摘  要：本文主要介紹凌陽十六位單片機(jī)SPCE061A和SACM_S480語音壓縮算法以及外部存儲器SPR4096應(yīng)用于兒童益智產(chǎn)品－早教機(jī)上的實現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞：凌陽SPCE061A     SPR4096    早教機(jī)

1 引言
    本產(chǎn)品的核心芯片采用凌陽十六位單片機(jī)SPCE061A，并以SACM_S480語音壓縮格式對語音進(jìn)行處理，實現(xiàn)語音存儲的功能。因語音資源較大，我們使用SPR4096作為外部存儲器存儲早教機(jī)所需的語音資源。本設(shè)計方案具有圖片檢測、學(xué)習(xí)、測試、復(fù)讀、下載、積分、播報、自動休眠等諸多功能。產(chǎn)品操作簡單，安全方便，互動性、趣味性強(qiáng)，能夠激發(fā)孩子的求知欲、培養(yǎng)孩子的語言交流能力、動手能力和邏輯思維能力、增強(qiáng)孩子對客觀事物的認(rèn)識。

2 SPR4096特性簡介
    因為SPCE061A的FLASH只有32Kwords，要存放大量的語音資源，就需要外擴(kuò)存儲器。這里介紹一種用SIO擴(kuò)展串行存儲器的方法。本方案采用凌陽公司的SPR4096芯片進(jìn)行設(shè)計。（詳細(xì)說明可以參見凌陽公司的SPR4096 data sheet）。SPR4096是一個高性能的4M-bit（512K×8-bit）總線FLASH，分為256個扇區(qū)（Sector）每個扇區(qū)為2K-byte。SPR4096還內(nèi)置了一個4K×8-bit的SRAM。在進(jìn)行FLASH的編程/擦除的時候，可以并發(fā)執(zhí)行SRAM的讀/寫。SPR4096內(nèi)置了一個總線存儲器接口和一個串行接口，它允許單片機(jī)通過8-bit并行模式或者1-bit的串行模式訪問FLASH/SRAM存儲區(qū)。本例使用串行模式，其接口的工作頻率為5MHz。SPR4096有兩個電源輸入端VDDI和VDDQ。VDDI為內(nèi)部FLASH和控制邏輯供電；VDDQ專門為I/O供電。SPR4096最大讀電流為2mA，最大編程/擦除電流為6mA。

圖 2.1  SPR4096模塊結(jié)構(gòu)圖

    圖 2.1是SPR4096的模塊結(jié)構(gòu)圖。它包含了幾個部分：總線存儲器接口，串行接口，SRAM，編程與擦除控制器和一個4M的FLASH。選擇串行接口時，SCLK作為時鐘信號線，SDA作為1-bit的數(shù)據(jù)線。如果接收到FLASH的讀指令或者SRAM的讀/寫指令，串行接口可以直接從內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)。但是，如果接收到FLASH的編程或擦除指令，串行接口會把這些指令傳給編程和擦除控制器，讓編程和擦除控制器去完成相應(yīng)操作。
    串行接口模式的選中是通過設(shè)置CF2～CF0來實現(xiàn)的。當(dāng)CF2～CF0均接高電平時，選中的就是串行接口模式。在串行接口模式下，CF7為低電平時選中FLASH，高電平時選中SRAM。
    圖 2.2是SPR4096和SPCE061A的連接圖。SPR4096的SCK接SPCE061A的IOB0，SDA接SPCE061A的IOB1。CF0～CF2接高電平，選擇串行接口模式；CF7接低電平，選中FLASH。

圖 2.2  外部存儲器SPR4096電路

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
    硬件組成框圖如圖 3.1所示：主要由凌陽16位單片機(jī)SPCE061A最小系統(tǒng)板、總線式FLASH存儲器SPR4096、按鍵輸入電路、語音輸出電路、串口通訊電路、顯示電路等部分組成。SPCE061A最小系統(tǒng)，其外圍電路主要包括電源、晶振振蕩電路、音頻輸出電路和復(fù)位電路。（SPCE061A有足夠的I/O口和程序存儲容量以及強(qiáng)大的語音處理功能，因此綜合考慮SPCE061A為我們的最佳選擇）。

圖 3.1  控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

4 硬件電路設(shè)計
4.1 功能鍵模塊電路原理圖
    功能鍵采用共地的方法，設(shè)置IOB3--IOB6為帶上拉的輸入，當(dāng)有按鍵按下時，相應(yīng)端口被拉為低電平，為能及時的發(fā)現(xiàn)功能鍵的狀態(tài)，將IOB3和IOB6相與后送入外部中斷1，使之能夠迅速響應(yīng)。

圖 4.1  功能鍵連接圖

4.2 卡片識別鍵電路原理圖
    卡片識別鍵，考慮在睡眠狀態(tài)下插入卡片即可喚醒CPU，所以采用具有喚醒功能的IOA0—IOA6作為卡片識別鍵的輸入。由于硬件原因，我們將SW1用于識別卡片的奇偶頁，SW2―SW7依次用于識別卡片的０―５位，為方便計算及減小程序運算量，采用如下硬件接法。

圖 4.2  卡片識別鍵連接圖

4.3 內(nèi)容識別鍵電路原理圖
    內(nèi)容識別鍵：采用2行3列的矩陣式鍵盤，通過掃描IOB11—IOB15的狀態(tài)來判斷有無按鍵按下。

圖 4.3  內(nèi)容識別鍵連接圖

4.4 顯示部分電路原理圖
    采用3位共陰極LED作為顯示，為保證LED的亮度，我們在位選端添加三極管8550以提高驅(qū)動能力。

圖 4.4  顯示部分硬件原理圖

4.5 串行通訊接口電路原理圖
    SPCE061A的UART模塊提供了一個全雙工標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，用于完成SPCE061A與外設(shè)之間的串行通訊，利用IOB口特殊功能和UART的IRQ中斷可以同時完成接口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，該端口采用MAXIM232作為主要元器件來完成電平的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)SPCE061A與PC機(jī)之間的通訊。

圖 4.5  232接口電路原理圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
5.1 主程序流程及說明
    主程序包括系統(tǒng)初始化和一個主循環(huán)，其中主循環(huán)主要負(fù)責(zé)檢測外部按鍵狀態(tài)。當(dāng)有按鍵動作時，轉(zhuǎn)入相應(yīng)模塊進(jìn)行處理，無按鍵觸發(fā)時，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式。學(xué)習(xí)、測試、復(fù)讀等功能均在中斷處理程序中完成。

圖 5.1  主程序流程圖

5.2 各功能模塊流程及說明
5.2.1 學(xué)習(xí)功能模塊
    FunKey:等于0表示無任何按鍵，等于1表示學(xué)習(xí)鍵按下，等于2表示測試鍵按下，等于3表示復(fù)讀鍵按下，等于4表示音量調(diào)節(jié)鍵按下，等于5表示測試和復(fù)讀鍵同時按下（即進(jìn)入下載狀態(tài)）。TempStatus記錄當(dāng)前狀態(tài)的前一個狀態(tài)（當(dāng)卡拔出時都設(shè)置為默認(rèn)的狀態(tài)）如圖 5.2所示。

圖 5.2  學(xué)習(xí)處理流程圖

5.2.2 測驗功能模塊

圖 5.3  測驗功能模塊流程圖

5.2.3 下載模塊

圖 5.4  下載模塊流程圖

5.2.4 喚醒中斷模塊
    IRQ3中斷服務(wù)程序在插入卡或者在睡眠模式下拔出卡時觸發(fā)，插入卡時自動進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，拔出時設(shè)置為睡眠模式（默認(rèn)狀態(tài)）。

圖 5.5  IRQ3中斷處理

5.2.5 定時中斷
    時基中斷用于控制當(dāng)卡插入后持續(xù)90秒不操作CPU將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。在測試狀態(tài)下，IRQ6還負(fù)責(zé)點亮顯示得分的LED，全局變量Count的設(shè)置用于有任何操作時將其清0。

圖 5.6  時基中斷處理流程圖

5.2.6 UART中斷

 圖 5.7  UART中斷流程圖

6 結(jié)語
    從以上應(yīng)用我們可以看出，SPCE061A在語音互動式玩具地應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：
    1．設(shè)計新穎、功能強(qiáng)大：SPCE061A是凌陽科技公司最新的16位單片機(jī)，特點是高速、低功耗、強(qiáng)大的I/O口功能、具有DSP功能。上面的設(shè)計方案只占用了SPCE061A一部分資源，在此基礎(chǔ)上可以開發(fā)出功能更強(qiáng)的品。而語音播放、語音識別、錄制等API函數(shù)，可以直接調(diào)用，縮短了開發(fā)者的開發(fā)周期。
    2．成本低、性價比高、運行可靠：SPCE061A有豐富的I/O口資源，外圍電路相對簡單，尤其是在對數(shù)字語音進(jìn)行處理時幾乎不用搭接外圍電路。另外SPCE061A價格低，性能可靠，適合大批量生產(chǎn)。

7 參考文獻(xiàn)
[1] 凌陽大學(xué)計劃網(wǎng)站
[2] 雷思孝、李伯成、雷向莉，單片機(jī)原理及實用技術(shù)—凌陽16位單片機(jī)原理及應(yīng)用 陜西：西安電子科技大學(xué)出版社