公交车报站器毕业设计.docx
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公交车报站器毕业设计
公交车报站器毕业设计
摘要
随着城市交通的快速发展，公交汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务。
而公交汽车的报站共识直接影响其服务的质量。
传统报站方式是由乘务人员进行人工报站，该方式因其效果太差和工作程度太大，在很多大城市已经被淘汰。
近年来，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得公交车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化得服务。
公交应用系统带给公交企的将不仅是形象的提升，也是效益的增长。
本文介绍了一种公交车报站器的系统设计原理，提出了以61单片机为核心，通过4*4键盘获取外部指示以控制SPR4096语音芯片电路以及LCD显示的硬件设计和软件设计方案。
该系统语音音质好，功能强，成本很低，是提供公交服务的一种较好的手段。
本文首先介绍了SPCE061A的基本原理和开发方法，讨论了控制模块、显示系统和存储系统的总体设计思想和实现方案，并且详细阐述了硬件系统和软件系统的设计。
硬件系统包括电源电路、控制电路、信息存储电路、显示电路、语音资源存储电路等；硬件驱动程序由开发系统提供的汇编语言库函数来实现。
经过调试和仿真运行，使系统最终达到了课题设计的要求。
关键词：
单片机，语音处理，LCD显示，SPR4096
Abstract
Withtherapiddevelopmentofurbantraffic,transitbusesoutforpeoplewithaquickandconvenientservices.Buttheconsensustransitbusesstopsdirectlyaffectsitsqualityofservice.Traditionalwayisbythecrewstopsartificialstopsforitseffect,thiswaypoorandworkingleveltoobig,inmanybigcitieshavebeeneliminated.Inrecentyears,withvariouspronunciationchipmicrocomputertechnology,cancompletecombinedspeechsynthesistechnology,makestherealizationofbusstopsdevicebecomespossible,andthusforcitizenstoprovideamorehumanizedservice.Busapplicationsystemwillnotonlybringbusenterprises,butalsoisofimagepromotionofgrowth.BenefitThispaperintroducesakindofbusstopsthesystemdesignprinciple,isputforwardto61singlechip,through4*4keyboardaccessexternalSPR4096pronunciationchipinstructiontocontrolcircuitandLCDdisplayhardwaredesignandsoftwaredesign.Thissystemvoicetimbre,thefunctionisstrong,verylowcost,istoprovidethebusserviceisagoodmethod.ThispaperfirstlyintroducesthebasicprincipleanddevelopmentSPCE061Amethodsarediscussedincontrolmodule,displaysystemsandstoragesystemdesignthinkingandrealizetheoverallsolution,andillustratesthehardwareandsoftwaresystemdesign.Hardwaresystemsincludepowersupplycircuit,controlcircuitandinformationstoragecircuit,displaycircuit,speechresourcesstoragecircuit,etc.;Hardwaredriverbythedevelopmentofthesystemprovidedassemblerlanguagelibraryfunctiontorealize.Aftertestingandsimulationoperation,thesystemfinallyachievedthetopicdesignrequirements.
KeyWords：
MCU;SpeechProcessing;LCDdisplay;SPR4096
1引言
1.1课题背景及研究意义
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。
本设计即是设计出一款基于凌阳SPCE061A单片机的公交车报站器，着重研究了SPCE061A单片机的语音播放和时间设置模块的程序编写。
在公交车报站器的设计方案中，通过PC机将所要播报的站名和服务语录制成WAVE文件并压缩，然后添加到所建立的工程中的语音资源索引表中，同时将这些站名和服务语烧录到外扩的SPR4096模组中，再通过获取不同的键值来播报站名和服务语，在LED显示模组上时间和日期，通过设置键来更改时间和日期。
通过本系统软件的控制，实现了公交车报站器的语音播报和时间、日期的显示和设置功能。
通过PC机等设备录制需要播放的语音资源，将录制好的语音资源烧写到SPR4096FLASH存储器中，然后根据键盘执行对应的报站等功能，并且在液晶屏上显示对应信息。
采用键控结构。
1.2国内外概况
随着城市交通的快速发展，公交汽车为外出的人们提供了方便快捷的服务。
而公交汽车的报站共识直接影响其服务的质量。
传统报站方式是由乘务人员进行人工报站，该方式因其效果太差和工作程度太大，在很多大城市已经被淘汰。
近年来，微机技术与各种语音芯片相结合，即可完成语音的合成技术，使得公交车报站器的实现成为可能，从而为市民提供了更加人性化得服务。
公交应用系统带给公交企的将不仅是形象的提升，也是效益的增长。
单片机的问世和飞速发展掀起了计算机工程应用领域的一场新革命，使计算机技术冲破了实验室和机房的界限，广泛地应用于工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、网络通信系统、智能仪表和接口以及各类功能模块等广阔领域。
单片机应用系统已经成为实现许多控制系统的常规性工具。
随着计算机科学和微电子集成技术的飞速发展，单片机自身也在不断地向高层次和更大规模发展。
由于单片机应用系统的高可靠性，软、硬件的高利用系数，优异的性价比，使它的应用范围有传统的过程控制，逐步进入数值处理、数字信号处理以及图象处理等高技术领域。
1.3本课题所要达到的预期目的
在单片机应用系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、转速、声音、光亮等转换成数字信号才能用单片机中进行处理。
这种将模拟量转换成数字量的过程即是A/D转换。
许多新型的单片机已经在片内集成了许多A/D和D/A转换器及PWM输出，这样就大大简化了外围电路和编程工作。
在这方面，SPCE061A做得很好。
ADC的结构及工作原理：
µ’nSP单片机的内部集成了一个10位的A/D转换器，它采用逐次逼近式原理实现模/数转换。
µ’nSP中的ADC由以下几部分组成：
10位数/模转换器DAC0、10位数据缓存器DAR0、逐次逼近寄存器SAR、比较器COMP以及ADC控制寄存器。
其输入信号有两个通道：
一个由LINE_IN通道输入；另一个由MIC_IN通道输入。
MIC_IN一般用于麦克风通道输入，对较弱的信号一般经音频放大器AGC（AutomationGainControl）自动增益控制放大后再进行A/D转换。
2SPCE061A单片机简介
SPCE061A是一款性价比很高的十六位单片机，它采用高性能的µ’nSP™内核，具有丰富的硬件资源，并集成了ICE（在线仿真接口），可以直接利用该接口对芯片进行下载（烧写）、仿真、调试等操作。
SPCE061A在存储器资源方面内嵌了32K的FLASHROM，且SPCE061A的外围功能模块丰富。
SPCE061A能在2.6V-3.6V工作电压范围内工作，时钟频率为0.32MHz-49.152MHz，较高的工作速度使其能快速处理复杂的数字信号，因而大大地拓宽了其应用领域。
SPCE061A内嵌2KBSRAM和32KB的FLASHROM，有32位可编程的多功能I/O端口；两个16位定时器/计数器；32768Hz实时时钟；低电压复位/监测功能；8通道10位模-数转换输入功能并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能。
其特性参数表如下：
表2.1SPCE061A特性参数表
工作电压
（CPU）VDD3.0～3.6V,（I/O）VDDH为VDD～5.5V
CPU工作频率
0.32～46.152MHz
数据存储器
2KWordSRAM
程序存储器
32KWordFLASH-Rom
I/O端口
2组16位可编程输入/输出端口
中断
14个中断源，FIQ和IRQ两个中断优先级
定时器/计数器
两组16位可编程定时器/计数器端口
模/数转换器
7共通道10位电压ADC和单通道10位声音ADC
数/模转换器
2过10位DAC输出通道
UART
一个全双工通用异步串行接口
SIO
一个同步串行设备接口
节电功能
具备弱振方式和睡眠方式
WatchDog功能
具备清除时间周期为0.75s的看门狗
其他功能
低电压复位、低电压监测、保密功能等
SPCE061A的内部模块主要分为：
CPU、存储模块、定时器/计数器、ADC、I/O接口、电源电路模块、音频电路。
SPCE061A单片机的内部结构如图2.1所示。
图2.1SPCE061A的内部结构图
SPCE061A单片机具有一套易学易用且效率较高的指令系统和一个使用方便的集成开发环境。
此开发环境支持C语言，可以实现C语言与汇编语言的互相调用，并且提供了用于语音录放的库函数。
只要了解了库函数的使用方法，就能很容易地完成语音录放，所有这些都大大方便了软件开发。
在单片机应用系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、转速、声音、光亮等转换成数字信号才能用单片机中进行处理。
这种将模拟量转换成数字量的过程即是A/D转换。
许多新型的单片机已经在片内集成了许多A/D和D/A转换器及PWM输出，这样就大大简化了外围电路和编程工作。
在这方面，SPCE061A做得很好。
ADC的结构及工作原理：
u’nSP单片机的内部集成了一个10位的A/D转换器，它采用逐次逼近式原理实现模/数转换。
u’nSP中的ADC由以下几部分组成：
10位数/模转换器DAC0、10位数据缓存器DAR0、逐次逼近寄存器SAR、比较器COMP以及ADC控制寄存器。
其输入信号有两个通道：
一个由LINE_IN通道输入；另一个由MIC_IN通道输入。
MIC_IN一般用于麦克风通道输入，对较弱的信号一般经音频放大器AGC（AutomationGainControl）自动增益控制放大后再进行A/D转换。
具体控制参数如表2.2所示。
表2.2A/D转换中的量化和编码
B15
B14
B13~B3
B2
B1
B0
控制功能描述
Read_
mux
FALL
-
Channel_sel
1
-
-
-
-
-
10位模/数转换未完成
-
0
-
-
-
-
10位模/数转换完成
-
-
-
0
0
0
模拟信号电压通过MIC＿INO输入
-
-
-
0
0
1
模拟信号电压通过MIC＿IN1输入
-
-
-
0
1
0
模拟信号电压通过MIC＿IN2输入
-
-
-
0
1
1
模拟信号电压通过MIC＿IN3输入
-
-
-
1
0
0
模拟信号电压通过MIC＿IN4输入
-
-
-
1
0
1
模拟信号电压通过MIC＿IN5输入
-
-
-
1
1
0
模拟信号电压通过MIC＿IN6输入
-
-
-
1
1
1
模拟信号电压通过MIC＿IN7输入
SPCE061A内嵌了最新的16位微处理器µ’nSP™。
它内含有8个寄存器：
4个通用寄存器R1～R4，1个程序计数器PC，1个堆栈指针SP，1个基址指针BP和1个段寄存器SR。
通用寄存器R3和R4结合形成一个32位寄存器MR，MR可被用作乘法运算和内积运算的目标寄存器。
此外，SPCE061A有3个FIQ中断和14个IRQ中断，并且带有一个由指令BREAK控制的软中断。
µ’nSP™不仅可以进行加、减等基本算术运算和逻辑运算，还可以完成用于数字信号处理的乘法运算和内积运算。
CPU及其外围的基本模块构成SPCE061A的最小系统。
外围基本模块包括：
晶振输入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等。
SPCE061A芯片内部集成了ICE（在线仿真接口），PC机通过Probe（在线调试器）或EZ_Probe（简易下载线）与61板相连，就可以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电路框图如图2.3。
图2.3ICE电路框图
3系统方案
3.1系统设计要求
要求设计一个操作友好且成本很低的公交车报站器，具体要求如下：
①可以存放较多的服务用语和广告词（10条以上）；
②要求操作简单，每站只需按一次键即可播报全部报站内容（前方将要到达的站名，上下车提示服务用语）；
③要求具有跳站、上行、下行切换控制功能；
④要求语音播报具有16档音量调节功能；
⑤要求站牌信息及服务信息等都能通过液晶屏显示出来；
⑥时间、日历播报、显示和调整功能。
3.2方案论证
方案一：
根据设计要求，选用MCS51单片机作为主控芯片，外部扩展适当大小的RAM组成最小系统。
为存储语音资源，在51单片机外围配备一块K9F1208FLASH芯片，作为存储器，另外再外扩一片专用语音处理芯片。
考虑到MCS51的I/O口资源较少，在外部使用专用接口芯片8279管理键盘、显示器件。
框图如图3.1：
图3.1方案一系统框图
方案二：
根据设计要求，选用SPCE061A单片机作为主控芯片，由于这颗芯片是SOC，使用较少的外围器件就能实现最小系统。
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SPR4096FLASH芯片存储语音资源。
框图如图3.2：
图3.2方案二系统框图
方案二与方案一相比具有较大优势。
SPCE061A单片机是SOC的，只需使用较少的外围器件即可组成最小系统，大大降低了系统的复杂性，提高了稳定性。
SPCE061A外扩SPR4096FLASH作为语音资源存储芯片，由于两者都具有SIO接口，使得程序设计大大简化。
SPR4096是4Mbit的NORFLASH，可以存储设计要求的语音资源，而三星的K9F1208是大容量的NANDFLASH，在存储空间上严重浪费，而且NANDFLASH在操作起来比较复杂，增加了开发难度。
3.3系统硬件方案
方案一和方案二进行比较后，最后选择方案二作为系统硬件方案，该方案主要包括SPCE061A精简开发板、SPR4096FLASH存储芯片、4×4键盘、12864液晶显示屏。
SPCE061A是整个设计的核心控制器件，负责控制液晶屏输出，键盘信息的采集输入和语音资源的播报。
液晶屏和4×4键盘主要用作人机交互，显示报站器的信息，同时利用16个按键实现不同的操作。
根据设计要求，规划系统硬件结构如图3.3：
图3.3系统硬件结构图
其中，SID、SCLK分别为12864液晶显示器的串行数据输入端和时钟输入端，IOB0~1与SPR4096的SCK和SDA相连接，IOB8~15与4*4键盘相连接。
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；
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；
KEY9：
“切换行向”，用于行向控制；
KEY10-15：
用于宣传语和广告词的播放控制；
3.4系统工作原理
通过PC机等设备录制需要播放的语音资源，将录制好的语音资源烧写到SPR4096FLASH存储器中，然后根据键盘执行对应的报站等功能，并且在液晶屏上显示对应信息。
采用键控结构。
4系统硬件设计
4.161板电路设计
61板电路设计主要是完成SPCE061A单片机的最小系统设计，电源设计和SPCE061A的D/A外扩功率器件设计，如图4.1：
图4.161板整体电路图
4.261板模块电路分析
4.2.1电源电路模块分析：
整个系统由三节电池供电，电池盒提供的5V直流电压经过SPY0029后稳压到3.3V后再给系统供电（因为SPCE061A单片机的工作电压位3.3V）。
SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC，采用CMOS工艺，具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。
图中的VDDH3为61单片机I/O口的参考电压，如果跳线口J5接1、2，则I/O口的高电平为电池盒供电电平；如果跳线口J5接2、3，则I/O口高电平为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。
图4.261板电源电路图
4.2.2音频输出电路模块分析：
SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。
如图2.5，图中的SPY0030是一款音频驱动放大芯片，可以工作在2.4～6V范围内（两节电池即可工作）由于它的便携性而有着广泛的实际应用。
SPCE061A的音频输出采用双通道数／模转换DAC方式，即数字信号通过10位DAC转换成3mA驱动的电流模拟信号输出。
语音提示输出直接采用DAC通道，经信号放大后，由SPEAKER（扬声器）输出。
图4.3音频输出电路原理图
4.3MSGL12864液晶显示屏概述
MSGL12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。
利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。
低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
MSGL12864是使用HD61202及其兼容控制驱动器作为列驱动器，同时使用HD61203作为行驱动器的液晶模块。
由于HD61203不与CPU发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号。
在MSGL12864中，两片HD61202及其兼容控制驱动器的ADC均接高电平，RST也接高电平，这样在使用MSGL12864时就不必再考虑这两个引脚的作用。
/CSA跟HD61202
（1）的CS1相连；/CSB跟HD61202
（2）的CS1相连，因此/CSA、/CSB选通组合信号为/CSA，/CSB=01选通
（1），/CSA，/CSB=10选通
（2）。
对于MSGL12864，只要供给GND、Vcc和V0即可，HD61202和HD61203所需的电源将由模块内部电路在Vcc和V0、GND的作用下产生。
4.3.2外接管脚及说明
这里所用到的管脚一共是11个，下面简单介绍下各个管脚的功能：
⑴VSS：
电源地
⑵VDD：
+5.0V的电源电压
⑶V0：
液晶显示器驱动电压
⑷D/I：
当D/I=“H”，表示DB7~DB0为显示数据
当D/I=“L”，表示DB7~DB0为显示指令数据
⑹R/W：
当R/W=“H”，E=“H”，数据被读到DB7~DB0
当R/W=“L”，E=“H→L”，数据被写到IR或DR
⑺E：
当R/W=“L”，E信号下降沿，锁存DB7~DB0
当R/W=“H”，E=“H”，DDRAM数据读到DB7~DB0
⑻DB7~DB0：
数据线
⑼CSA：
当为H时，选择芯片（右半屏）信号
⑽CSB：
当为H时，选择芯片（左半屏）信号
⑾/RST：
复位信号，低电平复位
4.3.3液晶模块与SPCE061A的连接图
4.4键盘电路设计
4×4键盘可直接与SPCE061A的I/O端口连接。
其电路原理图如下：
图4.6键盘输入电路
表4.4键盘各按键功能表
按键
公交车报站状态
时间设置状态
S0
逐次播放上行各站提示语，每按一次按顺序播放一个
无效
S1
逐次播放下行各站提示语，每按一次按顺序播放一个
无效
S2
播放警告用语“车辆拐弯，请注意安全”
无效
S3
播放提示语“车上有老弱病残孕乘客，请让座”
无效
S4
播放娱乐音乐或广告
无效
S5
进入设置时间状态
设置切换
S6
显示在时间/日期/年之间切换
增加
S7
打开或关闭数码管
减小
4.5SPR4096存储模块
SPR4096是一个高性能的4M-bit（512K×8-bit）FLASH,分为256个扇区（Sector）,每个扇区为2KB。
SPR4096还内置了一个4K×8bit的SRAM。
SPR4096内置了一个总线存储器接口和一个串行接口，它允许单片机通过8bit并行模式或者1bit串行模式访问FLASH/SRAM存储区。
本设计使用串行模式，串行接口的工作频率可达5MHz.有两个电源输入端VDDI和VDDQ.VDDI是给内部FLASH和控制逻辑供电的；VDDQ是专门为I/O供电的。
最大读电流为2mA。
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