第9章 SPCE061A实用技术,9.1 应用领域 9.2 应用举例 思考题,9.1 应 用 领 域,9.1.1 数字信号处理 1. 数字滤波器(Digital Filter) 数字滤波器是一种计算处理或算法，它将输入的数字信号或序列中的干扰滤掉变换为标准数字序列输出。数字滤波器已被广泛地应用于数字语音、数字图像处理以及模式识别和频谱分析等领域。,数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)是通过一系列数字来表示信号及其信息，并借助数字计算方法，变换和处理这些信号的。在DSP系统中，要求必须快速地完成数值的乘法运算并将乘积累加于寄存器，因而要求处理器具有较高的处理速度，以完成“乘和累加”MAC(Multiply & Accumulate)运算，nSPTM的指令系统中专门设计了“累计运算”指令，使得数字信号处理变得非常方便。显然，nSP的硬件结构与其指令系统非常适用于DSP方面的开发与应用。,2. 数字信号的压缩编码与解码 通常用于存储语音、图像等多媒体信息的数字信息量非常大，无论存储还是传输都很不方便，为了节省存储空间、提高传输效率，我们可以采用某种算法进行压缩编码与解码(篇幅所限，不再赘述，请参阅数字通信原理)。,3. 数字语音信号处理 数字语音信号处理是建立在DSP硬件基础上的，通常DSP按运算的复杂程度分为定点运算和浮点运算两类。定点DSP采用整数运算，适用于容量大、简单、低功耗的应用场合。浮点DSP采用实数运算，适宜于高性能、较复杂的应用场合。nSP可用于定点DSP运算且其成本较低，在语音处理方面具有独到之处。,9.1.2 便携式终端 随着无线电通信及微电子技术的迅速发展，便携式终端越来越朝着实用化、个性化、时尚化的方向发展，笔记本电脑、电子词典、个人数字助理PDA(Personal Digital Assistant)等都是这种时尚潮流产物。若以nSP家族产品为CPU，添加必要的外围电路，配合相应的外设可方便地设计出实用性强、可靠性高的各类PDA产品。图9.1是基于nSP系列单片机的PDA硬件框图，是PDA的一个基本设计方案。针对不同的要求可对其外围电路作适当删减、修改，设计出具有不同功能和不同品位的PDA 产品。,图9.1 基于nSP系列单片机的PDA 硬件框图,便携式终端的基本功能如下： 内置微型实时操作系统RTOS(Real-Time Operating System)。 语音识别输入或触摸屏输入。 无线移动式语音通信。 无线寻呼机、对讲机。 双机或多机通信。 下载升级软件。 移动定位导航及位置信息服务。 家电遥控器。 个人资料数据库(名片册、医疗档案及家庭理财等)。 电子词典、计算器、游戏机、学习机、万年历等。,9.1.3 嵌入式系统 嵌入式计算机系统ECS(Embedded Computer System，简称嵌入式系统)是指专门用于某一应用系统或设备并隐藏于其中起控制作用的计算机系统。 与通用计算机系统相比，嵌入式系统有以下特征：专用性、可封装性、独立性、实时性及可靠性。所谓独立性，指ECS自成一个子系统，与目标系统的其它子系统保持相对独立。不同的应用领域对ECS的要求不同。 (1) 小型应用系统：一般不需大量的数据处理，要求ECS具有较强的实时控制功能、体积小、功耗低等。如智能化仪表、设备的自动控制、家用电器、遥控器等。通常选用8位机(如凌阳公司的SPL 系列微处理器等)即可满足要求。,(2) 简单的工业控制系统：要求有相当强的实时数据处理能力和控制能力。如步进电机控制、数据采集、智能检测系统、汽车控制系统等。一般选用8位或16位单片机即可满足要求，可选用具有定点DSP运算功能的nSP系列16位微处理器实现(如凌阳公司的SPCE系列微处理器等)。 (3) 工业控制系统：由于现场情况复杂、环境恶劣，通常采用分布式多机系统，采用模块化结构，在某些模块配置智能I/O处理机对现场信息进行实时测量和控制。因此，要求ECS不仅具有较强的数据处理能力，而且必须具有可靠性高、抗干扰能力强的硬件环境。如航空航天系统、机器人系统、生产线控制等。可根据需要选用若干个8位机、16位机甚至32位机组合成分布式多机系统。,9.1.4 凌阳单片机应用 nSP的特点决定其能很好地胜任从简单到复杂的嵌入系统，在如下一些领域得到了广泛的应用： (1) 工业控制。工业控制包括工厂生产线控制、锅炉控制、电力系统自动化、智能仪器仪表、机器人控制等。 (2) 汽车控制系统。汽车控制系统包括防撞系统、减震系统、静噪系统、燃油喷射系统、通信与音响、智能驾驶系统等。,(3) 消费娱乐。消费娱乐包括数字机顶盒、游戏机、智能玩具、语音复读机、电子词典、家用电器控制系统等。 (4) 通信领域。通信领域包括数字留言机、数字语音信箱、三遥系统、数字信号传输系统等。 (5) 军事领域。军事领域包括雷达与声纳信号处理、导航系统、保密通信、全球定位系统等。,9.2 应 用 举 例,9.2.1 作息时间控制 1. 原理 在此设计了一个具有语音报时功能的作息时间控制钟。假设某学校的作息时间如下：,08：0008：50 第一节课 08：5009：00 休息 09：0009：50 第二节课 09：5010：10 课间操、休息 10：1011：00 第三节课 11：0011：10 休息 11：1012：00 第四节课,12：0014：00 午间休息 14：0014：50 第五节课 14：5015：00 休息 15：0015：50 第六节课 15：5016：00 播放音乐 16：0016：50 第七节课 16：5018：00 体育活动,2. 硬件电路 硬件电路由CPU、键盘、声音输出模块、显示模块和电源组成。SPCE061A单片机的系统硬件框图如图9.2所示。,图9.2 系统硬件框图,系统扩展了三个按键用于报时及校正时间。SPCE061A的DAC为电流型输出，经负载电阻R1、三极管V1，放大驱动扬声器SPEAKER放音。SPEAKER可选用4 或8 扬声器，根据具体需要播报相应的语音信息。IOA15接一个LED，显示作息时间到等信息，SPCE061A的工作电压为3.3 V，可通过两种方法获得，如图9.3所示。这两种方法如下：,图9.3 硬件连接图,(1) 通过两个二极管连续降压使5 V的电压降至3.6 V接近3.3 V供芯片使用，此法比较简单，但电压值不是很精确。 (2) 通过LM7833稳压块获得准确的3.3 V电压。,3. 程序说明 整个程序分为主程序、键盘扫描子程序、万年历计算子程序、校时子程序、语音播报子程序等几部分。 1) 主程序 程序按照模块化设计，所有功能都可通过调用子程序完成，主程序较简单，流程如图9.4所示。SPCE061A具有低功耗睡眠模式，在睡眠模式下功耗很小，对于用电池供电的系统非常有利，睡眠模式可以通过按键中断唤醒。,图9.4 主程序流程图,2) 键盘扫描程序 由于机械触点有弹性，在按下或弹起按键时会出现抖动，从最初按下到接触稳定要经过数毫秒的弹跳时间，如图9.5所示。为了保证按键识别的准确性，必须消除抖动。消抖处理有硬件和软件两种方法：硬件消抖是利用加去抖动电路滤波避免产生抖动信号；软件消抖是利用数字滤波技术来消除抖动。我们采用软件方法，利用主程序循环扫描，主程序每循环一次扫描按键一次，当连续N次扫描到的键值相同时，则说明是某键按下。,图9.5 键按下的过程,3) 万年历计算子程序 利用2 Hz中断做时钟源进行计时，每两次中断秒计数器加1并进行年历计算，年历范围从2001年到3099年。在进行年历计算时有平闰年计算问题，闰年的条件是能被400整除或者能被4整除但不能被100 整除。万年历调整子程序流程图如图9.6所示。,图9.6 万年历计算子程序,4) 校时子程序 系统扩展了三个按键：TIME、UP和DOWN键，常组合起来使用。TIME键用于报时，由于时间包括年月日时分，按一次TIME键报年月日，再按一次报时分，一直按住TIME键3 s则进入校时状态，语音播报当前是XXXX年，按UP键年份增加，按DOWN键减少，再按TIME键来切换月日时分，调整完分后，按TIME键确认，语音报出年月日时分。校时程序的流程如图9.7所示(时间减少的流程与增加的相似，在此不再赘述)。在校正时间的状态下，连续2分钟没有键按下则自动退出。,图9.7 校时子程序,5) 语音播报子程序 报时用SACM-A2000播放。,4. 功能扩展 增加一个调频接收模块接受某电台的整点报时信号，利用凌阳SPCE061A单片机语音识别功能实现自动校时功能。,9.2.2 温度计设计 1. 测温原理 采用热敏电阻作为温度传感器。热敏电阻是一种新型半导体感温元件，具有灵敏度高、体积小、寿命长、价格低等优点。热敏电阻分为正温度系数和负温度系数两种类型。负温度系数热敏电阻是当温度升高时电阻值减小，当温度降低时电阻值增大，其阻值温度特性曲线如图9.8所示。(热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大，实际应用中要进行线性化处理比较复杂，一般只使用线性度较好的一段，如图9.8所示的AB段。)通过测量热敏电阻的阻值就可以计算出其对应的温度值。,图9.8 温度特性曲线,2. 硬件电路 用热敏电阻测温的硬件电路如图9.9所示。将热敏电阻RT与固定电阻R串联接3.3 V电源，当温度改变时，RT阻值改变，其两端的电压也随之改变，通过测量两端的电压求得温度值： T=T0-KUT 其中，T为被测温度；T0为与热敏电阻特性有关的温度参数；K为与热敏电阻特性有关的系数；UT为热敏电阻两端的电压。,固定电阻R阻值的选取：MFD-502-34型热敏电阻线性化较好的一段是-2080，为了在最高温度和最低温度时使被测信号基本接近满量程值，采取线性区域内中间某一点温度的阻值作为固定电阻的值，它们分压后AD的输入电压是AD输入电压范围的一半，在25时热敏电阻的阻值为5 k，所以选取固定电阻R的值为5 k。 在-20时热敏电阻的阻值为37.399 k，两端电压URT=2.9 V，接近A/D输入电压的上限3.3 V；在80时热敏电阻的阻值为0.796 k，两端电压URT=0.45 V，接近A/D输入电压的下限0 V。,按照图9.9硬件图，T0=76，K=0.1022，根据以上公式和参数，测出热敏电阻两端的电压就可以求出被测温度。,图9.9 硬件连接图,3. 温度计算 系统扩展了一个按键接于IOA15，当按键按下时，进行A/D 转换初始化并进行4 次A/D转换，SPCE061A的A/D转换结果在高10位，每次将其移入低10位再计算4次平均值作为A/D有效结果返回。为了提高准确度，变量TempAD和Temper都采用浮点数，计算完成后用语音将温度值播报。由于在放音时播放函数会改变一些参数，为了稳定起见，在每次A/D转换前都做一次初始化。由于每个热敏电阻的特性不一致，与热敏电阻串联的电阻R不准确等原因，因此每台温度计在整个测量范围内应至少找5点进行校正，并适当地修改参数，以达到最佳状态。,A/D转换程序如下： .PUBLIC _ReadAD _ReadAD: .proc r2=4； /共进行4次转换 R3=0； TestLoop:R1=P_ADC_MUX_Data /进行一次A/D转换 R1=0x8000; TempConverLoop: TEST R1,P_ADC_MUX_Ctrl JZ TempConverLoop /转换完成否 R1=P_ADC_MUX_Data /取A/D转换值 R1=R1 LSR 4 /A/D值移到低10 位,R1=R1 LSR 2 R3+=R1 /4次A/D值累加 r2-=1 JNZ TestLoop R3=R3 LSR 2 /结果除以4，求4次A/D 值的平均值 R1=R3 /A