基于嵌入式的景點(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)2013114

1、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)課論文論文題目景點(diǎn)語(yǔ)音導(dǎo)覽系統(tǒng)-硬件系統(tǒng)本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)，具有景點(diǎn)語(yǔ)音信息錄放以及 選擇播放某個(gè)景點(diǎn)信息等功能。系統(tǒng)包括微控制器模塊，語(yǔ)音錄放電路，觸 摸屏LCD模塊，復(fù)位電路及電源等。系統(tǒng)使用ARM嵌入式系統(tǒng)來(lái)控制語(yǔ)音芯 片的工作。語(yǔ)音合成芯片選用ISD4004,它采用模擬數(shù)據(jù)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)的專利技術(shù)，較好地真實(shí)再現(xiàn)語(yǔ)音的自然效果。配合觸摸屏LCD模塊, 能夠精確地實(shí)現(xiàn)景點(diǎn)語(yǔ)音信息的錄入以及選擇放音。關(guān)鍵詞嵌入式；觸摸屏LCD語(yǔ)音導(dǎo)覽；SPI控制自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，涉及傳感器、圖像處理、信息融 合和邏輯推理等多項(xiàng)技術(shù)，該系統(tǒng)一直是信號(hào)與

2、信息處理領(lǐng)域中的一個(gè)研究 熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著現(xiàn)代信號(hào)與信息處理技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)也在不斷進(jìn) 步。本項(xiàng)目希望研究的最終目標(biāo)是一個(gè)完整的旅游列車輔助駕駛系統(tǒng)，該系 統(tǒng)涉及四個(gè)方面的內(nèi)容，第一是景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)；第二是物障檢測(cè) 報(bào)警子系統(tǒng)；第三是列車運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和故障自動(dòng)診斷子系統(tǒng)；第四是自動(dòng) 運(yùn)行控制子系統(tǒng)。其中本課題的研究?jī)?nèi)容就是要實(shí)現(xiàn)旅游列車輔助駕駛系統(tǒng) 的第一方面內(nèi)容，即景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)。從目前導(dǎo)覽系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng) 用來(lái)看，現(xiàn)在旅游景點(diǎn)、博物館、展館等個(gè)人需要導(dǎo)覽服務(wù)的場(chǎng)所都應(yīng)用了 導(dǎo)覽機(jī)，這些設(shè)備主要以無(wú)線自動(dòng)導(dǎo)覽為主，也有部分人機(jī)互動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)。它們大都采用GPS定位方式來(lái)實(shí)現(xiàn)

3、語(yǔ)音播報(bào)自動(dòng)導(dǎo)覽控制功能。 但是這類無(wú) 線系統(tǒng)主要應(yīng)用與人為景點(diǎn)、城市景觀游覽區(qū)，在大多數(shù)旅游景點(diǎn)，特別是 山區(qū)和溶洞等自然景觀區(qū)使用時(shí)準(zhǔn)確率較差。特別是旅游列車所運(yùn)行的自然 景觀區(qū)域，一般范圍較廣，自然環(huán)境奇異，無(wú)線通信條件較差。如何利用旅 游列車的固定軌道運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)更精確更穩(wěn)定的語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽系統(tǒng)， 是本課題需要解決的問(wèn)題。第1章景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)的功能和總體結(jié)構(gòu)景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)具有以下功能:(1) 各個(gè)景點(diǎn)語(yǔ)音信息的錄入；(2) 通過(guò)按鍵模擬到點(diǎn)觸發(fā)，播放各個(gè)景點(diǎn)的語(yǔ)音信息。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，可將系統(tǒng)分為 4個(gè)功能模塊：ARM芯片STM32模塊、電源模

4、塊、 語(yǔ)音錄入電路模塊、語(yǔ)音播放電路模塊ARM芯片STM32模塊：控制語(yǔ)音模塊的錄入與輸出。電源模塊：將15V的直流電源轉(zhuǎn)換成+3.3V和+5V對(duì)各模塊供電。語(yǔ)音錄入電路模塊：通過(guò)麥克風(fēng)錄入各個(gè)景點(diǎn)的語(yǔ)音介紹信息。 語(yǔ)音播放電路模塊：通過(guò)喇叭播放各個(gè)景點(diǎn)的語(yǔ)音介紹信息。景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)總體框圖見(jiàn)圖1-1 01.2元器件的選型根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和功能分析，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)前需對(duì)各功能模塊所使用的元器件選 型。1.2.1微控制器的選型在硬件設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的選擇是最重要的，需要從單片機(jī)最高頻率、芯片內(nèi)部硬件資 源、系統(tǒng)功耗、芯片軟件支持工具，內(nèi)置調(diào)試工具等方面考慮。STM32F1O3RBT6強(qiáng)型系

5、列使用高性能的 ARM Cortex-M332位的RISC內(nèi)核，工作頻 率為72MHz內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM）豐富的增強(qiáng)I/O 端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含 2個(gè)12位的ADC 3個(gè)通用 16位定時(shí)器和一個(gè)PW定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口 :2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART 一個(gè)USB和個(gè)CAN STM32F103RBT增強(qiáng)型系列工作于-40 C至+105 C的溫度范圍， 供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。本設(shè)計(jì)課題中采用STM32F103RBT作為語(yǔ)音電路的MCL控制器，主要使用它的 SP

6、I 模塊用于發(fā)送和接受錄放音指令。122語(yǔ)音處理芯片的選型ISD4004系列語(yǔ)音芯片工作電壓為 +3V,單片錄放時(shí)間8到16分鐘，音質(zhì)好，適用 于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存儲(chǔ)陳列。芯片設(shè) 計(jì)是基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口 （SPI或 Microwire）送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)閃爍存儲(chǔ)器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。ISD4004采樣頻

7、率可以是4.0,536.4或8.0kHz，頻率越低，錄放時(shí)間越長(zhǎng)，而音質(zhì)則有所下降，片內(nèi)信息存于閃爍存儲(chǔ)器中，可在斷電情況下保存一百年（典型值），可反復(fù)錄音十萬(wàn)次。本項(xiàng)目選用的是單片錄放時(shí)間為16分鐘的語(yǔ)音芯片，其采樣頻率為 4.0kHz，可分2400段，工作于SPI串行接口，指令格式為 8位控制碼+16位地址碼。引腳描述腳。為使噪聲最小，芯片的數(shù)字電路和模擬電路使用不同的電源供電，并且分別引到外封裝的不同管腳上，數(shù)字和模擬電源端最好分別走線，盡可能在靠近供電端處相連 而去耦電容應(yīng)盡量靠近器件。(2)地線(Vssd,V ssa)芯片內(nèi)部數(shù)字電路電源地線和模擬電路電源地線引腳。芯片的數(shù)字電路和模

8、擬電路也要使用不同的地線。1 2!1273264P52467ISEMOO- BES2192019111IS121713161415ANA INtANA INNCVssA JD OUTMOS ISCLKXCLKAM C?iPSSC C C C N N h N2C0 MVNCNCIN rRAC圖1-3 ISD4004芯片引腳(3) 同相模擬輸入(ANA IN+)錄音信號(hào)的同相輸入端。輸入放大器可用單端或差分驅(qū)動(dòng)。單端輸入時(shí)，信號(hào)由耦合電容輸入，最大幅度為峰-峰值32mV,耦合電容 和本端的3KQ電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。差分驅(qū)動(dòng)時(shí)，信號(hào)最大幅度為峰-峰值16mV(4)反相模擬輸入(

9、ANA IN-)差分驅(qū)動(dòng)時(shí)，這是錄音信號(hào)的反相輸入端。信號(hào)通過(guò)耦合電容輸入，最大幅度為峰-峰值16m。音頻輸出(AUD OUT)提供音頻輸出，可驅(qū)動(dòng)5KQ的負(fù)載。片選(SS)此端為低,即向ISD4004芯片發(fā)送指令，兩條指令之間為高電平。(7)串行輸入(MOSI)此端為串行輸入端， 主控制器應(yīng)在串行時(shí)鐘上升沿之前 半個(gè)周期將數(shù)據(jù)放到本端，以供輸入。(8) 串行輸出(9) 串行時(shí)鐘的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在(MISO)此端為串行輸出端，芯片未被選中時(shí),本端呈高阻態(tài)。(SCLK)時(shí)鐘輸入端,由主控制器產(chǎn)生,用于同步 MOSI和MISOSCLK上升沿鎖存到芯片，在下降沿移出芯片。（10）中斷（1NT）本端為

10、漏極開(kāi)路輸出。芯片在任何操作（包括快進(jìn)）中檢測(cè)到EOM或 OVF時(shí),本端變低并保持。中斷狀態(tài)在下一個(gè) SPI周期開(kāi)始時(shí)清除。 中斷狀態(tài)也可用RINT指令讀?。∣VF標(biāo)志指示芯片的錄/放操作已到達(dá)存儲(chǔ)器的末尾；EOM標(biāo)志只在放音中檢測(cè)到內(nèi)部的EOM標(biāo)志時(shí)，此狀態(tài)位才置1 ）。（11）行地址時(shí)鐘（RAC）漏極開(kāi)路輸出。每個(gè)RAC周期表示芯片存儲(chǔ)器的操作 進(jìn)行了一行（ISD4004系列中的存儲(chǔ)器共 2400行）。該信號(hào)保持高電平 175ms,低電平 25mso快進(jìn)模式下，RAC 218.75卩s是高電平，31.25卩s為低電平。該端可用于存儲(chǔ) 管理技術(shù)。（12）外部時(shí)鐘（XCLK）本端內(nèi)部有下拉元件

11、。芯片內(nèi)部的采樣時(shí)鐘在出廠前 已調(diào)校,誤差在1%以內(nèi)。商業(yè)級(jí)芯片在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi),頻率變化在 2.25%以內(nèi)。工業(yè)級(jí)芯片在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi)，頻率變化在4%以內(nèi)，此時(shí)建議使用穩(wěn)壓,因內(nèi)部首先進(jìn)電源。若要求更高精度，可從本端輸入外部時(shí)鐘。由于內(nèi)部的防混淆及平滑濾波器已設(shè)定,故上述推薦的時(shí)鐘頻率不應(yīng)改變。輸入時(shí)鐘的占空比無(wú)關(guān)緊要行了分頻。在不外接時(shí)鐘時(shí)，此端必須接地。（13）自動(dòng)靜噪（AM CAP）當(dāng)錄音信號(hào)電平下降到內(nèi)部設(shè)定的某一閾值以下時(shí) 自動(dòng)靜噪功能使信號(hào)衰弱，這樣有助于濾除無(wú)信號(hào)（靜音）時(shí)的噪聲。通常本端對(duì)地接 1 uF的電容，構(gòu)成內(nèi)部信號(hào)電平峰值檢測(cè)電路的一部分。檢出的峰值電平與

12、內(nèi)部設(shè)定 的閾值作比較，決定自動(dòng)靜噪功能的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。大信號(hào)時(shí)，自動(dòng)靜噪電路不衰減，靜音時(shí)本端接VCCA則禁衰減6dB。1卩F的電容也影響自動(dòng)靜噪電路對(duì)信號(hào)幅度的響應(yīng)速度。 止自動(dòng)靜噪。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1-2 ISD4004的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Vcc* Y宰嗨* VjsA 7帑 Veto 5CLK SS UOSI WSO FT IW：貼1 (W1.3電源芯片的選型景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)需要兩個(gè)不同的直流穩(wěn)壓電源，分別是+5V +3.3V,對(duì)電路中的功放芯片等供電。第2章 景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)是由ARMBTM32模塊及擴(kuò)展的外部語(yǔ)音模塊和接口電路構(gòu)成，整 個(gè)系

13、統(tǒng)工作頻率為281.25KHZ。系統(tǒng)主要由ARM空制語(yǔ)音芯片的錄放音，從錄音模塊錄入 語(yǔ)音信息，再由放音模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)景點(diǎn)語(yǔ)音信息的輸出。整個(gè)系統(tǒng)包括如下部件:ARM芯片 STM 32電源電路 語(yǔ)音錄入電路語(yǔ)音播放電路2.2 語(yǔ)音模塊的設(shè)計(jì)語(yǔ)音模塊由錄音與放音兩部分組成， 采用ISD4004語(yǔ)音芯片實(shí)現(xiàn)。其中錄音電路通過(guò) 麥克風(fēng)錄入音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和去噪電路存入ISD4004語(yǔ)音芯片。放音電路將音頻信號(hào) 去噪后經(jīng)過(guò)音頻放大器輸出。語(yǔ)音芯片外圍電路圖如圖2-1所示:*Hi-zrI E|fiQADtOIT d3P皿T丄丄丄丄8KM*-H_UUbHJhjiHurniki_LHjB0圖2-1語(yǔ)音芯片外圍

14、電路語(yǔ)音錄放控制電路是由三極管的導(dǎo)通控制，如圖2-2所示，放音電路如圖2-3所示。UJJMVXVJT-2-V_ 023FAW1圖2-2錄放音控制電路模塊W/b- m Av s- 4 - VI s 丄 ro-47iiiF斗7kTL cw1IDH圖2-3放音電路模塊2.3 電源模塊的設(shè)計(jì)UCC3842PW發(fā)生芯片,電源模塊是給整個(gè)系統(tǒng)供電，有兩種不同的電源需求，使用以產(chǎn)生所需的兩種電源+5 V、+3.3 V，其中+3.3V分為數(shù)字電源和模擬電源。電源模塊簡(jiǎn) 單示意圖如2-4所示。第3章 景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)硬件制作3.1 PCB板的設(shè)計(jì)與制作PCB板的設(shè)計(jì)需考慮如下因素:電磁干擾 系統(tǒng)工作頻率

15、兀器件布局 走線方向與密度景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)的工作頻率為 281.25KHZ,較低的工作頻率，因此系統(tǒng)的電 磁干擾比較小；整個(gè)系統(tǒng)元器件布局較復(fù)雜，芯片的管腳多且細(xì)，使得走線密度較高。系統(tǒng)又有兩種不同的電源構(gòu)成，劃分電源模塊較復(fù)雜。綜合考慮系統(tǒng)的上述因素，采用兩層板進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)與制作?？紤]到PCE板的制作 成本較高，盡可能的通過(guò)細(xì)致的布局來(lái)縮小PCBS的大小。景點(diǎn)語(yǔ)音自動(dòng)導(dǎo)覽子系統(tǒng)采用 PADS200軟件進(jìn)行PCB板圖的繪制。第一步使用power logic繪制電路原理圖，制作元器件庫(kù)中沒(méi)有的原件型號(hào)，制作各 個(gè)元器件的PCE封裝并添加到元器件庫(kù)中。第二步使用power pcb進(jìn)行元器

16、件的布局，元器件布局，除了講究效果美觀之外，還 要充分考慮PCB勺走線是否方便。一般情況下，元器件布局應(yīng)該從PCB的機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱 性、抗電磁干擾能力以及布線的方便性等方面綜合考慮和評(píng)估。元器件布局的基本原則是線布局與機(jī)械尺寸有關(guān)的元器件，然后是電路系統(tǒng)的核心元器件和規(guī)模較大的元器件，最后再布局電路板的外圍元器件。第三步對(duì)PCBt行布線。在整個(gè)PCB設(shè)計(jì)中，以布線的設(shè)計(jì)過(guò)程技巧最細(xì)、工作量最 大。布線應(yīng)遵循盡量選用多層板形式， 電源線、地線、PCE走線對(duì)高頻信號(hào)應(yīng)保持低阻抗， 一面橫向走線另一面縱向走線，避免長(zhǎng)距離平行走線等原則。同時(shí)布線應(yīng)考慮加工的實(shí)現(xiàn) 的走線密度。頂層PCB板圖如圖3-1所

17、示，底層PCB板圖如圖3-2所示。完成PCB板圖的繪制后，導(dǎo)出制版文件交給工廠加工，在加工完成后進(jìn)行元器件焊接。 為了不使先焊接上的元器件妨礙后焊接元器件的焊接，我們按照一定的順序進(jìn)行焊接。首 先焊接電源電路部分的貼片芯片，接著焊接直插的電阻、電容，最后焊接按鈕開(kāi)關(guān)和LED等元器件。主要芯片的焊接采用專用工具，焊接時(shí)注意溫度、時(shí)間和焊盤著錫量。其他元器件采用一般焊接方法，焊接時(shí)注意元器件排列整齊，焊點(diǎn)的圓整和焊錫的量。焊接完畢后，根據(jù)電路原理圖，對(duì)硬件電路進(jìn)行檢測(cè)。重點(diǎn)檢測(cè)是否存在焊接錯(cuò)誤, 各個(gè)焊點(diǎn)是否有虛焊，焊點(diǎn)與焊點(diǎn)間是否有短路等。0is4IZZH-41k* KJ&JI00ins叵！Ff叵g *叵* *P*屋a*CZH京*P e：710 bl 0 Q 0.1 a-* -DVoq:C 口工 *圖3-1 PCB頂層設(shè)計(jì)百