1 2001級本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)論文選題 一、 數(shù)字信號處理課程演示系統(tǒng)制作（ 2 人） 二、 數(shù)字信號處理課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（ 2 人） 三、 DSP應(yīng)用硬件題目 1、數(shù)字化語音存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)（ 1分鐘，單片機(jī)或 DSP） 2、簡單語音信號自動(dòng)識別系統(tǒng)（ DSP） 3、具有語音功能的自動(dòng)測溫系統(tǒng)（ DSP） 4、廣播調(diào)幅 /調(diào)頻信號的數(shù)字解調(diào)（中頻以后， DSP） 5、小詞匯表語音信號數(shù)字模板庫的建立（ DSP） 6、多通道擴(kuò)容數(shù)字電話（ DSP） 7、智能快速充電器（單片機(jī)） 8、 MP3語音信號的解碼（ DSP） 四、軟件題目 1、 各種數(shù)碼播放機(jī)中的數(shù)據(jù)壓 縮格式分析 2、 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 3、 3G-4G移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù) 高貞貞、王海麗、范忠淵、沙賽男、鞠麗、侯娜 , 魯蕾、陳莉霞、李毛毛、 銀軍、張勝榮 ,王遙（ 8634617） ,聶聰 2 智能快速充電器 摘要： 本文介紹了一種智能快速充電器的設(shè)計(jì)過程。該充電器基于Motorola 公司的 MC68HC908SR12 單片機(jī)為控制核心，將 SR12 特有的模擬電路模塊、高精度 A/D 轉(zhuǎn)換 、 I2C 總線接口以及高速 PWM 等功能運(yùn)用到充電控制中，詳細(xì)講述了其硬件和軟件的設(shè)計(jì)過程， 并從元器件篩 選 、PCB 板繪制和軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了該 充電器 抑制和防電磁干擾的措施。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換 I2C 總線 傳感器 電磁干擾 1、 引言 隨著便攜式設(shè)備不斷小型化、輕量化和高性能化，作為其電源的二次電池 的使用 率日益提高 。我單位于 1998年在對 充電器市場 調(diào)研后，設(shè)計(jì)開發(fā)了 “ ZXG 99型智能快速充電器”， 1999年設(shè)計(jì)定型，同年投入生產(chǎn)，截止到 2001年底，已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)了 5000多部，取得了一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。今年又簽定了幾千部的生產(chǎn)合同，但是隨著產(chǎn)量的逐年增加，以及 二次電池 市場的不 斷變化，該產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中的不足越來越明顯。主要有以下幾點(diǎn)： a “ ZXG 99型智能快速充電器”的中央微處理器選擇的是 OTP型 單片機(jī) ，不 具有片上 FLASH存儲(chǔ)器，程序固化后不能更改，這在產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)十分不便，而且隨著市場上 二次電池 的充電特性不斷變化，設(shè)計(jì)人員要及時(shí)更改充電控制參數(shù)或開發(fā)新的充電算法，這樣對已出廠的產(chǎn)品只能更換新的 MCU，增加了生產(chǎn)成本； b “ ZXG 99型智能快速充電器”只能對 鎳鎘電池（ Nicd） 和鎳氫電池（ NiMH）充電，沒有涉及 鋰離子電池 ，主要原因是當(dāng)時(shí) 鋰離子電池 的普及率低，價(jià)格高。但 是鋰離子電池具有較高的能量重量比和能量體積比、無記憶效應(yīng)、可多次重復(fù)充電、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品向 3 更小更輕的方向發(fā)展，使得選用單節(jié)鋰離子電池供電的產(chǎn)品越來越多，同時(shí)其價(jià)格也越來越低。今后 二次電池的主流 將是 鋰離子電池 ，作為一個(gè)完整的產(chǎn)品應(yīng)該將其納入到設(shè)計(jì)中； c 該 OTP型單片機(jī) 的 A/D采樣值只有 8位，在對電池進(jìn)行 - V檢測中精度不夠，不能對充電過程實(shí)行更精確的控制。 在開發(fā)新型智能充電器中，首要環(huán)節(jié)就是 中央微處理器 MCU 的選型?？紤]到既要增加產(chǎn)品的智能化和實(shí)用性 ，又要降低生產(chǎn)成本， 最終決定 選用 Motorola公司新近推出的 MC68HC908SR12作為 新型 智能快速充電器的MCU，這是因?yàn)?SR12 具有模擬電路模塊、高精度 A/D（ 10 位）、 I2C 總線接口以及高速 PWM 等功能，特別適合開發(fā)電池充電器和 SMBus 智能電池， 可極大的減少片外其它元器件的開銷，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。 2、概述 2.1、功能特性 a. 以 MC68HC908SR12單片機(jī)為控制核心； b. 根據(jù)二次電池的充電特性，軟件智能識別 鎳鎘電池（ Nicd） 、鎳氫電池（ NiMH） 和鋰離子電池（ Li+），選擇相應(yīng)的控制 模塊和算法對其快速充電； c. 采用最高端電壓 Vmax、最高溫度 Tmax、最長充電時(shí)間 tmax、電壓負(fù)增長 - V、溫度變化率 T/ t等快速充電終止法； d. 能對 1 4節(jié) 鎳鎘電池（ Nicd） 、鎳氫電池（ NiMH）單獨(dú)或同時(shí)充電； e. 能對 1 2節(jié) 鋰離子電池（ Li+）單獨(dú)或同時(shí)充電； f. 充電速率，每 0.1Ah的充電時(shí)間 10min； g. 對 鎳鎘電池（ Nicd） 、鎳氫電池（ NiMH）采用脈沖充電模式，消除記憶效應(yīng)； h. 對 鋰離子電池（ Li+）采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式； i. 使用具有 I2C接口的高精度數(shù)字溫度傳感器 LM92，檢測電池溫度； j. 設(shè)有 過充電保護(hù)、過放電保護(hù)和過電流保護(hù) ； k. 設(shè)有電池開路、短路、反接保護(hù)； l. 快速充電結(jié)束后自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電模式。 2.2、系統(tǒng)框圖 該智能充電器 以 MC68HC908SR12單片機(jī)為控制核心，主要包括電源 4 電路、 恒流恒壓電路、溫度檢測電路、鍵盤響應(yīng)電路以及狀態(tài)顯示電路。圖 1是其系統(tǒng)框圖。 3、 硬件設(shè)計(jì) 3.1、 電源電路 使用開關(guān)電源作為充電器的供電設(shè)備。 開關(guān)電源采用脈沖調(diào)制方式 PWM（ Pulse Width Modulation）和MOSFET、 BTS、 IGBT等電子器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。開關(guān)電源集成化程度較高，圖 1 智能快速充電器系統(tǒng)框圖 恒流恒壓電路 PWM 開關(guān)電源 外接電源 直流12V 鍵盤電路 顯示電路 I/O 接 口 MC68HC908SR12 溫度傳感器 模擬 部分 I2C 部分 A/D 部分 電池 Rsense 0.01 SDA SCL 充 電 電流 10bit A/D 電流檢測 5 具有調(diào)壓、限流、過熱保護(hù)等功能。同線性電源相比其輸入電壓范圍寬（通?？蛇_(dá)交流 85 265V）、體積小、重量輕、效率高。其缺點(diǎn)是有脈沖擾動(dòng)干擾，設(shè)計(jì)電路板時(shí)采用同主控板隔離和添加屏蔽罩等措施，來抑制干擾。 3.2、恒流恒壓電路 恒流恒壓電路是智能充電器的關(guān)鍵部分。圖 2是其電路原理圖。恒流恒壓電路由 SR12單片機(jī)片內(nèi)模擬電路模塊和片外的 MOSFET開關(guān)管、肖特基二極管、濾波電感、濾波電容等器件組成。 模擬電路模塊是 SR12的特有部件，圖 3為它的結(jié)構(gòu)框圖 。它由輸入多路開關(guān)、兩組可程控放大器 、 片內(nèi)溫度傳感器、電流檢測電路等組成?？沙炭胤糯笃骺偡糯蟊稊?shù)為 1 256。放大器的輸入可選擇為兩路模擬輸入腳（ ATD0、 ATD1）、片內(nèi)溫度傳感器、模擬地輸入（ VSSAM）。 ATD0和 VSSAM間可接一個(gè)電流檢測電阻，用于測量外部電流，它還連接至電流檢測電路， 可 在電流超過指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并輸出信號。 在充電開始前的預(yù)處理階段，根據(jù)不同的電池，軟件選擇相應(yīng)的充電算法，將通道選擇控制字寫入 SR12單片機(jī)的 AMCR寄存器中，將兩級 可程控 運(yùn)算放大器的增益值寫入 AMGCR寄存器中。 充電開始后，軟件定時(shí)采集采樣電阻 Rsense上的電壓值，經(jīng)過計(jì)算，設(shè)置 SR12單片機(jī) PWM的輸出參數(shù)。同時(shí)， 電流檢測電路 實(shí)時(shí) 檢測 充電電流， 在電流超過指定值時(shí)產(chǎn)生中斷并 將 SR12單片機(jī)的 PTC0/PWM0/CD端口置為低電平， 及時(shí)關(guān)斷充電電圖 2 恒流恒壓電路原理圖 6 流，實(shí)現(xiàn)恒流恒壓的充電控制。 設(shè)計(jì)中為了減小電流的脈動(dòng)，降低輸出紋波，在體積和成本允許的情況下設(shè)計(jì)選用飽和電流比較大的電感，因?yàn)楫?dāng)磁芯接近飽和時(shí)損耗增大，會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率。電感的飽和 電流至少應(yīng)大于充電回路中的峰值電流。同時(shí)，電感的直流電阻會(huì)消耗一定的功率，在體積和成本許可的情況下設(shè)計(jì)選用直流電阻盡量小的電感。另外對于低噪聲應(yīng)用，為降低電源的 EMI，設(shè)計(jì)選用具有閉合磁芯的電感。 設(shè)計(jì)中選擇濾波電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對電源紋波的要求。濾波電容的等效串聯(lián)電阻（ ESR）是造成輸出紋波的主要因素，而且也會(huì)影響到轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)選用低 ESR的電容。陶瓷電容和鉭電解電容具有較低的 ESR，也可選用低 ESR的鋁電解電容，但應(yīng)盡量避免標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容。容量一般在 10 F 100 F，對于較重的負(fù)載設(shè)計(jì)選取大一點(diǎn) 的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。 圖 3 MC68HC908SR12 片內(nèi)模擬電路結(jié)構(gòu)框圖 7 在每次充電周期結(jié)束后，充電環(huán)路中可以觀察到振蕩現(xiàn)象。這是由于電感中的能量全部釋放給負(fù)載后，在電感自身的寄生電容和引腳分布電容中還儲(chǔ)存有一定的能量，在這些能量的作用下，電容和電感構(gòu)成的諧振回路將發(fā)生振蕩，部分能量將以電磁波的形式向外輻射出去，造成對 SR12單片 機(jī)和其它電路的干擾，在對噪聲敏感的設(shè)計(jì)應(yīng)用中必須對其加以抑制。在充電回路中接入肖特基二極管 D14來抑制這種 EMI。具體做法是，當(dāng)電感中的能量釋放完畢后，通過 D14使諧振電路處于臨界阻尼或過阻尼狀態(tài) ，將剩余能量消耗在 D14上，減小電磁輻射，確保 SR12單片 機(jī)正常工作。同時(shí)，肖特基二極管 D14的另一重要作用是吸收電感的反向電動(dòng)勢，保護(hù)MOSFET開關(guān)管 Q6。 3.3、溫度檢測電路 在快速充電過程中，電池的溫度會(huì)隨著充電容量的增加而上升，尤其在接近充電終止時(shí)，溫度變化率 T/ t最大，該特性是判斷電池是否充滿的主要條件之一，因此，及時(shí)、快速和準(zhǔn)確地檢測電池的溫度變化是本電路的關(guān)鍵。 本設(shè)計(jì)選用 集成電路溫度傳感器 LM92檢測電池溫度，圖 4為其電路原理圖。同時(shí)，利用 SR12單片機(jī)的內(nèi)部溫度 傳感器 概略監(jiān)測環(huán)境 溫度，其測溫范圍 -20 70 。 圖 4 溫度檢測電路原理圖 8 以往的充電器均多使用 熱敏電阻 作為 溫度傳感器 ，在本設(shè)計(jì)中為何舍棄，這是因?yàn)?熱敏電阻的電壓輸出與溫度并非成線性比，在高溫 時(shí) 的電壓變化率比較小，不易分辨， 而且 需依靠查表或加設(shè)電路才 能 得知輸出電壓與溫度的關(guān)系 ，其產(chǎn)品一致性差， 在出廠前需要校正， 增加成本。 集成電路溫度傳感器 的參數(shù) 輸出是與溫度成線性比，兩者之間的關(guān)系可以用公式來表達(dá)，故即使在較高的溫度范圍內(nèi)，集成電路溫度傳感器也具有很高的準(zhǔn)確度 ，設(shè)計(jì)中 需要較少的芯片支持，有助 于 節(jié)省印刷電 路板的板面空間 ， 簡化部 分 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品推 向 市場的時(shí)間。 LM92是美國國家半導(dǎo)體公司出品的單片高精度數(shù)字溫度傳感器。其內(nèi)部的 12位溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將被感應(yīng)溫度的模擬量轉(zhuǎn)換為 0.0625 量化間隔的數(shù)字量，常溫下精度可達(dá) 0.33，并可與用戶設(shè)置的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較。其片內(nèi)寄存器可以設(shè)置高 /低的溫度窗口門限及臨界溫度告警門限，當(dāng)溫度偏離設(shè)置門限時(shí)，漏級開路中斷 INT及臨界溫度告警 T_CRIT_A輸出有效信號。通過 I2C總線接口可對該傳感器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀 /寫操作，最多可允許 4片 LM92掛接在同一條 串行總線上。 MC68HC908SR12單片機(jī)具有 I2C接口控制模塊，使用通道 0（ SDA0和SCL0），可十分方便地同 溫度傳感器 LM92連接。圖 4為溫度檢測電路原理圖。 LM92 采用 I2C 串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)同 MC68HC908SR12 單片機(jī) 的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中 LM92 為從器件，通過數(shù)據(jù)輸入、輸出線 SDA 以及時(shí)鐘信號線 SCL 與總線相連。其傳輸時(shí)序如圖 5 所示。當(dāng) SCL 保持高電平時(shí)， SDA 從高電平到低電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始信號，隨后傳送 LM92 的地址信息和讀 /寫控制位。地址信息的格式為： 根據(jù) A1A0 的不同編碼，最多可允許 4 片 LM92 掛接在同一條串行總線上，分別對應(yīng)四節(jié)充電電池。讀 /寫控制位為 1 表示對 LM92 進(jìn)行讀操作，為 0 表示進(jìn)行寫操作。每個(gè)字節(jié)傳送結(jié)束，要收到接收數(shù)據(jù)一方的應(yīng)答信號（ ACK）后方可開始下一步操作。最后，在 SCL 保持高電平的情況下，SDA 從低電平到高電平的跳變作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束信號。 具體操作過程是： MC68HC908SR12 單片機(jī) 首先傳送開始信號，接著寫入芯片地址信息和讀 /寫控制位，之后寫入要訪問的片內(nèi)寄存器地址，當(dāng)收到 LM92 的應(yīng)答信號（ ACK）后，再次傳送開始信 號，并寫入芯片地址信息和讀 /寫控制位，當(dāng)收到 LM92 的應(yīng)答信號（ ACK）后，可讀 /寫被訪問寄存器的數(shù)據(jù)，最后傳送結(jié)束信號。 1 0 0 1 0 A1 A0 R/W 9 3.4、鍵盤響應(yīng)電路 設(shè)計(jì)鍵盤響應(yīng)電路時(shí)，使用 MC68HC908SR12單片機(jī) PORT D（ PTD6和 PTD7）端口的鍵盤中斷功能（ KBI）。根據(jù)實(shí)際情況，在 MC68HC908SR12單片機(jī)的 鍵盤中斷使能寄存器 KBIER中寫入相應(yīng)的值，寫入“ 1”表示中斷允許，寫入“ 0”表示不能中斷。鍵盤中斷允許的端口， MC68HC908SR12單片機(jī)將對其內(nèi)部上拉 30k的電阻，這樣鍵盤響應(yīng)電路的設(shè)計(jì)十分簡潔，要注意的是應(yīng)用軟件中要增加鍵盤消抖動(dòng)子程序，防止誤操作。 3.5、狀態(tài)顯示電路 同樣，狀態(tài)顯示電路的設(shè)計(jì)使用了 MC68HC908SR12 單片機(jī) PORT A（ PTA0 PTA5）端口的 LED 直接驅(qū)動(dòng)功能。編程時(shí)首先設(shè)置 PORT A 的工作狀態(tài)，在 LED 控制 寄存器 LEDA 中寫入相應(yīng)的值，寫入“ 1”表示可直接驅(qū)動(dòng) LED，寫入“ 0”表示作為標(biāo)準(zhǔn) I/O 端口。在充電的每個(gè)階段均有狀態(tài)顯示，如：電池處于正在充電狀態(tài)、電池因溫度過高進(jìn)入溫控狀態(tài)、電池快充結(jié)束轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)等。 4、軟件設(shè)計(jì) 本智能快速充電器的軟件設(shè)計(jì)思想是：各個(gè)功能組件實(shí)現(xiàn)模塊化編程，軟件流程采用中斷工作方式。目的是使應(yīng)用軟件流程清晰，可讀性強(qiáng)，易于功能調(diào)試以及產(chǎn)品的維護(hù)和升級。 本軟件主要由初始化、預(yù)處理、快速充電和 涓流充電四個(gè)部分組成。圖 5 LM92 與 SR12 單片機(jī) 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序 10 其流程如圖 6 所示。 4.1、初始化 在程序的初始階段應(yīng)首先對 MC68HC908SR12 單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，包括設(shè)置 I/O 端口的輸入輸出狀態(tài)，設(shè)置 PLL 鎖相環(huán)電路參數(shù)，設(shè)置TIM 定時(shí)器參數(shù)等等。 4.2、預(yù)處理 預(yù)處理階段是進(jìn)入快速充電前的準(zhǔn)備工作。 程序初始化后，首先 利用 MC68HC908SR12 單片機(jī)的內(nèi)部溫度 傳感器檢測環(huán)境溫度。環(huán)境溫度過低或過高時(shí)，均不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電，否則將損傷電池。例如： 鋰離子電池（ Li+）的適宜充電溫度范圍在 2.5 50之間。 然后，設(shè)置 A/D 轉(zhuǎn)換參數(shù)和通道，檢測電池的端電壓。將檢測數(shù)據(jù)同理論經(jīng)驗(yàn)值比較，判斷電池的類別以及是否連接正確。對端電壓低的電池，采用短時(shí)間的脈動(dòng)電流充電，這樣有利于激活電池內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)，部分恢復(fù)受損的電池單元。對端電壓在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池選擇相應(yīng)的充電控制模塊和算法，對端電壓不在標(biāo)稱范圍內(nèi)的電池，軟件自動(dòng)將其剔 除。 4.3、快速充電 按預(yù)定的充電控制模塊和算法設(shè)置 MC68HC908SR12 單片機(jī) PWM 的控制寄存器 PWMCR、時(shí)鐘寄存器 PWMCCR 以及數(shù)據(jù)寄存器 PWMDR0PWMDR2，打開中斷使能位，開始快速充電。 快速充電時(shí)， MC68HC908SR12單片機(jī) 必須不斷檢測以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：電路是否出現(xiàn)斷路、電池是否出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象、電池是否達(dá)到規(guī)定的安全電壓、電池是否溫度過高、電池是否滿足 - V或 T/ t條件。 其中電池的斷路主要通過檢測采樣電阻 Rsense上的電流大小來判斷。而且為了避免誤判斷，應(yīng)該反復(fù) 檢測。當(dāng)出現(xiàn)斷路時(shí)，應(yīng)重新返回預(yù)處理階段。斷路的判斷時(shí)機(jī)應(yīng)該在電池端電壓已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值的情況下進(jìn)行，否則在電池端電壓沒有達(dá)到預(yù)定值的情況下，充電電流比較小，可能出現(xiàn)誤判斷。 均衡充電是本智能充電器的另一個(gè)重要特點(diǎn)。在充電的過程中，由于電池的質(zhì)量不相同，容量小、質(zhì)量差的電池端電壓在充入相同電量后會(huì)出現(xiàn)電壓增長比另一個(gè)電池多的情況，如果不采取措施，它們的電壓差將會(huì)增大，以至其中一個(gè)電池很快達(dá)到規(guī)定的安全電壓，充電過程也將被迫停止。此時(shí)應(yīng)該停充電壓高的電池，即均衡充電。這樣有利于恢復(fù)電池內(nèi)受損的單元，使充電過程能 順利地進(jìn)行下去。 11 電池的端電壓檢測使用 MC68HC908SR12 單片機(jī)的片上 10 位高精度A/D 模塊，采用中斷控制方式，這樣可節(jié)省 MC68HC908SR12 單片機(jī)在A/D 轉(zhuǎn)換期間的等待時(shí)間。 端電壓檢測的數(shù)據(jù)，通過充電算法計(jì)算電池的電壓負(fù)增長 - V 是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改 MC68HC908SR12單片機(jī) PWM 的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。 電池的溫度檢測在端電壓檢測之后進(jìn)行。 MC68HC908SR12 單片機(jī)通過設(shè)置不同的地址編碼（ A1A0），訪問相應(yīng)的數(shù)字溫度傳感器 LM92，讀取溫度數(shù)據(jù)，通過充電算 法計(jì)算電池的溫度變化率 T/ t 是否滿足快速充電終止條件，時(shí)實(shí)修改 MC68HC908SR12 單片機(jī) PWM 的輸出參數(shù)，控制充電電流的大小。 為了防止電池被沖壞，在電池電壓到達(dá)最高端電壓 Vmax 或最高溫度Tmax時(shí)應(yīng)立刻停止充電，否則會(huì)損壞電池。 4.4、涓流充電 快速充電結(jié)束后， MC68HC908SR12 單片機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電模式，補(bǔ)償電池因自放電而損失的電量，這樣可使電池總處于充足電的狀態(tài)。 5、結(jié)束語 經(jīng)過幾個(gè)月的設(shè)計(jì)和調(diào)試，以 MC68HC908SR12 單片機(jī)為控制核心的智能快速充電器已能正常工作。由 于 SR12 具有良好的性能價(jià)格比，將其特有的模擬電路模塊、高精度 A/D 轉(zhuǎn)換 、 I2C 總線接口以及高速 PWM 等功能運(yùn)用到充電控制中，有效使用了 SR12 的片內(nèi)外功能， 增加產(chǎn)品的智能化和實(shí)用性， 節(jié)省了產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用，降低了生產(chǎn)成本， 同時(shí)也提高了產(chǎn)品的一致性和可靠性。 12 開 始 系統(tǒng)初始化 檢測環(huán)境溫度 在充電范圍？ 否 是 檢測電池 判斷電池類型和狀態(tài) 選擇充電模塊和算法 PWM 輸出 中斷等待 鍵盤中斷 按鍵消抖 判斷鍵值 中斷 返回 誤動(dòng)作 Rsense 中斷 電流過大？ 否 電流為零？ 否 是 已充滿？ 否 是 斷路檢查 依據(jù)算法 修改參數(shù) 中斷 返回 檢測電池電壓 第一節(jié)斷路？ 否 斷開第一節(jié)電池 第二節(jié)斷路？ 否 斷開第二節(jié)電池 第三節(jié)斷路？ 否 斷開第三節(jié)電池 第四節(jié)斷路？ 否 斷開第四節(jié)電池 中斷 返回 TIM 2 中斷 設(shè) 置 涓流 充 電 參數(shù) 中斷 返回 測量Rsense 依據(jù)算法 修改參數(shù) 中斷 返回 TIM 1 中斷 是 中斷 返回 暫停充電 tmax？ 否 是 中斷 返回 置滿標(biāo)志 A/D 轉(zhuǎn)換 電池溫度檢測 Vmax？ 是 中斷 返回 置滿標(biāo)志 Tmax？ 計(jì)算 - V 是 中斷 返回 置滿標(biāo)志 計(jì)算 T/t 已充滿？ 否 是 置滿標(biāo)志 圖 6 軟件流程圖 是 是 是 是 13 小詞匯表非特定人語音識別通用模塊的實(shí)現(xiàn) 摘要： 本文介紹了一種基于動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整（ DTW）方法的小詞匯表非特定人語音識別通用模塊。系統(tǒng)采用 Motorola公司 DSP56F805芯片為核心，應(yīng)用線性預(yù)測編碼（ LPC）與動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整（ DTW）算法進(jìn)行非 OOV(out of vocabulary)語音識別。測試表明，有良好的實(shí)用性。 關(guān)鍵詞： LPC， DTW，語音識別 1引言 隨著時(shí)代的發(fā)展，人們越來越注重生活的品質(zhì)。便捷時(shí)尚成為當(dāng)代人們的追求目標(biāo)。信息家電的概念由此應(yīng)運(yùn)而生。越來越多的廠商投入到信息家電的行列中來。所有人都意識到了，在目前的市場中不能再依靠單純的降價(jià)來進(jìn)行競爭。沒有高新信息技術(shù)的支撐，就根本無法贏得這個(gè)有限的市場。由于受地域和語言等因素的限制，目前語音技 術(shù)在該領(lǐng)域的運(yùn)用還很少。因此，一款實(shí)用有效的語音技術(shù)產(chǎn)品將會(huì)有一個(gè)廣闊的前景。 在此背景下，我們采用 LPC和 DTW作為核心算法，開發(fā)了一套度從語音采樣，訓(xùn)練，到識別的完整語音識別開發(fā)系統(tǒng)?？梢詮V泛的應(yīng)用在各種小詞匯表情況下的人機(jī)交互界面上。用戶可以按照指導(dǎo)，在沒有語音處理論知識的情況下，依照自己意愿，適當(dāng)?shù)倪x擇適合自己要求的詞匯，從而開發(fā)出一整套自己的語音識別系統(tǒng)。 2系統(tǒng)概述 2.1 特性 以 DSP56805 芯片為核心運(yùn)算與控制模塊 8位精確 A/D采樣 模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)移植與升級 表演模塊以 LCD作為交互界面直觀清晰； 表演模塊代碼與系統(tǒng)其他部分相互獨(dú)立，適應(yīng)更廣泛應(yīng)用 2.2 系統(tǒng)概述 整個(gè)設(shè)計(jì)由兩個(gè)部分組成：語音采樣訓(xùn)練系統(tǒng)和語音識別系統(tǒng)。 14 語音采樣訓(xùn)練系統(tǒng)主要完成語音模板的建立，是語音識別系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)。由 DSP部分， PC機(jī)部分，以及相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)。首先由 DSP部分采樣語音數(shù)據(jù)，通過串行通訊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC；然后在 PC上進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的處理與聚類，得到語音數(shù)據(jù)模板。 語音識別系統(tǒng)則是建立在可靠的語音數(shù)據(jù)模板基礎(chǔ)上，將采樣得到的語音數(shù)據(jù)與模板進(jìn)行匹配，從而得到可靠識別結(jié)果。 圖 1：系統(tǒng)示 意圖 2.3 DSP56F805簡介 DSP56F805 是 Motorola 公司的 DSP 芯片，與本系統(tǒng)相關(guān)的主要特點(diǎn)如下： a. 40MIPS b. 兩路內(nèi)置 ADC c. 31.5K-16bit 程序 FLASH； 16 位地址 /數(shù)據(jù)總線，最大外接 2 64K-16bitRAM/FLASH d. 兩路中斷 IRQA/IRQB e. 14條專用 I/O引腳， 18條共用引腳 f. 3.3v 供電 g. 144-pin LQFP封裝 2.4 語音識別的基本原理 語音識別通常由以下兩個(gè)部分組成： 1） 預(yù)處理 15 2） 特征提取 3） 模式識別 圖 2：語音識別 2.4.1 預(yù)處理 端點(diǎn)檢測 1 常用的預(yù)處理 有數(shù)字濾波以及端點(diǎn)監(jiān)測，在本系統(tǒng)中我們使用了端點(diǎn)檢測來確定語音數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)和終點(diǎn)。 語音端點(diǎn)起點(diǎn)檢測一般常用雙門限前端檢測法。由于本系統(tǒng)采用交流到直流變換的供電設(shè)計(jì)，無法避免的造成了 50Hz左右的干擾。因此，根據(jù)多次試驗(yàn)的結(jié)果，我們采用的單一的短時(shí)能量作為我們檢測語音標(biāo)準(zhǔn)：即，當(dāng)采樣得到的短時(shí)能量大于一定閾值時(shí)，我們就認(rèn)定此時(shí)語音已經(jīng)開始。然后以該點(diǎn)為基準(zhǔn)，向前取既定幀數(shù)。這樣我們認(rèn)為就已經(jīng)獲得了語音的起點(diǎn)。 由于漢語的特殊性，語音的終點(diǎn)獲得可以直接計(jì)算短時(shí)能量得到。只要短時(shí)能量低于平均能量的 1/16就可以 認(rèn)定此時(shí)已經(jīng)是語音信號的終點(diǎn)了。即便是丟點(diǎn)后續(xù)的部分信號，也不會(huì)對處理帶來影響。在本系統(tǒng)中，為了計(jì)算上的方便，我們同樣對終點(diǎn)也設(shè)定了一個(gè)由經(jīng)驗(yàn)得到得閾值來判斷是否到達(dá)了語音的終點(diǎn)。 語音短時(shí)能量計(jì)算方法： mn mnwmxE2)()(其中， x(m)為一維語音信號， w(m)為窗函數(shù)。 16 2.4.2 特征提取 線性預(yù)測編碼（ LPC） 2 線性預(yù)測編碼（ LPC）是目前眾多特征提取方法中的一種，主要特點(diǎn)是運(yùn)算簡單，易于實(shí)現(xiàn)代碼的優(yōu)化，運(yùn)算速度快。 我們定義線性預(yù)測器 pkk knSanS1 )()( （ S(n)為輸入信號的 Z變換）則其中 a1ap即為系統(tǒng)所求的的特征矢量。本系統(tǒng)中，為了配合 DSP的定點(diǎn)計(jì)算，我們采用舒爾算法（參見參考文獻(xiàn) 2）解求特征矢量。 2.4.3 模式識別 動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整（ DTW） 3 動(dòng)態(tài)時(shí)間歸整（ DTW）算法和隱含馬可夫模型（ HMM）是目前應(yīng)用的比較廣泛的兩種模式識別算法。 DTW算法是一種模板匹配的算法，考慮了個(gè)人說話時(shí)間上的差別，即對于同一個(gè)詞，不同人在不同時(shí)刻說的時(shí)間長度上的不同做了考慮。設(shè)參考模板特征序列為 A = a1, a2, ,aI ，輸入語音特征矢量序列為 B = b1, b2, ,bJ ,I J。 DTW算法就是要尋找一個(gè)最佳的時(shí)間規(guī)整函數(shù)，使得語音輸入 B的時(shí)間軸 J映射到參考模板 A的時(shí)間軸 I上，使得總的累計(jì)失真最小。 2.4.4 語音模板的訓(xùn)練 要運(yùn)用 DTW算法進(jìn)行語音識別，首先得到一個(gè)比較可靠的模板。模板的好壞，直接影響系統(tǒng)的識別能力。目前，比較常用的方法是用多次采樣聚類的方法?；舅惴ㄊ牵紫炔蓸拥玫蕉鄠€(gè)不同的樣本（樣本要求盡可能的能夠代表所需要識別的對象群體）；然后，對于所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提?。蛔?DTW以及 DTW回溯，對回溯落到同一幀的所有特征矢量 進(jìn)行聚類；將聚類結(jié)果作為系統(tǒng)的語音模板。 3. 系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)硬件電路主要分為以下幾個(gè)部分： 1）通訊電路模塊 4：主要實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)對 PC的傳輸；采用AMD3311。 TXD0,RXD0接入 DSP的 SCI0。 17 圖 3：通訊模塊 2）麥克風(fēng)及采樣電路：采用 LM324作為放大電路核心，麥克風(fēng)采用價(jià)格低廉的單一指向駐極電容。放大后信號輸出到 DSP的 ADC端口轉(zhuǎn)換成 8位有效數(shù)據(jù)。 圖 4：麥克風(fēng)及采樣模塊 3）表演模塊：采用 TOSHIBA240*64圖形 LCD模塊 (TLX-1781-C3B) 18 演示系統(tǒng)處理情況 及識別結(jié)果；表演模塊獨(dú)立于其他模塊；可視情況選擇安裝。 圖 5： LCD引腳 4） LED模塊：用來標(biāo)志系統(tǒng)狀態(tài)。 圖 6： LED的連接 5） 核心模塊：以 DSP56F805芯片為核心處理及控制器。 4 19 圖 7：模塊框圖 6）電源電路：電源電路主要由三個(gè)部分組成 放大與采樣電路供電。由于對采樣的特殊要求，為了提高采樣的精確度，系統(tǒng)對采樣電路和 DSP電路采用分別供電的方法。 圖 8：放大與采樣供電電路 DSP供電電路。 20 圖 9： DSP供電電路 LCD供電電路。 LCD要求有可調(diào)的負(fù)電壓供電，以調(diào)節(jié)液晶的顯示亮度。 圖 10： LCD Vee 供電電路 4. 系統(tǒng)軟件 軟件主要由一系列子程序模塊構(gòu)成；分為 PC端子程序和 DSP端子程序兩類。 4.1 系統(tǒng)子程序 4.1.1 DSP端子程序 21 4.1.1.1 語音采樣 根據(jù)語音學(xué)原理，對于要求不高的場合（如電話），采用 8kHz采樣已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)度語音的處理和識別。在本系統(tǒng)中我們采用了8kHz的 8bit采樣。 4.1.1.2 LCD驅(qū)動(dòng) 采用 TOSHIBA240*64圖形 LCD模塊 (TLX-1781-C3B)，其核心使用了 T6963C控制芯片。系統(tǒng)通過 GPIOB07和 GPIOD0,1,3來控制液晶模塊；連接參見硬件部分， LCD顯示及控制指令請參考 TLX-1781-C3B使用手冊。 4.1.1.3 語音處理模塊 A 語音處理 DSP端模塊包括 LPC， DTW，端點(diǎn)（起點(diǎn) &終點(diǎn)）檢測三個(gè)子程序。 4.1.1.4 IRQA/B響應(yīng) 我們通過 IRQA/B來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)按鈕；通過這兩個(gè)按鈕，我們可以控制系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，表演狀態(tài)或者是閑置狀態(tài)。 4.1.1.5 通訊模塊 在語音采樣系統(tǒng)中，我們將處理后數(shù)據(jù)傳送到 PC上進(jìn)行聚類處理。通訊模塊主要負(fù)責(zé)與 PC的 RS232端口進(jìn)行通訊。為了保證 傳送數(shù)據(jù)的可靠性，我們在通訊中采用一次握手的通訊方式。 4.1.1.5 LED控制 采用 LED來顯示系統(tǒng)所處的狀態(tài)。 4.1.2 PC端子程序 4.1.2.1 語音處理模塊 B 語音處理 PC端模塊包括 DTW， DTW回溯，聚類三個(gè)子程序。 4.1.2.2 通訊模塊 接受 DSP傳送來的語音數(shù)據(jù)，通訊采用一次握手的方式。 4.2 系統(tǒng)軟件流程 4.2.1 語音數(shù)據(jù)模板獲得流程 獲得語音數(shù)據(jù)模板需要用到 DSP和 PC兩個(gè)部分，基本流程見圖 22 11。 圖 11： 語音數(shù)據(jù)模板獲得流程 4.2.2 語音識別系統(tǒng)工作流程 將得到模板下載到識別系統(tǒng)中。識別系統(tǒng)主要工作于如下的自動(dòng)機(jī)中： 圖 12：識別系統(tǒng)自動(dòng)機(jī) 4.2.2.1 待機(jī)狀態(tài)（ Idle） 23 在待機(jī)狀態(tài)下，除了 IRQA與 IRQB，系統(tǒng)不處理任何輸入。 4.2.2.2 準(zhǔn)備狀態(tài)（ Ready） 在本狀態(tài)下，工作流程基本如下： 圖 13： Ready狀態(tài)下系統(tǒng)工作流程 4.2.2.3 工作狀態(tài)（ Work） 在工作狀態(tài)下，系統(tǒng)檢測語音輸入，并對輸入進(jìn)行識別，做出判斷，輸出可靠程度； 24 圖 14： Work狀態(tài)下的系統(tǒng)工作流程 參考文獻(xiàn) 1 易克初，田斌，付強(qiáng) . 語音信號處理 . 國防工業(yè)出版社 . 2000 2 楊行峻，遲惠生 . 語音信號數(shù)字處理 . 電子工業(yè)出版社 . 1995 3 Lawrence Rabiner, Biing-Hwang Juang. 語音識別基本原理（ Fundmantals of Speech Recognition） . 清華大學(xué)出版社&Prentice Hall. 1999 4 Motorola參考資料： DSP56F805 Evaluation Module Hardware Users Manual 25 基于 DSP56F827 的聲控收音機(jī) 摘要： 本文首先介紹了語音識別和軟件無線電的基本原理。設(shè)計(jì)了一種基于語音識別和軟件無線電的新型聲控收音機(jī)。該收音機(jī)是以 Motorola 的 DSP56F827 為核心，應(yīng)用 HMM 模型和超外差式接收原理，本設(shè)計(jì)具有新穎和便攜的特性。文中還簡單介紹了Motorola 的 DSP56F827 的特性以及與 TMS320C54 的區(qū)別。 關(guān)鍵字： DSP；語音識別；軟件無線電；聲控收音機(jī) Voice Control Radio Based on DSP56827 Cui Tao， Qiao Ruiping (School of Electronic and Information Engineering， Xian Jiaotong University， Xian 710049， China) Abstract: At first, the methods of speech recognition and radio software are summarized in this paper. Then a hardware structure of Voice Control Radio, which adopts DSP56F827 as its main CPU, is introduced. This design is very novel and small in size. In the paper, the features of DSP56F827 that are different from TMS320C54 are also introduced. Finally we also give the software flow chart in the end. Keywords: DSP; Speech recognition; Radio Software 引言 語言是人們交流的最直接的方式 ，語音交流的自然與舒適使得人們寧愿用語音界面與計(jì)算機(jī)交互，而不是通過鍵盤等低級的方式 。 尤其是對于中文等雙字節(jié)表示的語言 ， 輸入成了相當(dāng)一部分人的使用計(jì)算機(jī)的瓶頸。語音界面能支持很多應(yīng)用。比如，電話簿查詢，數(shù)據(jù)庫語音查詢，辦公聽寫系統(tǒng)，甚至機(jī)器語音翻譯系統(tǒng)等等。這些應(yīng)用背景促進(jìn)了五十年代以來自動(dòng)語音識別的研究。近四十年間，應(yīng)用一系列的工程方法 模板匹配，知識工程， 26 統(tǒng)計(jì)模型等，語音識別研究取得了很大進(jìn)展。 軟件無線電是最近幾年在無線通信領(lǐng)域提出的一種新的通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，它的基 本思想是以開放性，可擴(kuò)展性，結(jié)構(gòu)最簡的硬件為通用平臺，把盡可能多的通信功能用可升級，可替換的軟件來實(shí)現(xiàn)。而軟件的加載或更新可以通過空中接口實(shí)現(xiàn)，所以使用起來更加快捷方便。 聲控收音機(jī)就是用這些原理，在 DSP 平臺上開發(fā)的新型的，方便的收音機(jī)。其中， DSP 是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，主要完成語音識別算法和解調(diào)算法。 1. 聲控收音機(jī)的原理 1.1 語音識別的基本原理 語音識別就是研究如何使機(jī)器能準(zhǔn)確地聽出人的語音及其內(nèi)容，以便控制其它設(shè)備來滿足人類的各種需要。語音識別的基本方法是預(yù)先分析出語音特征，按照要求送給機(jī)器儲(chǔ)存起來，這個(gè)語音參數(shù)庫稱為“模板庫”，而這個(gè)過程稱為“ 訓(xùn)練 ”。接著，待識別的語音經(jīng)過與訓(xùn)練相同的分析，得到 語音參數(shù) ，將它與模板庫中的模板一一進(jìn)行比較，失真最小的那個(gè)模板所代表的內(nèi)容，就是識別結(jié)果，這個(gè)過程就稱為“識別”。 一個(gè)孤立詞識別系統(tǒng)的識別原理可以由圖 1來表示。 圖 1 孤立詞識別系統(tǒng)原理框圖 為了描述一個(gè)給定信號的性質(zhì)，一般可以選擇不同的信號模型。信號模型粗略的可以分為確定模型和統(tǒng)計(jì)模型兩大類。確定模型通常要利用信號的某些已知的特定性質(zhì)，而統(tǒng)計(jì)模型要描述信號的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。統(tǒng)計(jì)模型的基本假設(shè)是：信號可以用一個(gè)參數(shù) 27 隨機(jī)過程來很好的加以描述，而且這個(gè)隨機(jī)過程的參數(shù)可以用精確的很容易定義的方法加以確定或估計(jì)?？紤]到語音信號的種種特點(diǎn)，相比較而言，采用統(tǒng)計(jì)模型會(huì)較為合適，目前發(fā)展最快，使用最廣的統(tǒng)計(jì)模型就是隱式馬爾可夫模型 (HMM)。 當(dāng)采用統(tǒng)計(jì)模型來描述語音時(shí)，設(shè) A 為待識別語音的聲學(xué)信號， W 為識別基元組成的句子 (即基元序列 )，則語音識別的最終目的可以表示為是求解 W = a r g m a x P ( W |A ) （ 1-1） 其中 W 是從眾多的侯選中找到的識 別結(jié)果。 利用 Bayes 公式改寫上式，有 P ( W ) P ( A | W )P ( W | A ) = P ( A ) （ 1-2） W = a r g m a x P ( W ) P ( A | W ) （ 1-3） 因?yàn)槭窃?A 確定的情況下選 W，所以 P(A)與 W 無關(guān)。 P(W)是語言模型的匹配結(jié)果， P(A/W)則是聲學(xué)模型匹配得來的結(jié)果。因此，總體來講，語音識別的關(guān)鍵技術(shù)包括自適應(yīng)濾波，斷點(diǎn)檢測，語音建模等。 1.2 HMM 算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用 1.2.1 噪聲環(huán)境中基于短時(shí)分形的語音信號端點(diǎn)檢測和 濾波方法 在噪聲語音信號的處理中，噪聲語音信號中的語音和非語音段的判定，即噪聲語音信號的語音端點(diǎn)檢測，是語音處理系統(tǒng)中非常重要的工作，也是極其關(guān)鍵的一步工作。因?yàn)椋谡Z音分析、語音濾波和增強(qiáng)中，語音信號的模型參數(shù)和噪聲模型參數(shù)以及自適應(yīng)濾波器中的適應(yīng)參數(shù)都得依賴對應(yīng)的信號段 (語音段或噪聲段 )來計(jì)算確定。因此，只有準(zhǔn)確地判定語音信號的端點(diǎn)，才能正確地進(jìn)行語音處理。為了提高起止點(diǎn)檢測的準(zhǔn)確性，這里提出了一種非線性處理方法，即信號的短時(shí)分形維維數(shù)（ Short-time Fractal Dimension）來進(jìn) 行噪聲語音信號的端點(diǎn)檢測。 二維空間的時(shí)間信號圖形的分形維數(shù)的物理含義是：在平面 28 空間 2R 中，設(shè)有復(fù)雜曲線 L（如語音信號波形），以長度為 r 的直線段去測量 L，設(shè)需要的線段數(shù)為 N ，則使得測量值 dN(r) r不依賴于 r 的大小而取有限值的實(shí)數(shù) d，則稱 d 為平面圖形 L 的分形維維數(shù)。即： 0lim N(r)=Cr（ C 為常數(shù) ） (1-4) 亦即： l g N ( r ) = - d l g r + l g C ( r 0 ) (1-5) 由于直接應(yīng)用（ 1 5）式求時(shí)間序列信號的分形維維數(shù) d 是很困難的。因此，一般都將上述平面圖形 L 的分形過程改用盒分形或網(wǎng)格分形。由于網(wǎng)格分形是一種簡單實(shí)用的圖形分形方式，特別適合于計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理，在數(shù)字圖像和語音處理中也有人進(jìn)行了研究和應(yīng)用。 將語音信號 x(t)數(shù)字化為 x(i)，并將其按一定時(shí)間長度進(jìn)行分幀處理?？紤]到語音的特點(diǎn)，在 20ms 內(nèi)信號近似平穩(wěn)。同時(shí)又兼顧計(jì)算量和信號 x(i)的時(shí)變性，幀長一般控制在 128 點(diǎn)左右（分形 的 理 論 要 求 是 長 度 K 要長， K ）， 即 k k k kx ( 1 ) , x ( 2 ) , x ( 3 ) , , x ( 1 2 8 )L，組成第 k 幀信號k k - 1 k k + 1( x ( 0 ) = x ( 1 2 8 ) , x ( 1 2 9 ) = x ( 1 ) )。 令 128k i = 1D ( ) = | x ( i ) - x ( i + 1 ) | （ 1-6） 64k k = iD ( 2 ) = m a x x ( 2 i - 1 ) , x ( 2 i ) , x ( 2 i + 1 ) - m i n x ( 2 i - 1 ) , x ( 2 i ) , x ( 2 i + 1 ) （ 1-7） 以及 kkN ( )= D ( )/ (1-8) 29 kkN ( 2 ) = D ( 2 ) / 2 (1-9) kN( )，kN (2 )分別表示用寬度為 及 2 的正方形網(wǎng)格覆蓋第 k幀信號圖形所需要的網(wǎng)格格子數(shù)。 則 x(i)第 k 幀的短時(shí)分形維維數(shù) (k)Fd為： k k k F 2kl g N ( ) - l g N ( 2 ) D ( )d 1 l o gl g 2 D ( 2 ) (1-10) (1-10)式是用于動(dòng)態(tài)計(jì)算 x(i)的分形維維數(shù)的近似平均算法。 設(shè) x(i)是數(shù)字化的噪聲語音信號的