) { uchar i; LCD_SCK_CLR; for( i=0; i<8; i++ ) { if( s_data else LCD_SDA_CLR; LCD_SCK_SET; s_data = s_data << 1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); LCD_SCK_CLR; } } //********* 接收字節(jié) ********* uchar receive_byte( void ) { uchar i,r_data=0; LCD_SCK_CLR; for( i=0; i<8; i++ ) { r_data = r_data << 1; LCD_SCK_SET; _nop_();_nop_(); LCD_SCK_CLR; if( LCD_SDA_IN ) r_data |= 0 x01; //0 x02 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); 30 } return( r_data ); } //********* 向 LCD 發(fā)送指令 ******** void LCD_W_Comm( uchar CMD ) { LCD_SDA_SET; LCD_CS_SET; _nop_();_nop_(); send_byte( 0 xf8 ); //0 xF8 = 1111 1000,發(fā)送指令 send_byte( CMD send_byte( CMD <<4); LCD_CS_CLR; Delay(); } //********* 向 LCD 發(fā)送數(shù)據(jù) ******** void LCD_W_Data( uchar DAT ) { LCD_SDA_SET; LCD_CS_SET; _nop_();_nop_(); send_byte( 0 xfa );