畢業(yè)設(shè)計（論文）-熱敏電阻測溫系統(tǒng)的溫度采集模塊的設(shè)計(2).doc

中北大學2010屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 引言1.1 課題研究意義 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。單片機在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用尤其廣泛，溫度采集系統(tǒng)則是單片機在工業(yè)生產(chǎn)中的一個典型的應(yīng)用。采用單片機對溫度進行采集不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展及其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機已經(jīng)以其體積小、功能強、價格低、使用靈活等特點顯示出了明顯的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景。作為一名測控技術(shù)與儀器專業(yè)的學生，理應(yīng)對單片機有更深的了解，本著開拓創(chuàng)新的思想，需要設(shè)計了帶語音播報功能的溫度測量儀。普通大眾所常見的溫度計是玻璃管溫度計，它是靠管內(nèi)水銀升降來判斷溫度值的高低。當光線較暗時，就看不清水銀位置，這給觀察者帶來不便。而使用負溫度系數(shù)熱敏電阻結(jié)合凌陽16位單片機系統(tǒng)開發(fā)出來的熱敏電阻溫度計則克服了普通溫度計的許多缺點，使用更方便，而且更加準確。1.2 課題研究的背景溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大家族的普通一員也是其一方面的具體應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展就是她的發(fā)展。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)始于20世紀50年代，1965年美國首先研究了用在軍事上的測試系統(tǒng)，目標是測試中不依靠相關(guān)的測試文件，由非熟練人員操作，并且測試任務(wù)由測試設(shè)備高速自動控制完成。由于該種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高速屬性和一定的靈活性，可以滿足眾多傳統(tǒng)方法不能完成的數(shù)據(jù)采集和測試任務(wù)，因而得到了初步的認可。20世紀70年代中后期，隨著微型機的發(fā)展，誕生了采集器、儀表同計算機融為一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由于這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能優(yōu)良，超過了傳統(tǒng)的自動檢測儀表和專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因而獲得了驚人的發(fā)展。從70年代起，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展過程中逐漸分為兩類，一類是實驗室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，另一類是工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。20世紀80年代隨著計算機的普及應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，開始出現(xiàn)了，通用的數(shù)據(jù)采集與自動化測試系統(tǒng)。該階段的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有兩類，一類以儀器儀表和采集器、通用接口總線和計算機等構(gòu)成。例如：國際標準ice625（gpib）接口總線系統(tǒng)就是一個典型的代表。這類系統(tǒng)主要用于實驗室，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場也有一定的應(yīng)用。第二類以數(shù)據(jù)采集卡、標準總線和計算機夠成。例如：std總線系統(tǒng)。1.3 課題研究的現(xiàn)狀時至今日，由于集成電路制造技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)代的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在系統(tǒng)初始化、編程、修改、擴充等方面，變得比過去更加容易。a/d變換器的技術(shù)發(fā)展，允許以更高的分辨率，更快的采集速度和更低的成本，實現(xiàn)更精密的測量。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種較為肯定的發(fā)展趨勢是：把個人計算機同數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)測量和控制任務(wù)的自動化。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各項指標，如采樣率、分辨率、存儲深度、數(shù)字信號處理的、抗干擾能力等方面提出了越來越高的要求，這時超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)運而生。特別是在高速電路中的毛刺捕獲、火箭噴氣流量的動態(tài)測試以及遙感測試等場合需要高速或超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)。超高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用在雷達、導彈、通信、聲納、遙感、地質(zhì)勘測、振動工程、無損檢測、智能儀器、語音處理、激光多普勒測速、光時間域反射測量、物質(zhì)光譜學與光譜測量、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域，進而不斷推動這些領(lǐng)域的發(fā)展。2 設(shè)計需求分析2.1 總體需求結(jié)合當前我的設(shè)計及實際情況，具有以下任務(wù)需求：利用凌陽spce061a單片機和負溫度系數(shù)熱敏電阻的組合編程實現(xiàn)溫度的實時測量和語音播報。溫度的測量范圍為-20至80，當按下報溫鍵時，系統(tǒng)通過監(jiān)測熱敏電阻兩端電壓，經(jīng)過計算得到實時溫度值，再播報出來。2.2 硬件需求 基于本設(shè)計的需要并從經(jīng)濟角度考慮，我選擇了凌陽spce061a單片機作為硬件支持，它除了具有單片機最小系統(tǒng)外，還包擴有電源電路、音頻電路、復位電路等，采用電池供電，方便攜帶。溫度傳感器選擇了負溫度系數(shù)熱敏電阻mfd-502-34，熱敏電阻是一種新型半導體感溫元件，具有靈敏度高、體積小、壽命長的優(yōu)點。2.3 軟件工具需求選定了硬件后就需要編寫軟件了，本設(shè)計選用的編程軟件為c語言和凌陽匯編。同硬件的設(shè)計一樣，軟件也是分塊進行的。主要包括以下部分的程序：系統(tǒng)初始化程序、鍵盤掃描程序、a/d轉(zhuǎn)換程序、溫度計算程序、語音播報程序。各部分程序由主程序（main.c）調(diào)用，組成一個整體。3 凌陽單片機簡介作為整個設(shè)計的核心部件，凌陽spce061a單片機起著至關(guān)重要的作用，影響著整個設(shè)計的各個步驟，本章將對凌陽spce061a單片機進行具體詳細的介紹。3.1 spce061a概述隨著單片機功能集成化的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴展為控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理（dsp，digital signal processing）等領(lǐng)域。凌陽的16位單片機就是為適應(yīng)這種發(fā)展而設(shè)計的。它的cpu內(nèi)核采用凌陽最新推出的nsp（microcontroller and signal processor）16位微處理器芯片（以下簡稱nsp）。圍繞nsp所形成的16位nsp系列單片機（以下簡稱nsp家族）采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以nsp內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的rom、ram和功能豐富的各種外設(shè)接口部件，如圖3.1所示。 圖3.1 nsp家族的模塊式結(jié)構(gòu)nsp內(nèi)核是一個通用的核結(jié)構(gòu)。除此之外的其它功能模塊均為可選結(jié)構(gòu)，亦即這種結(jié)構(gòu)可大可小或可有可無。借助這種通用結(jié)構(gòu)附加可選結(jié)構(gòu)的積木式的構(gòu)成，便可形成各種不同系列派生產(chǎn)品，以適合不同的應(yīng)用場合。這樣做無疑會使每一種派生產(chǎn)品具有更強的功能和更低的成本。nsp家族有以下特點: 體積小、集成度高、可靠性好且易于擴展nsp家族把各功能部件模塊化地集成在一個芯片里，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，因而減少了各功能部件之間的連線，提高了其可靠性和抗干擾能力。另外，模塊化的結(jié)構(gòu)易于系統(tǒng)擴展，以適應(yīng)不同用戶的需求。 具有較強的中斷處理能力nsp家族的中斷系統(tǒng)支持10個中斷向量及10余個中斷源，適合實時應(yīng)用領(lǐng)域。 高性能價格比nsp家族片內(nèi)帶有高尋址能力的rom、靜態(tài)ram和多功能的i/o口。另外，nsp的指令系統(tǒng)提供具有較高運算速度的16位16位的乘法運算指令和內(nèi)積運算指令，為其應(yīng)用增添了dsp功能，使得nsp家族運用在復雜的數(shù)字信號處理方面既很便利，又比專用的dsp芯片廉價。 功能強、效率高的指令系統(tǒng)nsp指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速,并且其指令結(jié)構(gòu)提供了對高級語言的支持,這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。 低功耗、低電壓nsp家族采用cmos制造工藝，同時增加了軟件激發(fā)的弱振方式、空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗。另外，nsp家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時正常工作，且能用電池供電。這對于其在野外作業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用具有特殊的意義。 spce061a 是繼nsp系列產(chǎn)品spce500a等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與spce500a不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，spce061a里只內(nèi)嵌32k字的閃存（flash）。較高的處理速度使nsp能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。因此，與spce500a相比，以nsp為核心的spce061a微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟的選擇。其主要性能有： 內(nèi)核采用16位nsp微處理器； 工作電壓(cpu)vdd為2.43.6v ，i/o端口高電平vddh為2.45.5v; cpu時鐘：0.32mhz49.152mhz ； 內(nèi)置2k字sram和32k flash； 可編程音頻處理； 晶體振蕩器; 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2a3.6v； 兩個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)； 兩個10位dac(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道； 32位通用可編程輸入/輸出端口； 14個中斷源可來自定時器a / b，時基，兩個外部時鐘源輸入，鍵喚醒 具備觸鍵喚醒的功能； 使用凌陽音頻編碼sacm_s240方式(2.4kb/s)，能容納210s的語音數(shù)據(jù)； 32768hz實時時鐘，由鎖相環(huán)pll振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； 7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器； 聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制(agc)功能； 具備串行設(shè)備接口； 具有低電壓復位(lvr)功能和低電壓監(jiān)測(lvd)功能； 內(nèi)置在線仿真電路ice（in- circuit emulator）接口； 具有保密能力； 具有watch dog功能。spce061a的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。其主要功能模塊有并行i/o端口、模/數(shù)轉(zhuǎn)換adc、存儲ram&flash、定時器/計數(shù)器t/c（脈寬調(diào)制輸出pwm）、watchdog、異步串行通信口uart、指令寄存器ir、設(shè)備串行口sio、低電壓檢測lvd（低電壓復位）等。圖3.2 spce061a的結(jié)構(gòu)spce061a有兩種封裝片，一種為84個引腳，plcc84封裝形式；另一種為80個引腳，lqfp80封裝。而我選用的是84個引腳的，它的排列如圖3.3所示。圖3.3 spce061a plcc84封裝引腳排列圖在plcc84封裝中，有15個空余腳，在使用時這15個空余腳懸浮。在lqfp80封裝中有9個空余腳，在使用時這9個空余腳接地。 下面為lqfp84封裝管腳功能介紹。表3.1 lqfp84封裝管腳功能 管腳名稱管腳功能ioa0ioa15(4148，5360)i/oa口，16個iob0iob15（51，8176，6864）i/ob口，16個osci 13振蕩器輸入，采用石英晶振時，接晶振osco 12振蕩器輸出，采用石英晶振時，接晶振res_b 6復位信號輸入端，低電平有效ice_en 16ice使能端，接在線調(diào)試器probe的使能腳ice_enice_clk 17ice時鐘腳，接在線調(diào)試器probe的時鐘腳ice_clkice_sda 18ice數(shù)據(jù)腳，接在線調(diào)試器probe的數(shù)據(jù)腳ice_sdapvin 20程序保密設(shè)定電源輸入腳pfuse 29程序保密設(shè)定輸入腳dac1 21音頻輸入通道1dac2 22音頻輸入通道2vref2 23 2 v參考電壓輸入腳agc 25語音輸入自動增益控制引腳opi 26microphone第二級運放輸入腳micout 27microphone第一級運放輸入腳micn 28microphone正向輸入腳micp 33microphone負向輸入腳vrt 35a/d轉(zhuǎn)換參考電壓輸入腳vcm 34adc參考電壓輸入腳vmic 37microphone電源sleep 63睡眠狀態(tài)指示，當cpu進入睡眠狀態(tài)時，輸出高電平vcp 8鎖相環(huán)壓控振蕩器阻容輸入端xpomt pvpp xtest(61.69.14)出廠測試管腳，使用時懸空即可vddh 51.52.75i/o電平參考電壓輸入端，當輸入?yún)⒖茧妷簽?v/3.3v時，i/o輸入、輸出高電平為5v/3.3vvdd 7鎖相環(huán)pll電源vss 9鎖相環(huán)pll地vss 19.24模擬信號地vss 38.49.50.62數(shù)字信號地vdd 15.36數(shù)字信號電源 spce061a單片機的集成度很高，因此它的最小應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成非常方便，只需在osco、osci端接石英晶體振蕩器及諧振電容，在復位端接復位電路，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入vcp端接上相應(yīng)的電容、電阻后即可工作，其它不用的電源端和接地端可接上104小電容或100f的去偶電容，以提高抗干擾能力，如圖3.4所示。圖3.4 spce061a最小系統(tǒng)在基本了解了spce061a單片機之后，需要對它的硬件結(jié)構(gòu)做一定了解，下面將就spce061a單片機的硬件結(jié)構(gòu)做一定介紹。3.2 spce061a硬件結(jié)構(gòu)spce061a芯片內(nèi)部集成了ice (在線實時仿真/除錯器)、flash (閃存)、sram (靜態(tài)內(nèi)存)、通用i/o端口、定時器/計數(shù)器、中斷控制、cpu時鐘鎖相環(huán)(pll)、adc (模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)、dac (數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)輸出、uart (通用異步串行輸入輸出接口)、sio (串行輸入輸出接口)、低電壓監(jiān)測/低電壓復位等模塊。1 .nsp的內(nèi)核結(jié)構(gòu)nsp的核心由總線、alu算術(shù)邏輯運算單元、寄存器組、中斷系統(tǒng)及堆棧等部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。圖3.5 nsp的核心結(jié)構(gòu)2 .spce061a片內(nèi)存儲器結(jié)構(gòu)spce061a的內(nèi)存地址映像如圖3.6所示。芯片內(nèi)的內(nèi)存有2k字的sram（包括堆棧區(qū)）和32k字閃存（flash）。 圖3.6 spce061a內(nèi)存映像表sram的地址范圍從0x0000到0x07ff。前64個字，即0x00000x003f地址范圍內(nèi)，可采用6位地址直接地址尋址方法，存取速度為2個cpu時鐘周期；其余范圍內(nèi)(0x00400x07ff)內(nèi)存的存取速度則為3個cpu時鐘周期。 32k字的內(nèi)嵌閃存被劃分為128個頁，每個頁存儲容量為256個字。它們在cpu正常運行狀態(tài)下均可通過程序擦除或?qū)懭?。全?2k字閃存均可在ice工作方式下被寫入或被擦除。為了安全起見，不對用戶開放整體擦除功能。3.spce061a的輸入/輸出接口輸入/輸出接口（也可簡稱為i/o端口）是單片機與外設(shè)交換信息的通道。輸入端口負責從外界接收檢測信號、鍵盤信號等各種開關(guān)量信號。輸出端口負責向外界傳送由內(nèi)部電路產(chǎn)生的處理結(jié)果、顯示信息、控制命令、驅(qū)動信號等。nsp內(nèi)有并行和串行兩種方式的i/o口。并行口線路成本較高，但是傳輸速率也較高；與并行口相比，串行端口的傳輸速率較低但可以節(jié)省大量的線路成本。spce061a有兩個16位的通用并行i/o口：a口和b口。這兩個端口的每一位都可通過編程單獨定義成輸入或輸出口。 4. 時鐘電路nsp的時鐘電路是采用晶體振蕩器電路。圖3.7為spce061a時鐘電路的接線圖。外接晶振采用32768hz。推薦使用外接32768hz晶振，因rc阻容振蕩的電路時鐘不如外接晶振準確。 圖3.7 spce061a與振蕩器的連接32768hz實時時鐘通常用于鐘表、實時時鐘延時以及其它與時間相關(guān)類產(chǎn)品。spce061a通過對32768hz實時時鐘來源分頻，而提供了多種實時時鐘中斷。例如，用作喚醒的中斷來源irq5_2hz，表示系統(tǒng)每隔0.5秒被喚醒一次，由此可作為精確的計時基準。除此之外，spce061a 還支持rtc振蕩器強振模式/自動模式的轉(zhuǎn)換。 5. 系統(tǒng)時鐘32768hz的實時時鐘經(jīng)過pll倍頻電路以后，產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘頻率fosc，fosc再經(jīng)過分頻得到cpu時鐘頻率(cpuclk)，可通過設(shè)定p_systemclock(寫)(7013h)單元來控制。預設(shè)的fosc、cpuclk分別為24.576mhz和fosc/8。用戶可以通過對p_systemclock單元編程完成對系統(tǒng)時鐘和cpu時鐘頻率的定義。 此外，32768hz rtc振蕩器有兩種工作方式：強振模式和自動弱振模式。處于強振模式時，rtc振蕩器始終運行在高耗能的狀態(tài)下。處于自動弱振模式時，系統(tǒng)在上電復位(power on reset) 后的前7.5秒內(nèi)處于強振模式，然后自動切換到弱振模式以降低功耗。cpu被喚醒后預設(shè)的時鐘頻率為fosc/8，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整該值。 在spce061a內(nèi)，p_systemclock(寫)(7013h)單元控制著系統(tǒng)時鐘和cpu時鐘。第02位用來改變cpuclk，若將第02位設(shè)為“111”可以使cpu時鐘停止工作，系統(tǒng)切換至低功耗的睡眠狀態(tài)；通過設(shè)置該單元的第57位可以改變系統(tǒng)時鐘的頻率。此外，在睡眠狀態(tài)下，通過設(shè)置該單元的第4位可以開打或關(guān)閉32768hz實時時鐘。6. 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器adcspce061a有八個10位adc通道,其中一個通道(mic_in)用于語音輸入，模擬信號經(jīng)過自動增益控制器和放大器放大后進行a/d轉(zhuǎn)換。其余七個通道(line_in)和ioa06引腳共享，可以將輸入的模擬信號(如電壓信號) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。spce061a的a/d轉(zhuǎn)換范圍是整個輸入范圍，即0vavdd。無效的a/d模擬信號(超過vdd+0.3v或是低于vss0.3v)將影響轉(zhuǎn)換電路的工作范圍，從而降低adc的性能。 adc的最大輸入電壓由p_adc_ctrl(寫)(7015h)的第七和第八位的值決定。第7位vextref決定了adc的參考電壓為avdd或是外部參考電壓。第8 位v2vrefb決定了2v電壓源是否起作用。如果起作用，可向vextref引腳輸入2v電壓。此反饋回路把adc的最高參考電壓設(shè)置為2v。如果指定的參考電壓源的值不超過avdd,它還可以被當作adc的最高參考電壓。 在adc內(nèi)，由dac0和逐次逼近寄存器sar(successive approximation register)組成逐次逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。向p_adc_ctrl(寫)(7015h)單元第0位寫入“1”，可以啟用adc。系統(tǒng)的默認值為ade=0(關(guān)閉adc)。當ade=1時，應(yīng)對p_adc_ctrl(寫）(7015h)和p_adc_mux_ctrl(寫)(702bh)的其它控制位進行合理的設(shè)置。 通過設(shè)置p_adc_mux_ctrl(寫)(702bh)的第02位，可以為a/d 轉(zhuǎn)換選擇輸入通道。通道包括mic_in和line_in兩種。工作時，如果mic_in通道和line_in通道都處于直接工作模式(direct mode)，程序會檢查p_adc_ctrl(w)(7015h)的第15位。只有當目前的ad轉(zhuǎn)換完成后，才能切換通道。當mic_in通道處于定時器鎖存狀態(tài)時，它可以優(yōu)先存取adc。然后，可以從p_adc_mux_ctrl (讀) (702bh)的failb位得知，line_inadc 是否被mic_in adc打斷。 使用者可通過讀取p_adc(讀)(7014h)單元，取得從mic_in 通道輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換結(jié)果。使用者可通過讀取p_adc_linein_data(讀)(702ch)單元，取得從指定的line_in 通道輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換結(jié)果。 選擇mic_in通道后，可通過設(shè)置p_dac_ctrl(寫)(702ah)的第三和四 位，選擇a/d轉(zhuǎn)換的觸發(fā)事件。當p_adc(讀)(7014h)單元的數(shù)據(jù)被讀取/timera/timerb事件發(fā)生后，可執(zhí)行a/d轉(zhuǎn)換。然而，在選擇line_in通道后，只有在讀p_adc_linein_data(讀)(702ch)單元的內(nèi)容后，才執(zhí)行a/d 轉(zhuǎn)換，且不能使用定時器鎖存數(shù)據(jù)。 進入睡眠狀態(tài)后，adc被關(guān)閉(包括agc和vmic)。注意，供電復位后不論adc是否被啟用，vmic信號都預設(shè)為on。vmic用于向外部的mic提供電源，vmic =avdd。即，vmic的狀態(tài)和adc的狀態(tài)無關(guān)。所以，不使用vmic時，使用者必須把p_adc_ctrl(寫)( 7015h)單元的第1位mic_enb設(shè)為1，以關(guān)閉vmic。 硬件adc 的最高速率限定為(fosc/32/16)hz ， 如果速率超過此值， 當從p_adc(讀)(7014h)/ p_adc_linein_data(讀)(702ch)單元讀出數(shù)據(jù)時會發(fā)生錯誤。 p_adc_ctrl(寫)(7015h)單元的第5 位dac_out，可用來選擇兩通道音頻dac 的最大輸出。最大輸出電流可為2ma 或是默認值3ma。dac_out 的設(shè)置可改變dac 輸出的功率。在adc自動方式被啟用后，會產(chǎn)生出一個啟動信號，即rdy=0。此時，dac0 的輸出電壓與外部輸入電壓進行比較，以盡快找出外部電壓的數(shù)字值。逐次逼近式控制首先將sar中數(shù)據(jù)的最高有效位設(shè)為1，而其它位全設(shè)為0，即10 0000 0000b。這時dac0輸出電壓vdac0為1/2 最大值，用來與輸入電壓vin進行比較。如果vinvdac0，則保持原先設(shè)置為1的位(最高有效位)仍為1；否則，該位會被清為0。接著，逐次逼近式控制又將下一位試設(shè)為1，其余低位依舊設(shè)為0，即110000 0000b，vdac0與vin進行比較的結(jié)果若vinvdac0，則仍保持原先設(shè)置位的值，否則該位便清為0。這個逐次逼近的過程一直會延續(xù)到10 位中的所有位都被測試之后，a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果便會保存在sar內(nèi)。 當10 位a/d 轉(zhuǎn)換完成時，rdy 會被設(shè)1。此時，使用者通過讀取p_adc (7014h)或p_adc_mux_data(702ch)單元可以獲得10 位的a/d 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。而從該單元讀取數(shù)據(jù)后，又會使rdy 自動清為0來重新開始進行a/d 轉(zhuǎn)換。若未讀取p_adc (7014h) 或p_adc_mux_data(702ch)單元中的數(shù)據(jù)，rdy 仍會保持為1，并且不會啟動下一次的a/d 轉(zhuǎn)換。外部信號由lin_in17即ioa06或通道m(xù)ic_in 輸入。從lin_in17輸入的模擬信號直接被送入緩沖器p_adc_mux_data(702ch)；從mic_in 輸入的模擬信號則要經(jīng)過緩沖器和放大器。放大器的增益值可由外部線路來調(diào)整，因此agc 可以控制mic_in 輸入信號的值在一定的范圍內(nèi)。7 .dac方式音頻輸出spce061a為音頻輸出提供兩個dac通道：dac1和dac2，分別由經(jīng)由dac1和dac2引腳輸出。dac的輸出范圍從0x0000 到0xffff。如果dac的輸出數(shù)據(jù)被處理成pcm數(shù)據(jù)，必須讓dac輸出數(shù)據(jù)的直流電位保持為0x8000，且僅有高10位的數(shù)據(jù)有作用。dac1和dac2的輸出數(shù)據(jù)應(yīng)寫入p_dac1(寫) (7017)和p_dac2(寫) (7016)單元。上電復位后，兩個dac均被自動打開，此時會消耗少量的電流(幾毫安)。所以如不需要用它們，盡量將p_dac_ctrl(寫)(702ah)單元的第1位設(shè)為1，關(guān)閉dac輸出。dac的直流電壓必須保證平穩(wěn)地變化。否則會由于電壓的突變引起揚聲器產(chǎn)生雜音。采用ramp up/down技術(shù)，可以減緩電壓變化的幅度，從而輸出高品質(zhì)的音頻數(shù)據(jù)。它的應(yīng)用場合包括：被喚醒/上電復位后首次使用dac時，上電復位功能被關(guān)閉/進入睡眠狀態(tài)之前。圖3.8為音頻輸出的結(jié)構(gòu)圖 圖3.8 音頻輸出的結(jié)構(gòu)圖8. 看門狗計數(shù)器watchdogwatchdog是用來監(jiān)視系統(tǒng)的正常運作。當系統(tǒng)正常運行時，每隔一定的周期就必須清除watchdog計數(shù)器。如果在限定的時間內(nèi)，watchdog計數(shù)器沒有被清除，cpu就會認為系統(tǒng)已經(jīng)無法正常工作，將會進行系統(tǒng)復位(reset)。 spce061a的watchdog的清除時間周期為0.75秒。因為watchdog的溢出復位信號watchdog_reset是由4hz時基信號經(jīng)4分頻之后產(chǎn)生的，即每4個4hz時基信號(1秒)將會產(chǎn)生一個watchdog_reset信號，如圖3.9所示。 圖3.9 watchdog的結(jié)構(gòu)和信號時序 以上是對spce061a單片機硬件結(jié)構(gòu)的簡單介紹，接下來是對中斷系統(tǒng)的介紹。3.3 中斷系統(tǒng)中斷是為處理器對外界異步事件具有處理能力而設(shè)置的，中斷技術(shù)的引入把計算機的發(fā)展和應(yīng)用大大地推進一步。因此中斷功能的強弱已成為衡量一臺計算機性能的重要指標。spce061a系列單片機中斷系統(tǒng)，是凌陽16位單片機中中斷功能較強的一種，它可以提供14個中斷源，具有兩個中斷優(yōu)先級，可實現(xiàn)兩級中斷嵌套功能。用戶可以用關(guān)中斷指令（或復位）屏蔽所有的中斷請求，也可以用開中斷指令使cpu接受中斷申請。每一個中斷源可以用軟件獨立控制為開或關(guān)中斷狀態(tài)；但中斷級別不可用軟件設(shè)置。spce061a的結(jié)構(gòu)給出了三種類型的中斷：軟件中斷、異常中斷和事件中斷。1) 軟件中斷軟件中斷是由軟件指令break產(chǎn)生的中斷。軟件中斷的向量地址為fff5h2）異常中斷異常中斷表示為非常重要的事件，一旦發(fā)生，cpu必須立即進行處理。目前spce061a定義的異常中斷只有復位一種。通常，spce061a系統(tǒng)復位可以由以下三種情況引起：上電、看門狗計數(shù)器溢出以及系統(tǒng)電源低于電壓低限。不論什么情況引起復位，都會使復位引腳的電位變低，進而使程序指針pc指向由一個復位向量（fff7h）所指的系統(tǒng)復位程序入口地址。3）事件中斷事件中斷（可簡稱“中斷”，以下提到的“中斷”均為事件中斷）一般產(chǎn)生于片內(nèi)設(shè)部件或由外設(shè)中斷輸入引腳引入的某個事件。這種中斷的開通/禁止，由相應(yīng)獨立使能和相應(yīng)的irq或fiq總使能控制。spce061a的事件中斷可采用兩種方式：快速中斷請求即fiq中斷和中斷請求即irq中斷。這兩種中斷都有相應(yīng)的總使能。中斷向量和中斷源:共有9個中斷向量即fiq、irq0irq6及uart irq。這9個中斷向量共可安置14個中斷源供用戶使用，其中有3個中斷源可安置在fiq或irq0irq2中，另有10個中斷源則可安置在irq3irq6中。還有一個專門用于通用異步串行口uart的中斷源，須安置在uart irq向量中。spce061a單片機的中斷系統(tǒng)有14個中斷源分為兩個定時器溢出中斷、兩個外部中斷、一個串行口中斷、一個觸鍵喚醒中斷、7個時基信號中斷、pwm音頻輸出中斷。每個中斷入口地址對應(yīng)多個中斷源，因此在中斷服務(wù)程序中需通過查詢中斷請求位來判斷是那個中斷源請求的中斷。spce061a單片機的中斷服務(wù)流程圖3.10所示圖3.10 中斷服務(wù)流程圖3.4 音頻壓縮算法我們所說的音頻是指頻率在20 hz20 khz的聲音信號，分為：波形聲音、語音和音樂三種，其中波形聲音就是自然界中所有的聲音，是聲音數(shù)字化的基礎(chǔ)。語音也可以表示為波形聲音，但波形聲音表示不出語言、語音學的內(nèi)涵。語音是對講話聲音的一次抽象。是語言的載體，是人類社會特有的一種信息系統(tǒng)，是社會交際工具的符號。音樂與語音相比更規(guī)范一些，是符號化了的聲音。但音樂不能對所有的聲音進行符號化。樂譜是符號化聲音的符號組，表示比單個符號更復雜的聲音信息內(nèi)容。將模擬的（連續(xù)的）聲音波形數(shù)字元化（離散化），以便利數(shù)字計算機進行處理的過程，主要包括采樣和量化兩個方面。數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于：采樣頻率和量化位數(shù)這兩個重要參數(shù)。此外，聲道的數(shù)目、相應(yīng)的音頻設(shè)備也是影響音頻質(zhì)量的原因。凌陽常用的音頻形式和壓縮算法有以下幾種：1) 波形編碼：sub-band即sacm-a2000特點：高質(zhì)量、高碼率，適于高保真語音音樂。2) 參數(shù)編碼：聲碼器（vocoder）模型表達，抽取參數(shù)與激勵信號進行編碼。如：sacm-s240。特點：壓縮比大，計算量大，音質(zhì)不高，廉價！3) 混合編碼：celp即sacm-s480特點：綜合參數(shù)和波形編碼之優(yōu)點。除此之外,還具有fm音樂合成方式即sacm-ms01。而壓縮分無損壓縮和有損壓縮。無損壓縮一般指：磁盤文件，壓縮比低：2:14:1。而有損壓縮則是指：音視頻文件，壓縮比可高達100:1。凌陽音頻壓縮算法根據(jù)不同的壓縮比分為以下幾種：sacm-a2000：壓縮比為8:，8:1.25，8:1.5。該壓縮算法壓縮比較小，所以具有高質(zhì)量、高碼率的特點適用于高保真音樂和語音。sacm-s480： 壓縮比為80:3，80:4.5，該壓縮算法壓縮比較大, 存儲容量大,音質(zhì)介于a2000和s240之間,適用于語音播放。sacm-s240： 壓縮比為80:1.5，該壓縮算法的壓縮比較大,價格低,適用于對保真度要求不高的場合, 如玩具類產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，編碼率僅為2.4 kbps。sacm_ms01：該算法較繁瑣，但只要具備音樂理論、配器法和聲學知識了解spce編曲格式者均可嘗試。4.硬件電路設(shè)計4.1 設(shè)計思路在選定了本設(shè)計所需的硬件之后就需要進行電路的設(shè)計工作了，只有正確合理的電路設(shè)計才能夠?qū)我坏碾娖髟M合成一個能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的作品。因此電路設(shè)計是整個制作過程中最重要的，而要完成電路設(shè)計就得對凌陽spce061a單片機非常熟悉。 spce061a內(nèi)置8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中7個通道用于將模擬量信號 (例如電壓信號) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號, 可以直接通過引線(ioa06)輸入。另外一個通道只用于語音輸入，即通過內(nèi)置自動增益控制放大器的麥克風通道(mic_in)輸入。實際上可以把模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc，analog to digital converter)看作是一個實現(xiàn)模/數(shù)信號轉(zhuǎn)換的編碼器。在adc內(nèi)，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac0和逐次逼近寄存器sar組成逐次逼近式模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。溫度采集電路spce061aad 轉(zhuǎn)換語音播報溫度計算圖4.1 設(shè)計思路4.2 具體設(shè)計本設(shè)計選用了凌陽spce061a單片機和一個5k負溫度系數(shù)熱敏電阻相結(jié)合，通過凌陽spce061a單片機的中斷系統(tǒng)實時監(jiān)測熱敏電阻兩端的電壓，經(jīng)過微處理器計算得到溫度值，再由音頻壓縮算法處理后播報出實時溫度。4.2.1 電阻測溫原理熱敏電阻是近年來發(fā)展起來的一種新型半導體感溫元件。由于它具有靈敏度高、體積小、重量輕、熱慣性小、壽命長以及價格便宜等優(yōu)點，因此應(yīng)用非常廣泛。負系數(shù)熱敏電阻熱敏電阻與普通熱電阻不同，它具有負的電阻溫度特性，當溫度升高時，電阻值減?。划敎囟冉档蜁r，電阻值增大，其特性曲線如下：圖4.2 熱敏電阻溫度特性曲線熱敏電阻的阻值-溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，因此在使用時要進行線性化處理，線性化處理雖然能改善熱敏電阻的特性曲線，但比較復雜。為此常在要求不高的一般應(yīng)用中，作出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關(guān)系的假定，以簡化計算。熱敏電阻的應(yīng)用是為了感知溫度為此給熱敏電阻以恒定的電流，測量電阻兩端就得到一個電壓，然后就可以通過下列公式求得溫度：t = t0 kvt其中：t-被測溫度t0-與熱敏電阻特性有關(guān)的溫度參數(shù)k-與熱敏電阻特性有關(guān)的系數(shù)vt-熱敏電阻兩端的電壓根據(jù)這一公式，如能測得熱敏電阻兩端的電壓vt，再知道參數(shù)t0和系數(shù)k，則可計算出熱敏電阻的環(huán)境溫度，也就是被測的溫度。固定電阻r阻值的選取：mfd-502-34型熱敏電阻線性化較好的一段是在-20到80，為了在最高溫度和最低溫度時使被測信號基本接近滿量程值，采取線性區(qū)域內(nèi)中間某一點溫度的阻值作為固定電阻的值。它們分壓后，ad的輸入電壓是ad的輸入電壓范圍一半。在25時熱敏電阻的阻值為5k，所以選取固定電阻r的值為5k。在-20時熱敏電阻的阻值為37.399k，熱敏電阻兩端電壓vrt=2.9v，接近a/d輸入電壓的上限3.3v；在80時熱敏電阻的阻值為0.796k，熱敏電阻兩端電壓vrt=0.45v，接近a/d輸入電壓的下限0v。在溫度線性化較好的區(qū)域內(nèi)spce061a的a/d值都沒有達到極限值。按照0接法時，t0=76，k=0.1022，根據(jù)以上公式和參數(shù)，測出熱敏電阻兩端的電壓就可以求出被測溫度。4.2.2 溫度計算語音播報溫度計設(shè)計工作的主要內(nèi)容，就是把熱敏電阻兩端電壓值經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，然后通過軟件方法計算得到溫度值，再經(jīng)過凌陽spce061a單片機的音頻壓縮算法得到溫度值的音頻，經(jīng)喇叭播報出來。在設(shè)計中，系統(tǒng)在凌陽spce061a單片機的基礎(chǔ)上擴展了一個按鍵，接于spce061a的ioa15，當按鍵按下時，就進行a/d轉(zhuǎn)換初始化，并進行四次a/d轉(zhuǎn)換， spce061a的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果在高10位，每次將其移入低10位再計算四次平均值作為ad有效結(jié)果返回；為了提高準確度，變量tempad、temper都采用浮點數(shù)，計算完成用語音將溫度值報出來。由于在放音時播放函數(shù)會改變一些參數(shù)，為了穩(wěn)定起見，在每次a/d轉(zhuǎn)換前都做一次初始化。由于每個熱敏電阻的特性并非一樣、與熱敏電阻串聯(lián)的固定電阻的不準確等原因，每支溫度計在整個測量范圍內(nèi)至少找5點進行校正，并適當?shù)男薷膮?shù)以達到最佳狀態(tài)。4.2.3 工作電源電路凌陽單片機的工作電壓為3.3v，獲得工作電壓有兩種方式： （1）通過兩個二極管連續(xù)降壓使5v的電壓降至3.6v，供芯片使用。這種方法比較簡單，但電壓值不是很精確。（2）通過spy0029可獲得準確的3.3v電壓，如圖4.3圖 4.3是電源部分的電路，4.5v直流電壓經(jīng)過spy0029后產(chǎn)生3.3v給整個系統(tǒng)供電。 spy0029是凌陽公司設(shè)計的電壓調(diào)整ic，采用cmos工藝。spy0029具有靜態(tài)電流低、驅(qū)動能力強、線性調(diào)整出色等特點。 圖 4.3中的vddh3為spce061a的i/o電平參考，接spce061a的51腳，這種接法使得i/o輸出高電平為3.3v；vddp為pll鎖相環(huán)電源，接spce061a的7腳；vdd和vdda分別為數(shù)字電源與模擬電源，分別接spce061a的15腳和36腳；avss1是模擬地，接spce061a的24腳；vss是數(shù)字地，接spce061a的38腳； avss2接音頻輸出電路的avss2。圖4.3 電源電路4.2.4 放音模塊電路放音利用的是spce061a內(nèi)部的dac，電路如圖 4.4所示。圖中的spy0030是凌陽公司的產(chǎn)品。和lm386相比，spy0030還是比較有優(yōu)勢的，比如lm386工作電壓需在4v以上，而spy0030僅需2.4v (兩顆電池)即可工作；lm386輸出功率100mw以下，spy0030約700mw。圖4.4 放音電路4.2.5 總電路原理圖和實物圖圖4.5 數(shù)據(jù)采集原理圖圖4.6 spce061a圖4.7 實物圖連接如圖4.7所示，該實物圖溫度采集部分由于mfd50234熱敏電阻沒買上，用5k的電阻代替與固定電阻r串聯(lián)，5k電阻由一個4.7k和300串聯(lián)組成，如果結(jié)果播出25c，那么說系統(tǒng)設(shè)計成功。在選擇熱敏電阻的時候，曾考慮了利用鉑電阻pt100，其在0100c度范圍內(nèi)的電阻100138.51，電阻變化相對比較小，需要電橋電壓轉(zhuǎn)換，運算放大器的放大。5 軟件設(shè)計在單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)中，軟件的設(shè)計是最復雜和困難的，大部分情況下工作量都較大，特別是對那些控制系統(tǒng)比較復雜的情況。如果是機電一體化的設(shè)計人員，往往需要同時考慮單片機的軟硬件資源分配。下面將詳細介紹語音播報溫度計的軟件設(shè)計過程。5.1 總體設(shè)計本設(shè)計為語音播報溫度計，設(shè)計采用凌陽spce061a單片機作為處理器。該單片機是一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器，有較高的處理速度。溫度傳感器選用的是負溫度系數(shù)熱敏電阻，該熱敏電阻溫度特性曲線線性化較好的一段是在2080，因此設(shè)計出的溫度計測量范圍就是2080。系統(tǒng)在凌陽spce061a單片機的基礎(chǔ)上擴展了一個按鈕，接于凌陽spce061a單片機的ioa15，當按下按鈕時，系統(tǒng)采集溫度，計算并換算出溫度值播報出來。要實現(xiàn)該設(shè)計，還得有軟件的支持，對本設(shè)計的程序編寫選用的是c語言和凌陽匯編。c的編譯器把c語言代碼編譯為匯編代碼，匯編編譯器對匯編代碼進行編譯成為目標文件。鏈接器將目標文件、資源文件連接成整體，形成一個可在芯片上運行的可執(zhí)行文件。圖5.1 代碼流動結(jié)構(gòu)示意nsp的匯編指令只有單字和雙字兩種，其結(jié)構(gòu)緊湊，且最大限度地考慮了對高級語言中c語言的支持。另外，在需要尋址的各類指令中的每一個指令都可通過與6種尋址方式的組合而形成一個指令子集，目的是為增強指令應(yīng)用的靈活性和實用性。而算邏運算類指令中的16位16位的乘法運算指令（mul）和內(nèi)積運算指令（muls），又提供了對數(shù)字信號處理應(yīng)用的支持。此外，復合式的移位算邏操作指令允許操作數(shù)在經(jīng)過alu的算邏操作前可先由移位器進行各種移位處理，然后再經(jīng)alu的算邏運算操作。本設(shè)計的程序大體框架如圖6.2所示語音播報溫度計鍵盤掃描a/d轉(zhuǎn)換溫度計算語音處理溫度播報系統(tǒng)初始化圖5.2 語音播報溫度計程序模塊各個模塊之間通過主程序調(diào)用連接在一起，圖5.3為程序結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主程序系統(tǒng)資源模塊系統(tǒng)初始化a/d轉(zhuǎn)換鍵 盤掃 描系統(tǒng)時 鐘中 斷初始化a/d四次a/d轉(zhuǎn)化 圖5.3 程序結(jié)構(gòu)圖5.2 詳細設(shè)計在確定了寫程序所用的語言后，正式進入程序的編寫，下面是關(guān)于詳細設(shè)計的具體介紹。5.2.1 流程圖總體程序流程圖開 始系統(tǒng)初始化四次a/d轉(zhuǎn)換溫度a/d采樣a/d轉(zhuǎn)化初始化播報實時溫度溫度計算播報溫度超出鍵盤掃描有按鍵嗎溫度超出 y n n y圖5.4 總體程序流程圖各個模塊流程圖如下：1鍵盤掃描流程圖圖5.5 鍵盤掃描程序2a/d轉(zhuǎn)換流程圖圖5.6 a/d轉(zhuǎn)換流程圖3溫度計算流程圖 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)上傳開 始溫度計算結(jié) 束圖5.7 溫度計算流程圖4溫度播報流程圖采集溫度值開 始尋找語音文件溫度播報結(jié) 束圖5.8 溫度播報流程圖5.2.2 編程實現(xiàn)一個優(yōu)秀的單片機程序設(shè)計人員，設(shè)計的軟件程序結(jié)構(gòu)是合理、緊湊和高效的。同一種任務(wù)，有時用主程序完成是合理的，但有時需子程序執(zhí)行效率最高，占用cpu資源最少。一些要求不高的中斷任務(wù)或單片機的速度足夠高，可以使用程序掃描查詢也可以用中斷申請執(zhí)行，這也要具體的問題具體分析。對于多中斷系統(tǒng)，但它們存在矛盾時，需區(qū)分輕重緩急，主要和次要的區(qū)別對待。并適當?shù)厥跈?quán)予不同的中斷優(yōu)先級別。在單片機的軟件設(shè)計中，任務(wù)可能也很多，程序量很大，這種情況下一般都需把程序分成若干個功能獨立的模塊，這也是軟件設(shè)計中常用的方法，這也即俗稱的“化整為零”的方法。理論和實踐都證明，這種方法是行之有效的。這樣可以分階段地對單個模塊進行設(shè)計和調(diào)試，一般情況下單個模塊利用仿真工具即可將它們調(diào)試好，最后再將它們有機的聯(lián)系起來，構(gòu)成一個完整的控制程序，并對它們進行聯(lián)合調(diào)試即可。對于復雜的多任務(wù)實時控制系統(tǒng)，要處理的數(shù)據(jù)就非常龐大，同時又要求對多個控制對象進行實時控制，要求對各控制對象的實時數(shù)據(jù)進行快速的處理和響應(yīng)，這對系統(tǒng)的實時性、“并行性”提出了更高的要求。這種情況下一般要求采用實在時地任務(wù)操作系統(tǒng)，并要求這個系統(tǒng)具備優(yōu)良的實時控制能力。基于以上幾點，我編寫了以下幾部分語音播報溫度計的程序：1.主程序main.c ：#include a2000.h#define rsp_current_temp 00 /現(xiàn)在溫度是#defin