基于spce061a的带语音功能的超声波测距系统设计

基于spce061a的带语音功能的超声波测距系统设计内容摘要：

频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波功率， 接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。 经分析和大量实验表明，频率为 40KHz 左右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成 40KHz 左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。 超声波的回波 假设超声波通过的媒质是空气，任何物体都能反射、吸收、折射一部分通过它自身的声波，其比例依赖于物体自身的均衡度。 反射波的振幅与目标物体上能产生反射的表面成比例。 表面尺寸、形状、方位是影响反射波强度的主要因素。 佳木斯大学学士学位论文 7 佳木斯大学信息电子技术学院 目标物体的组成成份也是一个因素。 一部分声波发射到达物体表面后被反射 ，一部分则进入物体，在物质中传输，最终被遇到的物体界面反射。 因此你也可以接收到来自物体内部的信号，不过它是很细微的。 超声波传感器 超声波传感器具有发射超声波和接收超声波的功能，它是进行能量转换的器件。 超声波传感器有机械方式和电气方式两种，其工作原理是：。 ，通常是电能和超声波声能之间的转换。 机械方式包括：气流旋笛、液哨、加尔统笛等；电气方式包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等。 各种类型的超声波传感器 产生的超声波的功率、频率和声波特性不尽相同。 目前使用较多的是电气类的压电型超声波传感器，压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体、钦酸钡压电陶瓷等。 压电陶瓷是压电多晶体材料，目前在压电材料中无论是数量上还是质量上均处于支配地位。 压电效应是法国物理学家居里兄弟于 1880 年发现的， 1881 年历伯门从理论上预计存在逆压电效应。 压电效应和逆压电效应是超声学发展史上的重大发现。 我们选择了超声 波 测距传感器，主要有以下几方面的因素： 测距方式原理简单，便于实现。 距离范围可以从几厘米到几十米，完全满足了测距的要 求。 测距精度高，整体误差可以控制在量程的 ％ 以内。 超声波传感器有一定的覆盖性，因此，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围。 在进行超声波测距仪的设计时，需要考虑设计的成本、测距仪的重量、以及电池类型和功率和使用环境等因素。 以上的因素是相互关联的。 超声波传感器的选择正是考虑了以上因素间的关系，因为超声波传感器具有成本低廉，采集信息速率快，距离分辨率高，质量轻、体积小、易于装卸等特点。 超声波传感器通常由聚焦件、匹配层、压电元件和背衬块组成，而压电元件是超声波传感器的主要部件。 目前使用较多的是压电 陶瓷超声波传感器。 压电型超声波传感器的工作原理：它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板，给它的两极加上脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带动共振板一起振动，从而产生超声波。 相反，如果电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两片压电晶片振动，从而将机械能转换为电能，此时的传感器就成佳木斯大学学士学位论文 8 佳木斯大学信息电子技术学院 了超声波接收器。 由于本系统采用了新型振动模式超声波探头、抗干扰电路、单片机系统以及合理软件算法，使得本系统与其他仪器比较，具有一系列突出 优点： 采用了国产的超声波空气传感器作探头，体积小，灵敏度高，安装简单，使用方便，转换效率也比较高。 发射探头的频率信号来自单片机系统，准确，稳定，可靠，而且可以随时通过软件改变频率，以驱动相应发射探头。 接收到的超声波信号转换成电信号后，通过三级放大，放大过程中，噪音干扰得到抑制，提高了可靠性。 采用了单片机，使系统体积小，重量轻，加强了灵活性和可靠性，修改、调试、定标都方便。 系统软件中采用合理算法，提高了精度。 采用非接触式测量方式，不影响被测表面，对液体、固体等比较光滑的表面均可测量，应用范围广。 另外，当使用不同反射界面的测量结果及分析： 光滑硬表面：实验表明，当使用光滑硬表面的材料，比如玻璃、水泥石灰，木板或铁板时，测试的结果完全一致。 这说明所测距离只与实际反射距离有关，而与反射面的材质无关。 泡沫塑料表面：使用同样的传感器反射面是泡沫塑料时，由于反射材料的吸声特点，其测量距离大为减少 [ 7]。 测距原理 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。 相位检测法虽然精度高，但检测范围有限：声波幅值检测法易受反射波的影响。 本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为 ：检测从超声波发射器发出的超声波 (假设传播介质为气体 )，经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。 往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。 而所测距离是声波传输距离的一半，即： vtL 21 （ 25） 在上式中， L 为待测距离， v 为超声波的声速， t 为往返时间。 由下式计算测量误差。 佳木斯大学学士学位论文 9 佳木斯大学信息电子技术学院 vtL tv    （ 26） 式中， L 为测距误差， v 为声速， t 为时间测量误差， v 为声速误差。 本章小结 本章介绍了超声波的特性，对超声波在传播过程中的衰减与声波所在介质及频率的关系进行了分析。 在超声波测量工作原理中，分析指出需要把超声波往返时间的测量转化为对计数脉冲个数的侧量， 才能提高测量精度。 在下面的章节中，我们将进行具体的硬件设计。 佳木斯大学学士学位论文 10 佳木斯大学信息电子技术学院 第 3 章 系统硬件设计 在这一章中，设计了凌阳 SPCE061A 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统，将通过单片机外围扩展硬件电路来升高计数参考频率，以提高对时间 t 的测量精度，以最终达到提高侧距精度的目的。 凌阳单片机 SPCE061A 介绍 凌阳 16 位单片机是为了适应控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域而设计的， CPU 内核采用凌阳公司推出的 Microcontroller and Signal Processor 16 位微处理器（以下简称 μ’nSPTM）通用核结构。 μ’nSPTM 的指令系统具有较高运算速度的 16 位 16 位乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP 功能，使得 μ’nSPTM 系列运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用 DSP 芯片廉价。 此外，其汇编指令近似 C 语言，具有较高的 C 语言编程效率。 因此，以μ’nSPTM 为核心，内嵌 32K 字 Flash 的 SPCE061A 是适用于数字语音识别应用领域的一种最经济的选择 [8]。 SPCE061A 系统结构及参数简介 SPCE061A 具有 丰富的片上系统资源，其结构及参数见图 31 和表 31。 为了保护程序的知识产权，通过操作 SPCE061A 的程序保密设定脚，即将PFUSE 接 5V， PVIN 接 GND 并维持 1s 以上即可将内部保险丝熔化，此后就无法读取或向闪存加载数据。 大部分嵌入式计算机都带有加密锁定位或加密字节，甚至保险丝融化，以保护片内程序。 事实上，这样的保护措施很脆弱，也很容易被破解。 单片机攻击者借助专用设备或自备设备，利用嵌入式计算机芯片设计上的漏洞或软件缺陷，通过多种技术手段，就可以从芯片中提取关键信息，获取单片机内的程序。 也就是说，任 何一款嵌入式计算机从理论上讲，攻击者均可利用足够的投资和时间使用以上方法来攻破。 所以，在用嵌入式计算机做加密认证或设计系统时，应尽量加大攻击者的攻击成本和所消耗的时间。 佳木斯大学学士学位论文 11 佳木斯大学信息电子技术学院 图 31 SPCE061A 的结构 当电源电压低于 时，系统会变得不稳定且易出故障。 导致电源电压过低的原因很多，如电压的反跳、负载过重和电池能量不足等。 SPCE061A 提供低电压复位 (LVR)功能，如果电源电压低于 ，则会在 4 个时钟周期之后产生一个复位信号，使系统复位。 表 31 SPCE061A 系统的特定参数 SPCE061A 特性 参数 工作电压 VDD 为 ～ ，（ I/O） VDDH 为 ～ 内部锁相环 最高工作频率为 （ 32768Hz 倍频到） CPU 16 位 μ39。 nSPTM SRAM 容量 2K 字 Flash 32K 字闪存 ROM 并行 I/O 端口 A 和 B IOA150， IOB150 中断控制功能之中断源 14 个。 TimerA/B,时基、 2 个外部中断、键唤醒、 UART等 唤醒源 IOA70（节 电和触键唤醒功能），其他中断源。 睡眠时工作电流只有 2μA 16 位处理器 μ39。 nSPTM+ICE Flash RAM 双 16 定时器 /计数器时基 中断控制 两路 PWM 输出 7 通道 10 位 ADC 单通道 ADC＋ AGC 双通道 10 位 DAC 串行输入 /输出接口 SIO 1 路 UART 32 引脚通用输入 / 输出接口（ IOA15－ 0， IOB15－ 0） 锁相环 振荡器 CPU 时钟实时时钟 低电压监测 /低电压 复位 看门狗 佳木斯大学学士学位论文 12 佳木斯大学信息电子技术学院 附 表 31 SPCE061A 系统的特定参数 定时器 /计数器 双 16 位定时器 /计数器 PWM 双通道 PWM 输出 UART 1 路 UART ADC/DAC 7 通道 10 位 ADC、单声道声音模 /数转换器和 2 通道 10位 DAC 低电压监测与低电压复位 具备 看门狗 具备 内置 ICE 接口 内置在线仿真 ICE（ InCircuit Emulator）接口 麦克风放大器和自动增益控制 单通道 保密设定功能 具备 同时 SPCE061A 提供通过编程设 置的低电压监测 (LVD)功能，如果系统电压VCC 低于用户设定的电压监测低限电压 VLVD，则 P_LVD_Ctrl（读 /写） （ 7019H）单元的第 15 位 (LVD 监测标志位 )将被置 1；反之该位被清 0。 SPCE061A 具有 4级电压监测低限，可通过对 P_LVD_Ctrl 单元的 b1 和 b0 编程进行控制：(0(b1),1(b0))和 (1(b1),0(b0))。 SPCE061A 片内存储器结构 SPCE061A 的片内存储器地址映射如图 32 所示。 单片机的存储器有 2K字的 SRAM 和 32K 字内存 (Flash)， RAM 和 ROM 统一编址，属于冯诺依曼结构计算机。 SPCE061A 有 2K 字的 SRAM（包括堆栈区），其地址范围为 0x0000～ 0x07FF。 前 64 个字，即 0x0000～ 0x003F 地址范围内可采用 6 位地址的直接地址寻址方法，寻访速度为 2 个 CPU 时钟周期，比其他 RAM 区域操作速度要快；其余 0x0040～0x07FF 地址范围内存储器的寻访速度则为 3 个 CPU 时钟周期。 佳木斯大学学士学位论文 13 佳木斯大学信息电子技术学院 图 32 SPCE061A 的片内存储器地址映射 0x7000～ 0x7FFF 为系统的特殊功能寄存器区。 该区域主要是系统参数设置寄存器、核外构件的设置及操作寄存器（如 A/D）等。 SPCE061A 是一个用闪存替代掩膜 ROM 的 MTP（多次编程）芯片，具有 32K字 （ 32K16 位 ） 闪存容量。 用户可用闪存来存储用户程序。 为了安全起见，不对用户开放整体擦除功能。 32K 字的内嵌式闪存被划分为 128 页（每页存储容量为 256 个字），它们在 CPU 正常运行状态下均可通过编程写入或擦除。 全部 32K字闪存均可在 ICE 工作方式下被编程写入或擦除。 SPCE061A 系统的的语音电路设计 凌阳的 SPCE061A 是 16 位 DSP 特色单片机，有很强的信息处理能力，最高时钟频率可达到 ，具备运算速度高等优势。 其电路图如图 33。 这些无疑为语音的播放、录放、合成及识别提供了条件。 凌阳压缩算法中 SACM A20SACM S480、 SACM S240 主要是用来放音，可用语音提示，而 DVR 则可用于录、放音。 2K 字 SRAM 保留空间 I/O 端口 系统端口 32K 字 Flash ROM 为断向量 0x0000 0x07ff 0x0800 0x6ffff 0x7000 0x7fff 0x8000 0xfff5 0xfff6 0xffff 佳木斯大学学士学位论文 14 佳木斯大学信息电子技术学院 图 33 凌阳单片机语音功能 语音处理大致可分为 A/D、编码处理、存储、解码处理及 D/A 等。 然而，通过前面介绍可以知道麦克风输入所生成的 WAVE 文件，其占有的存储空间很大，对于单片。