基于SPCE061A单片机的语音遥控小车设计.docx

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1、基于SPCE061A单片机的语音遥控小车设计基于SPCE061A单片机的语音遥控小车设计 作 者：宇晓梅 摘要：近年来，智能化和自动化技术在玩具制造领域中越来越被关注。本文介绍了一种基于SPCE061A单片机的语音遥控小车，重点讨论了其硬件子系统的设计与实现。在环境背景噪音不太大，控制者的发音清晰的前提下，语音控制小车能对特定的语音指令做出反应，做出预想中的有限的动作。 关键词：单片机SPCE061A； 语音识别 ；智能小车； 1 引言 随着计算机技术的发展，单片机作为计算机的一个分支，广泛用于工业控制、智能仪器、家用电气、高科技玩具等领域。语音技术的发展，缩短了人机界面的距离，增强了互动性和

2、智能性。具有语音识别功能的智能遥控小车，集语音识别、无线遥控、机械控制于一体。以单片机为主控元件，完成前进、后退、转弯等预定的工作，采用凌阳公司具有语音处理功能的SPCE061A作为控制核心可以方便的实现语音控制。 2 概述 本文介绍了一个以凌阳公司具有语音处理功能的SPCE061A为控制核心，附加一定外围电路组成的语音遥控小车系统。该小车可以通过简单的I/O操作实现小车的前进、后退、左转、右转功能；配合SPCE061A的语音特色，利用系统的语音播放和语音识别资源，实现语音控制的功能；可以在行走过程中声控改变小车运动状态；在超出语音控制范围时能够自动停车。 3 硬件功能模块电路设计 3.1 S

3、PCE061A简介 SPCE061A是凌阳科技推出的又一个unSP(TM)系列产品16位结构的微控制器，主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转第 1 页 共 19 页 换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE接口，内嵌32K字的闪存，较高的处理速度使unSP(TM)能够非常容易地、快速地处理数字信号。以unSP(TM) 为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。 3.2 电源模块 图1 稳压电源电路 61板采用3节5号电池进行供电，其中的前后两组电容用来去耦滤波，使其供给芯片的电源更

4、加干净平滑。为了获得标准的3.3V电压，在板子上加入SPY0029A三端稳压器。两个二极管，是为了防止误将电源接反造成不必要损失而设置的，在操作过程中千万不要将电源接反，因为反向电压超过一定的值，二极管将会被损坏，达不到保护的目的。后面的零电阻及其电源、地分成不同的几路是为了减少电磁干扰设置的。 图中的VDDH3为SPCE061A的I/O电平参考，如果该点接SPCE061A的51脚，可使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

5、；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚； AVSS2接音频输出电路的AVSS2。 3.3 SPCE061A最小系统模块 最小系统接线如图2所示，在OSCO、OSCI端接上32768HZ的晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作，复位电路采用的是按键式复位模式，由一个按键第 2 页 共 19 页 和一个电阻及电容构成。其它不用的电源端和地端接上0.1uF的去耦电容提高抗干扰能力。 图2 SPCE061A最小系统原理图 3.4语音提示模块 图3为音频输出电路。SPCE061A内接2路10位精度DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。图中的SPY0

6、030是凌阳的一款 音频放大芯片，可以工作在2.4V6V范围内，最大输出功率可达700mV。 图 3 音频输出电路图 3.5 程序下载电路 SPCE061A芯片内部集成了ICE接口，PC机通过Probe或EZ_Probe (简易下载线)与61板相连，就可方便地完成程序的下载、调试等。61板为Probe和EZ_Probe各自提供了一组接口，可通过S5跳线来选择使用的接口类型。ICE接口部分电路如图 4所示 。 第 3 页 共 19 页 图4 ICE接口电路图 3.6 语音遥控小车的技术要求 小车采用语音识别技术，可通过语音命令对其行驶状态进行控制。语音控制小车的主要功能： 1 可以通过简单的 I

7、/O 操作实现小车的前进、后退、左转、右转功能； 2 配合 SPCE061A 的语音特色，利用系统的语音播放和语音识别资源，实现语音控制的功能； 3 可以在行走过程中声控改变小车运动状态； 4 在超出语音控制范围时能够自动停车。 在对编程基础知识了解后，基于对题目要求的理解和思考，我们确定实现方案。可以通过简单的I/O操作实现小车的前进、后退、左转、右转功能；配合SPCE061A的语音特色，利用系统的语音播放和语音识别资源，实现语音控制的功能；可以在行走过程中声控改变小车的运动状态；实现能自动往返于起跑线与终点线间的智能流程，并具备人工遥控的功能。 4 总体设计 4.1 系统结构方案 系统的结

8、构框图如图 5所示： 第 4 页 共 19 页 图5 系统的结构框图 系统组成主要包括以下两部分：SPCE061A 精简开发板、语音小车控制电路板。 图中的语音输入部分 MIC_ IN、按键输入 KEY、声音输出部分的功率放大环节等已经做到了精简开发板61 板上，为我们使用提供了很大的方便。在电机的驱动方面，采用全桥驱动技术，利用四个I/O端口分为两组分别实现两个电机的正转、反转和停三态运行。 4.2系统控制方案 小车的运动控制采用语音控制和中断定时控制相结合，通过语音触发小车动作，小车动作之后，随时可以通过语音指令改变小车的运动状态。在每一次动作触发的同时启动定时器，如果小车由于某些原因不能

9、正常的接收语音指令，则只要定时时间到，中断服务程序会发出指令让小车停下来。 5 硬件设计说明 小车分为三大部分：车体部分、61板、控制板。 车体部分：小车车体主要为两个电机驱动装置，分前轮驱动和后轮。在车体的下面有一个可以安装3节AA电池的电池盒，整个小车的电源就是由它来提供的。在小车的底部有一个红色的小开关，它负责控制整个小车的电源开通与关断。 61板：61板是小车的核心部分，它负责整个小车控制信号的产第 5 页 共 19 页 生，以及语音的播放和识别功能实现的。在不使用小车时可以将61板从小车上拆下来，61板仍然是完整的，可以用它来做其它的实验或开发。 控制板：系统的硬件方面，由于大部分的

10、功能实现都是在61板上完成的，只有电机控制部分电路另外设计在一块独立的电路板上，我们称之为控制板。控制板负责将来自61板的控制信号转化为能够驱动电动机的信号。下面详细介绍小车的结构和运行原理以及控制电路板的结构和功能实现。 5.1 车体介绍 语音控制小车为四轮结构，如图6、7所示。其中前面两个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。所以又称前面的轮子为方向轮，后面的两个轮子为驱动轮。 图6 车体侧视图 图7 车体顶视图 5.1.1 小车的行走原理 直走：由小车的结构

11、分析，在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间状态，这是只要后轮电机正转小车就会前进，如图8所示； 倒车：倒车动作和前进动作刚好相反，前轮电机仍然保持中间状态，后轮电机反转，小车就会向后运动，如图9所示； 左转：前轮电机逆时针旋转，后轮电机正转，这时小车就会在前后轮共同作用下朝左侧前进，如图10所示； 右转：前轮电机反转，后轮电机正转，这时小车就是会在前后轮共同作用下朝右侧前进，如图11所示。 第 6 页 共 19 页 图8 小车直走示意图 图9 小车倒车示意图 图10 小车左转示意图 图11 小车右转示意图 5.2 控制板原理图 控制板主要包括：接口电路、电源电路和两路电机的驱动电路，控制板原

12、理图如图12所示。 图12 控制板原理图 接口电路：接口电路负责将61板的I/O接口信号传送给控制电路板，I/O信号主要为控制电机需要的IOB8IOB11这四路信号，同时为了方便后续的开发和完善，预留了IOB12IOB15 以及IOA8IOA15接口，可以在这些接口上添加一些传感器。电源部分：第 7 页 共 19 页 整个小车有4个电源信号：电池电源，控制板工作电源，61板工作电源，61板的I/O输出电源。系统供电由电池提供，控制板直接采用电池供电，然后经二极管D1后产生61板电源，通过61板的Vio跳线产61板的端口电源。二极管D作用：1、降压，4 节电池提供的电压VCC最大可达到6V，D1

13、可有效地降压。2、保护，D1可以防止电源接反烧坏61板。 5.2.1 全桥驱动原理 全桥驱动又称H桥驱动，下面介绍一下H桥的工作原理：H桥一共有四个臂，分别为B1B4，每个臂由一个开关控制，示例中为三极管Q1Q4。 如果Q1、Q2 导通Q3、Q4关断，如图13所示，此时电流将会流经Q1、负载、Q2组成的回路，电机正转。 如果让Q1、Q2关断Q3、Q 导通，如图14所示，此时电流将会流经Q3、负载、Q4组成的回路，电机反转。 如果让Q1、Q2 关断Q3、Q4也关断，负载Load两端悬空，如图15所示，此时电机停转。这样就实现了电机的正转、反转、停止三态控制。 如果让Q1、Q2导通Q3、Q4也导通

14、，那么电流将会流经Q1、Q4组成的回路以及Q2和Q3组成的回路， 如图16所示，这时桥臂上会出现很大的短路电流。在实际应用时注意避免出现桥臂短路的情况，这会给电路带来很大的危害，严重的会烧毁电路。 图13 B1、B2工作时的电路简图 图14 B3、B4工作时的电路简图 第 8 页 共 19 页 图15 B1B4全部停止工作时的电路简图 图16 B1B4全部工作时的电路简图 5.2.2 动力电机驱动电路 动力驱动由后轮驱动实现，负责小车的直线方向运动，包括前进和后退，后轮驱动电路是一个全桥驱动电路，如图17所示：Q1、Q2、Q3、Q4四个三极管组成四个桥臂，Q1和Q4组成一组，Q2和Q3组成 一

15、组，Q5控制Q2、Q3的导通与关断，Q6控制Q1和Q4的导通与关断，而Q5、Q6由IOB9和IOB8控制， 这样就可以通过IOB8和IOB9控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退。 图17 后轮电机驱动电路 当IOB8为高电平、IOB9为低电平时Q1和Q4导通，Q2和Q3截止，后轮电机正转，小车前进；反之当IOB8为低电平、IOB9为高电平时Q1和Q4截止，Q2和Q3导通，后轮电机反转，小车倒退；而当IOB8、IOB9同为低电平时Q1、Q2、Q3和Q4都截止，后轮电机停转，小车停止运动。 注意：IOB8和IOB9不能同时置高电平，这样会造

16、成后轮驱动全桥短路现象。 5.2.3 方向电机控制电路 第 9 页 共 19 页 方向控制由前轮驱动实现，包括左转和右转，前轮驱动电路也是一个全桥驱动电路，如图18所示：Q7、Q8、Q9、Q10四个三极管组成四个桥臂，Q7和Q10组成一组，Q8和Q9组成一组，Q11控制Q8、 Q9的导通与关断，Q12控制Q7和Q10的导通与关断，而Q11、Q12由IOB10和IOB11控制，这样就可以 通过IOB10和IOB11控制前轮电机的正转和反转，进而控制小车的左转和右转。 图18 前轮电机驱动电路 当IOB10为高电平、IOB11为低电平时Q8和Q9导通，Q7和Q10截止，前轮电机正转，小车前轮朝左偏

17、转；反之当IOB10为低电平、IOB11为高电平时Q8和Q9截止，Q7和Q10 导通，前轮电机反转，小车前轮朝右偏转；而当IOB10、IOB11同为低电平时Q8和Q9截止，Q7和Q10也截止，前轮电机停转， 在弹簧作用下前轮被拉回到中间位置，保持直向。 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。结合以上对前轮和后轮的状态分析，得到小车的运行状态与输入的对照表，如表1所示： 表1 基本的输入与小车运动状态对照表 IBO11 IBO10 IBO9 IBO8 后电机 前电机 小车 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 停

18、转 正转 反转 正转 正转 停转 停转 停转 停 前进 倒退 正转 左前转 反转 右前转 第 10 页 共 19 页 另外还有一些不常用的运行状态，比如右后转、左后转等，结合以上对前轮和后轮的状态分析，其端口对照如表4-2所示： 表2 输入与小车运动状态对照表 IBO11 IBO10 IBO9 IBO8 后电机 前电机 小车 0 1 1 0 1 1 0 0 正转 正转 正转 右后转 反转 左后转 注意：为了小车的安全请不要出现以下两种组合情况： 表3 禁止的输入状态列表 IBO11 IBO10 IBO9 IBO8 后电机 前电机 小车 * 1 *1 1 1 * 1 * 停转 * * 停转 停

19、停 6 软件设计说明 6.1 软件设计思想 系统软件设计SPCE061A提供了很好的语音播放和录制机制以及简单的API接口编程，大大简化了小车的软件设计。在此主要阐述，语音辨识以及定时中断控制部分的软件设计。 6.2 系统的程序流程 图19 系统总体程序流程图 第 11 页 共 19 页 语音遥控小车的主程序流程如图19所示，分为四大部分：初始化部分、训练部分、识别部分、重训操作。 初始化部分：初始化操作将IOB8IOB11设置为输出端，用以控制电机。必要时还要有对应的输入端设置和PWM端口设置等。 训练部分：训练部分完成的工作就是建立语音模型。程序一开始判断小车是否被训练过，如果没有训练过则

20、要求对其进行训练，并且会在训练成功之后将训练的模型存储到FLASH，在以后使用时不需要重新训练；如果已经训练过会把存储在FLASH中的模型调出来装载到辨识器中。 识别部分：在识别环节当中，如果辨识结果是名字，则进入自动往返流程状态。如果辨识结果为动作指令小车会语音告知相应动作并执行该动作。 重训操作：考虑到有重新训练的需求，设置了重新训练的按键，循环扫描该按键，一旦检测到此键按下，则将擦除训练标志位，并等待复位。复位后，程序重新执行，当检测到训练标志位为0xffff时会要求重新对其进行训练。 下面详细介绍以上提到的子程序。 6.2.1 语音识别的原理简介 在介绍子程序之前首先介绍一下语音识别的

21、原理。语音识别的具体流程图如图20所示： 图20 语音识别流程说明框图 第 12 页 共 19 页 语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。在训练阶段，单片机对采集到的语音样本进行分析处理，从中提取出语音特征信息，建立一个特征模型；在识别阶段，单片机对采集到的语音样本也进行类似的分析处理，提取出语音的特征信息，然后将这个特征信息模型与已有的特征模型进行对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别。 6.2.2训练子函数 图21 训练流程图 当程序检测到训练标志位BS_Flag内容为0xffff，就会要求操作者对它进行训练操作，训练操作的过程如图21所示：训练采用两次训练获取结果的方

22、式，以训练名字为例：小车首先会提示：给我取个名字吧，这时你可以告诉它一个名字；然后它会提示：请再说一遍，这时再次告诉它名字，如果两次的声音差别不大，小车就能够成功的建立模型，名称训练成功；如果没能够成功的建立模型，小车会告知失败的原因并要求重新训练。成功训练名称后会给出下一条待训练指令提示音：前进，参照名称训练方式训练前进指令。依次训练小车的名称前进指令倒车指令左转指令右转指令，全部训练成功子程序返回，训练结束。 第 13 页 共 19 页 下面是训练部分的子程序，在训练时如果训练不成功 TrainWord返回值不为0，要求重复训练，只有当训练成功，TrainWord返回0，进行下一条指令训练

23、。 void TrainSD while(TrainWord(NAME_ID,S_NAME) != 0) ; /训练名称 while(TrainWord(COMMAND_GO_ID,S_ACT1) != 0) ; /训练第1个动作 while(TrainWord(COMMAND_BACK_ID,S_ACT2) != 0) ; /训练第2个动作 while(TrainWord(COMMAND_LEFT_ID,S_ACT3) != 0) ; /训练第3个动作 while(TrainWord(COMMAND_RIGHT_ID,S_ACT4) != 0) ; /训练第4个动作 6.2.3语音识别子程序

24、 图22 语音识别部分流程图 语音识别流程如图22所示：首先获取辨识器的辨识结果，判断是否有语音触发，如果有语音触发则会返回识别结果的ID号，ID号对应名称或者对应不同的动作。如果ID号为名称，则进入运动自动往返程序流程；如果ID号为动作，则语音告知将要执行的动作，并执行该动作。 6.2.4动作子程序 第 14 页 共 19 页 动作子程序包括：前进、倒车、左拐、右拐、自动往返子程序。 前进：由小车的结构原理和驱动电路分析知：只要IOB8为高电平，IOB9，IOB10，IOB11全部为低电平即可实现小车的前进。前进子程序包括语音提示、置端口数据、启动定时器操作。 void GoAhead /前

25、进 PlaySnd(S_ACT1,3); /语音提示 *P_IOB_Data=0x0100; /前进 *P_INT_Mask |= 0x0004; /开 2Hz 中断 _asm(int fiq,irq); uiTimecont = 0; /清定时器 倒车：由小车的结构原理分析和驱动电路分析知：只要IOB9为高电平，IOB8，IOB10，IOB11全部为低电平即可实现小车的倒退。倒退子程序包括语音提示、置端口数据、启动定时器操作。 void BackUp /倒退 PlaySnd(S_ACT2,3); /语音提示 *P_IOB_Data=0x0200; /倒车 *P_INT_Mask |= 0x0

26、004; /开 2Hz 中断 _asm(int fiq,irq); uiTimecont = 0; /清定时器 左转：由小车的结构原理分析和驱动电路分析知：小车左转需要两个条件：1.前轮左偏2.后轮前进，这时对应的I/O状态为：IOB8、IOB10为高电平，IOB9、IOB11为低电平。左转子程序包括语音提示、置端口数据、启动定时器操作。 void TurnLeft /左转 PlaySnd(S_GJG,3); /播放提示音 *P_IOB_Data=0x0900; /前轮右偏 第 15 页 共 19 页 Delay; /延时 *P_IOB_Data=0x0500; /前轮左偏 *P_INT_Ma

27、sk |= 0x0004; /打开 2Hz 中断 _asm(int fiq,irq); /允许总中断 uiTimecont = 0; /清定时器 注：在左转之前首先让前轮右偏，然后再让前轮朝左偏，这样前轮的摆动范围更大，惯性更大，摆幅也最大，能更好实现转弯。 右转：由小车的结构原理分析和驱动电路分析知：小车右转需要两个条件：1.前轮右偏2.后轮前进，这时对应的I/O状态为：IOB8、IOB11为高电平，IOB9、IOB10为低电平。右转子程序包括语音提示、置端口数据、启动定时器操作。 void TurnLeft /左转 PlaySnd(S_GJG,3); /播放提示音 *P_IOB_Data=

28、0x0500; /前轮左偏 Delay; /延时 *P_IOB_Data=0x0900; /前轮右偏 *P_INT_Mask |= 0x0004; /打开 2Hz 中断 _asm(int fiq,irq); /允许总中断 uiTimecont = 0; /清定时器 注：在右转之前首先让前轮左偏，然后再让前轮朝右偏，这样前轮的摆动范围更大，惯性更大，摆幅也最大，能更好实现转弯。 6.2.5中断控制流程 虽然已经有了前进、后退以等语音控制指令，但是考虑环境的干扰因素，小车运行时的噪音影响和有效距离的限制，小车运行后可能接收不到语音指令而一直运行。为了防止出现这种情况，加入了时间控制，在启动小车运行

29、的同时启动定时器，定时器时间到停止小车的运行，该定时器借助于2Hz时基中断完成，图23所示为该程序的流程图。可以在程序中修改第 16 页 共 19 页 uiTimeset参数来控制运行时间，当uiTimeset=2时，运行时间为1s，以此类推。 图23 2Hz中断子函数 7 系统综合 7.1硬件连接调试过程 图24 小车硬件连接图 硬件调试过程相对顺利，实验第一步就是按照实验说明书对61板的元件进行焊接以及小车车体的连接安装。由于车体焊接存在的问题，在程序调试过程中出现了一系列的硬件问题，但经过仔细分析后，这些问题都得到了解决，硬件的调试改进为软件的实现调试打下了基础。 第 17 页 共 19

30、 页 7.2程序调试过程分析 本次设计任务对软件编写调试的能力要求相对较高，程序调节是否顺利决定了进度。 由于初次接触61的编程，所以在实习初期我们主要是学习和认知61的板以及61编程的基本知识，这是个学习深入的过程。 这个方案的确定是在查阅了，61资料“语音控制小车”的实现程序后得到的思路。基于对现有程序框架的理解，我们加入了自动往返程序流程。当然，程序的调试是不可能一两次就能成功的。这其中遇到的问题有很多，其中就有硬件的问题以及对61编程的知识的理解的不够而出现的调试困难。 7.3总体结果分析 本设计综合应用了SPCE061A丰富的软硬件资源，成功的实现了语音控制功能。标准的C语言编程，丰

31、富的语音资源函数为编程提供了很大的方便。 该设计方案结构简单，以单芯片实现了语音播放与识别以及电机控制功能，相当于“语音识别芯片+普通单片机”的功能。但是比“语音识别芯片+普通单片机”。 该语音控制小车操作比较简单，训练和识别成功的几率也比较高，是一个典型的语音识别方案。 参 考 文 献 1.童诗白，华成英.模拟电子技术基础M. 高等教育出版社，2000. 2.雷思孝,李伯成等.单片机原理及实用技术-凌阳16位单片机原理及应用M.西安:西安电子科技大学, 2004. 3.彭为，黄科，雷道仲.单片机典型系统设计实例精讲M.电子工业出版社，2006. 4.张友德.单片微型机原理、应用于实验M.3版

32、.上海：复旦大学出版社，2000. 5.黄根春，陈小桥，张望先.电子设计教程M.北京：电子工业出版社，2007. 6.李玉贤,欧阳斌林.基于SPCE061A 单片机的语音识别系统的研究.优秀硕士学位论文库. 7.张震宇,王华.基于凌阳单片机的语音识别技术及应用.微计算机信息，2007，8-2：23. 第 18 页 共 19 页 8.周月霞，周传友.DS18B20硬件连接及软件编程J.传感器世界.XX年第12期. 9.张培仁，张志坚，高修峰.十六位单片机微处理器原理及应用J.北京清华大学出版社，2005. 10.张春峰,邹新杰,余张国.基于ATMEGA16 的智能控制器的开发研制J.微计算机信息

33、，2007,23：123-124. Design of Voice controlled car Based on SPCE061A Yu Xiaomei Abstract: In recent years, Intelligent and automation technology in the toy manufacture have been paid more and more attention. A design of voice controlled toy car based on SPCE061A MCU (Micro Control Unit) is introduced

34、in this paper. The design and implementation of its hardware is discussed in detail. When the background noise is not too big, and the masters pronunciation is clear, this voice controlled car can make the preset responses to the specific voice commands, realizes the limited movements. Key words：MCU SPCE061A；voice recognition；intelligent car； 第 19 页 共 19 页