智能玩具的设计-聪明宝宝

1 引言
    智能化已成为玩具行业的新趋势，让语音技术融入到玩具中，不仅可以赋予玩具“听”“说”的交流能力，使其更加生动、智能，还有利于在儿童中普及现代科学技术，推动语音技术产业化的发展。一些领先技术被应用于今天的玩具领域如：无线电、红外通讯、传感器、语音识别等等。
    本文介绍的是基于SPCE061A的一种具有语音识别功能的玩具产品，并着重介绍了软硬件设计方法。

2 系统结构
    硬件结构框图如图 2.1所示：主要由按键输入电路、触摸键输入电路、直流电机驱动电路、光敏器件输入电路、单片机最小系统等部分组成。

图 2.1 系统整体框图 

    整个系统工作于4.5V电压下，由3节5号电池提供4.5V电压，经过SPY0029稳压到3.3V为单片机系统供电。 整个系统在无操作时，处于睡眠状态，当3个按键、2个触摸键被触发时，睡眠被唤醒，进入相应的操作，执行完操作后1分钟内无任何按键触发，则再次进入睡眠。光敏器件在睡眠前不断采集光线强度，如果跟环境光线有较大变化，则会进入语音识别模式，MIC、直流电机、扬声器则是各动作的相应辅助器件。

3 硬件电路设计
3.1 微控制器电路
    控制器采用凌阳科技公司的SPCE061A，其硬件资源分配见表 3.1。 
          表3.1 硬件资源分配表

3.2 键盘输入电路
    键盘输入电路如图 3.1所示，当有键按下时，对应的IO口被拉到高电平，CPU处理后做相应处理。

图 3.1 键盘输入电路

3.3 触摸键输入电路
    触摸键主要由555集成电路来实现，其原理如图 3.2所示，左边的触摸片为金属铜片，正常情况下，人本身会产生幅度为80~100mv的正弦波电压，当人手触摸到金属片时，产生的感应电压叠加在偏置电压上(偏置电压设置在0.6V)，使得三极管导通，触发555集成电路使之3脚产生单稳态输出，从而系统从睡眠状态被唤醒。

 图3.2 触摸键输入原理

3.4 光感输入电路
    光照感应电路由电阻与光敏电阻器组成。光敏电阻器是一种受光照射导电能力急剧增加的电子元件。常用的型号为MG45，适用于可见光谱范围（0.4～0.76μm），亮电阻≤2～10kΩ，暗电阻≥1～10MΩ。使用时，耗散功率不要超过10mW，例如工作电压在5V时，通过的电流不应超过2mA。另外，应避免强光长时间照射，防止光敏材料老化。 在环境光照强度下，采集一个标准值，然后在主循环中，不断采集比较，当变化比较大的时候，意味着有手挡着，则进入相应的辨识子程序。 接口电路如图 3.3所示。[page]

图3.3 光感输入电路

3.5 直流电机驱动电路
    直流电机控制电路比较简单。由I/O口输出信号，通过NPN型三极管8050反相驱动电路去控制电机。其控制电路如图 3.4所示。二极管起保护作用，防止电机的反向电流过大击穿器件。

图3.4 直流电机控制电路

3.6 MIC输入电路和扬声器输出电路
    MIC采用驻极体电容话筒，这种话筒具有灵敏度高、无方向性、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等特点。SPCE061A内置专门用于语音信号采集的具有自动增益控制放大器（AGC）的麦克风输入通道（MIC_IN）。语音信号经麦克风转换成电信号，由隔直电容隔掉直流成分，然后输入至内部前置放大器，最后通过ADC转换成数字信号。 扬声器采用一般的喇叭，电压不超过5V。凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，61板自带音频放大电路，所以外接一喇叭即可。

4 软件设计
4.1 主程序流程及说明
    整个系统的外部输入包括：按键、触摸键、感光控制及语音控制，其中语音控制需等到感光唤醒之后才能进行。当各控制键触发后，系统从睡眠状态唤醒，通过判断标志位，进入相应的处理子程序，之后在主程序中不断检测，1分钟内若无任何操作，则再次进入睡眠状态。 具体程序中，通过判断gKeyDoubleUseSign的值来确认执行何种操作，当为1时，进入键处理子程序；为2时，进入复用键处理程序；为0时，不执行任何操作，认为是出错或出现异常情况。在键处理子程序中，根据标志位gKeyID来判断进入哪一个处理程序，如表 4.1所示。
                               表4.1

    主程序包括端口的初始化，提示语音的播放，主循环以及进入睡眠状态前中断的初始化、端口的初始化。 主循环包括：键扫描，判断标志位及相应子程序，AD转换及比较。 端口的初始化包括A口和B口的初始化，A口的IOA0~IOA4设置为带唤醒的下拉电阻输入，IOA6设置为悬浮输入的光敏器件输入端；B口的IOB9设置为低电平输出，作为TimerA脉宽调制输出；其余未使用的端口设置为低电平输出。 提示语音的播放即“您好”的播放，主要应用于系统重新启动以及复位键的触发，在这里，复位键既可当一个功能按键来使用，也可以在系统无反应时当作重启键来使用。 进入睡眠状态前的系统初始化包括：端口A口的重新初始化，保证系统运行的可靠性；唤醒中断的允许、开中断；睡眠信号的写入。 其主流程见图 4.1：

图 4.1 主程序流程图

4.2 S480语音播放子程序
    SACM-S480自动方式程序流程如图 4.2：

图 4.2 SACM-S480自动方式程序流程

4.3 语音的识别及训练程序流程图
    语音的识别取材于凌阳语音库bsrv222SDL.lib及相关头文件，如bsrSD.h。SPCE061只有特定发音人模式，即只能辨识特定的使用者，辨识前需由单个人训练，且最多识别6条命令，序号范围从0x100到0x105，每条命令只有1.3秒，超出了1.3秒只有前1.3秒命令有效。在本系统中，利用通过光敏电阻的暗电阻较大，分压值也较大的原理，产品触发后通过AD采样，与原环境光线采集值比较有较大变化时，置标志位，从而在主循环中进入识别模式。而训练模式通过左手按键经IOA0触发，训练模块和语音识别框图如下所示：

图 4.3 训练模块

图 4.4 语音识别框图

    在辨识主循环中，辨识得到确认后就可以执行相应的处理子程序，整个流程如图4.5所示。 [page]

图 4.5 语音辨识处理子程序

4.4 按键动作执行子程序
    当外部输入的按键、触摸键触发时，进入睡眠唤醒中断。在中断中获取光敏器件采集到的AD值，主程序中扫描键盘，将取得的键值写入gKeyID，再根据gKeyID寄存器来判断到底进入哪个子程序。具体的执行子程序如下各图所示：

图 4.6 左手按键处理子程序

图 4.7 背部按键、肚子上触摸键处理子程序

图 4.8 脸部触摸键处理子程序

图 4.9 右手键处理子程序

4.5 中断及键处理子程序
    在本系统中利用了FIQ_TMA快速中断、IRQ3_KEY、IRQ5_4HZ共4个中断。各中断的作用及返回值如表 4.2所示： [page]
               表 4. 2

图 4.10 FIQ_TMA中断服务子程序

图4.11 4HZ时基中断服务子程序

    在图 4.12中，语音辨识子程序执行的是BSR_FIQ_Routine（），而语音播放子程序执行的是F_FIQ_Service_SACM_S480（）。

图 4.12 IRQ3_KEY中断

5 结语
    系统用凌阳SPCE061A十六位单片机实现体现了它的极大优越性，集中体现在实现功能齐全、内部资源丰富、外围电路简单等方面。编程采用C和汇编混合编程来实现，集两种语言之优点于一体，它们的完美结合极大限度地简化了编程过程，丰富了编程思想，给开发者带来了莫大的方便。而凌阳单片机提供了很好的语音播放和录制机制以及简单的API接口编程，使得用凌阳单片机开发产品简单快捷。

6 参考文献
[1] 凌阳大学计划网站
[2] 雷思孝、李伯成、雷向莉，单片机原理及实用技术—凌阳16位单片机原理及应用 陕西：西安电子科技大学出版社