本科毕业论文基于蓝牙的无线语音安全提示系统的研究

本科本科毕业论文（设计）毕业论文（设计）论文（设计）题目： 基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统的研究学 院： 理学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 061 班 学 号： 060712110091 学生姓名： 郑 伟 指导老师： 马光喜副教授 20102010 年 5 5 月 1616 日 贵州大学本科毕业论文（设计） 第I页目录摘 要.IIIABSTRACT.IV第一章 绪论.11.1 背景分析 .11.2 课题意义 .11.3 技术现状 .2第二章 相关技术.32.1 MCS-51 单片机系统 .32.1.1 MCS-51 单片机硬件结构.32.1.2 本设计中涉及到的主要通信技术 .52.1.3 本设计中涉及到的主要单片机技术.72.1.4 软件编程技术 .112.2 蓝牙技术 .112.2.1 蓝牙系统基本结构 .112.2.2 蓝牙网络连接 .132.2.3 蓝牙协议 .14第三章 系统总体设计.163.1 系统功能及配置 .163.1.1 系统功能 .163.1.2 系统配置 .163.2 系统硬件结构 .173.3 系统总体流程 .19第四章 模块设计与实现.214.1 通信模块的设计与实现 .214.1.1 底层通信平台实现 .214.1.2 高层通信软件设计 .22 贵州大学本科毕业论文（设计） 第II页4.2 蓝牙模块的设计与实现 .234.2.1 蓝牙模块接线 .234.2.2 蓝牙模块在单片机之间的应用 .234.3 语音模块的设计与实现 .244.3.1 WTV020-SD 模块简介.24第五章 系统测试与应用.285.1 系统测试及性能分析 .285.1.1 系统测试 .285.1.2 性能分析 .285.2 系统特点及优势 .295.3 系统应用 .305.3.1 收费站应用 .305.3.2 加油站应用 .305.3.3 十字路口应用 .305.3.4 学校门口应用 .305.3.5 雨雾天气应用.305.3.6 家庭厨房应用.315.3.7 公交车、火车站应用.315.3.8 工业基地应用.31第六章 结束语.32参考文献.33致 谢.34附 录 A 核心代码清单 .35附 录 B 实物照片 .40 贵州大学本科毕业论文（设计） 第III页基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统的研究摘 要 随着经济的发展，人们的生活质量日益提高，人们对生活就有了更高的要求，各个家庭、企事业单位以及大型的公共场所都装有品种繁多的电器用具。但是，由于私家车的数量的日益增多，盲人群体生活的不便捷，以及许多电器和生活必需品都存在多多少少的安全隐患，这些都对社会安全构成了威胁。例如，在家庭中，由于人们的疏忽忘记了关闭煤气，这样的事情很多，轻则伤身，重则丧命，从而带来人间的悲剧。当一些企事业单位或商场发生火灾的时候，又没有人注意到，时间长了就会引起严重的后果。私家车增多，许多驾驶员对复杂的道路信息或路标不熟悉，很有可能会引发一些交通事故，而目前道路信息的提示主要依靠公路边的路牌，若遇到阴雨或大雾天气，这些路牌的能见度就会大大降低，所以可能使驾驶员错过一些重要的道路信息，带来不必要的麻烦。盲人群体由于视觉上的障碍也时有危险的事件发生。 本文将单片机技术和蓝牙无线通信技术相结合，设计了一个基于蓝牙技术的安全提示系统 ，应用非常广泛，该系统由两部分组成，一部分是安全提示点，用来给携带了另一个系统的人发送危险提示信号；另一部分是接收安全提示点发来的信号且选择事先存好的语音信息，然后用语音的形式播放出来。 本文首先介绍了该系统的背景和研究意义，其次简单介绍与其相关的技术，再次提出本系统的总体设计思想，最后分模块来介绍本系统的设计和实现过程。本文中实现的系统模型为道路信息提示提供了一套可行的解决方案，随着系统功能的不断完善和扩展，基于蓝牙技术的安全提示系统必将得到广泛的应用和肯定。关键词关键词：蓝牙，单片机技术，无线通信 贵州大学本科毕业论文（设计） 第IV页SAFETY REMINDING SYSTEM BASEDON BLUETOOTHAbstractWith the development of the economy and the improvement of peoples living standard ,peoples requirement of life have increased ,so families, enterprises, institutions and public places are equipped with a wide variety of electrical appliance. While the number of private cars is increasing, the inconvenience of the blind, whats more ,the appliances and necessities are unsafe to some degree, the state of affairs above have threaten the safety of our society. In families, people forget closing of the gas because of negligence, such situations are very common .Lightly, they are pernicious to health ,seriously, they will kill people, thus bring tragedy to people. When some institutions or stores catch fire, and no one notice that, in the long run it will cause serious consequences. The numbers of private cars has increased , many drivers are not familiar with the complexity of the road information or signs , they are likely to cause some traffic accidents, while the tip relies mainly on the information on the highway sides of the signpost currently, if it is rainy or foggy ,these signs will be greatly reduced visibility, which could make the drivers miss some important information and cause unnecessary trouble. The dangers are often happen to the blind because of visually impaired.This paper combine the single chip microcomputer with bluetooth wireless communication technology, and design a safety reminding system based on bluetooth, technology ,which is widely applied, this system is consists of two parts, one is safety reminding used to give hints of another system which carries the risk, The other part is receiving safety reminding and choose the voice information which has been stored in advance , then it will broadcast it .Firstly, this paper the background and the studying significance of the system, secondly, it gives a brief introduction and some technology involved, thirdly the paper puts forward the design concept of the system, finally it introduce the process of the design and realize of the system in module.The model of the system realized in the paper support a serious of feasible program for the information reminding of roads. With the consummatement and expanding of the systems function . The safety reminding system based on buetooth technology will be widely used and obtain peoples approval . 贵州大学本科毕业论文（设计） 第V页Keywords: Bluetooth, STC89C51 Single Chip Computer, Wireless Communication 贵州大学本科毕业论文（设计） 第1页第一章 绪论1.1 背景分析 随着中国公路和交通事业的蓬勃发展，中国的公路网规模在不断的扩大，公路网不断变得密集，据中国交通部权威人士介绍，2020 年前中国公路仍将处于较快的发展阶段，仍将进行全球最大规模的路网建设。根据规划，到 2020 年，中国公路网总里程将达到 300 万 km。除此之外，中国城市的交通也由平面向立体化发展，立交桥盘旋交错。如此复杂和密集的交通网，将会给驾驶员的驾驶带来很大的挑战，很多驾驶员会因为对道路的不熟悉带来很多不必要的麻烦。 由于车辆不断增多，公路不断变得复杂，许多驾驶员都是非专业驾驶员，由于一些驾驶员对道路信息的不熟悉，导致行驶到岔路口的时候就会减速，从而影响了后面的车辆，还有可能造成交通事故；也可能由于人们的疏忽、精力不集中没有看清楚交通要道设立的提示路牌和警示语，如果这些提示语是关于前面路段的危险情况，那么就很可能造成事故的发生；再者如果遇到阴雨或大雾天气，此类路牌的能见度比较低，就削弱了它们原有的作用；另一方面，驾驶员可能对某些路牌和路标不能正确的理解，造成误导，从而引发严重的后果。 因此我们提出了一个新型的解决此类问题的方案基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统。1.2 课题意义为了解决目前道路信息提示工具的缺陷以及生活中存在的各方面安全隐患，我们融合单片机技术和蓝牙无线通信技术，提出并设计了一种基于蓝牙技术的无线语音安全提示系统。 本系统不受阴雨或大雾天气的影响，即使再恶劣的天气，驾驶员也能够得到可靠的道路信息。另外通过图标与语音相结合的方式，能够使驾驶员充分了解道路状况，避免误解。本系统解决了一个非常明显的社会问题，相信随着系统性能的不断优化和功能的不断扩展，定会有非常广泛的应用前景。蓝牙技术是近年来发展迅速的短距离无线通信技术, 可以用来替代数字设备间短 贵州大学本科毕业论文（设计） 第2页距离的有线电缆连接。利用蓝牙技术构建数据采集无线传输模块, 与传统的电线或红外方式传输测控数据相比，蓝牙系统因采用了跳频扩频技术, 故可以有效地提高数据传输的安全性和抗干扰能力。无须铺设线缆, 降低了环境改造成本, 方便了数据采集人员的工作。可以从各个角度进行测控数据的传输, 可以实现多个测控仪器设备间的连网, 便于进行集中监测与控制。1.3 技术现状 本系统融入了单片机技术和蓝牙无线通信技术。MCS-51 单片机应用领域非常广泛，已经渗透到我们生活中的点点滴滴，技术也非常成熟。如今单片微型计算机发生了巨大的变化，归纳起来有：1.单片机在片 ROM 应用技术得到发展。目前单片机已广泛使用在片存储器技术，最广泛应用的是 Otprom、Flasrom 及 Maskrom，提供了在线编程（ISP）和在应用可编程（IAP）技术，使系统开发技术更趋于方便、高效。2.全盘COMS 化。COMS 电路具有工作电压范围宽、极佳的本质、低功耗及功耗管理特性，因此已成为目前单片机及外围器件流行的半导体工艺。3.以串行方式为主的外围扩展技术得到发展。当前单片机外围器件普遍提供了扩展方便，灵活、电路系统简单的串行扩展方式。目前，蓝牙技术也日趋成熟，被广泛的运用到各种无线网络中。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第3页第二章 相关技术 本章介绍系统采用的主要相关技术。首先介绍 MCS-51 单片机系统，包括 MCS-51 单片机的硬件和软件编程技术；接着介绍本设计用到的蓝牙模块的基本结构、基本功能、无线通信技术等。2.1 MCS-51 单片机系统在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O 接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。单片机实时控制功能特别强，其 CPU 可以对 I/O 端口直接进行操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。另外，由于 CPU、存储器及 I/O接口集成在同一芯片内，各部件间的连接紧凑，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响，所以单片机的可靠性非常高。单片机芯片即是一台完整的微型计算机，对于批量大的专用场合，一方面可以在众多的单片机品种间进行匹配选择；同时还可以专门进行芯片设计，使芯片的功能与应用具有良好的对应关系；在单片机产品的引脚封装方面，有的单片机引脚已减少到8 个或更少。从而使应用系统的印制板减小、接插件减少、安装简单方便。 2.1.1 MCS-51 单片机硬件结构9(1) 单片机的引脚功能1) 主电源引脚 Vcc 和 Vss2) 时钟振荡电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 和 XTAL2 分别用做晶体振荡电路的反相器输入端和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。3) 控制信号引脚RST 为复位信号输入端；VPD 为内部 RAM 的备用电源输入端；PSEN 外部程序存储器的读选通信号；ALE 地址锁存允许信号。4) P0、P1、P2、P3 端口P0 口（P0.0P0.7）第一功能：是一个 8 位漏极开路型的双向 I/O 口，这时 P0 口可看成用户 贵州大学本科毕业论文（设计） 第4页数据总线；第二功能：是在访问外部存储器时，分时提供低 8 位地址和 8位双向数据总线，这时先用做地址总线再用做数据总线。P1 口（P1.0P1.7）内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。 P2 口（P2.0P2.7）第一功能：一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。第二功能：在访问外部存储器时，输出高 8 位地址。 P3 口（P3.0P3.7）第一功能：内部带上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口。在系统中，这 8 个引脚都有各自的第二功能。(2) 单片机的内部结构1) 一个 8 位 CPU；2) 4KB 程序存储器，采用 ROM 或 EPROM（8031 无 ROM） ；3) 通用数据存储器；4) 21 个特殊功能寄存器（SFR） ；5) 4 个 8 位并行口，其中 P0、P2、P3 是复用口；6) 具有 5 个中断源，两个优先级嵌套结构；7) 两个 16 位定时/计数器；8) 一个片内振荡器与时钟电路。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第5页图 2.1 单片机内部结构示意图2.1.2 本设计中涉及到的主要通信技术(1) 计算机串行通信基础随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重要。计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换 。可以分为两大类：并行通信与串行通信。 （本设计用到的是串行通信，下面主要介绍串行通信）并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送 。串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。接收设备发送设备8位顺次传送D0D7 贵州大学本科毕业论文（设计） 第6页图 2.2 串行数据传输示意图串行通信的特点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据的传送控制比并行通信复杂。1)串行通信（异步通信与同步通信）异步通信异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。图 2.3 异步通信示意图异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。异步通信的数据格式 ：图 2.4 异步通信格式示意图异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加 23 位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。 同步通信11100110010100100 1发送设备接收设备10100100011110011001间隙任意停止位数据位校验位起始位LSBMSB空闲下一字符起始位空闲一个字符帧 贵州大学本科毕业论文（设计） 第7页同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现。 2)串行通信的传输方向单工单工是指数据传输仅能沿一个方向，不能实现反向传输。半双工半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。全双工全双工是指数据可以同时进行双向传输。 单工 半双工 全双工图 2.5 串行通传输示意图 说明：本设计中用到的蓝牙模块就是全双工模式。2.1.3 本设计中涉及到的主要单片机技术(1) 80C51 的串行口1) 80C51 串行口的结构有两个物理上独立的接收、发送缓冲器 SBUF，它们占用同一地址 99H ；接收器是双缓冲结构 ；发送缓冲器，因为发送时 CPU 是主动的，不会产生重叠错误。 接收发送时间1时间2发送接收发送接收发送接收发送接收1SBUF发送控制器接收控制器移位寄存器控制门TIRIATXDRXD去串口中断SMOD01TH1TL1216SBUFT1溢出率 贵州大学本科毕业论文（设计） 第8页图 2.6 80C51 串行口的结构示意图2）80C51 串行口的控制寄存器 SCON 是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志：表 2.1 SCON 寄存器SM0 和 SM1 为工作方式选择位，可选择四种工作方式：表 2.2 工作方式选择SM2，多机通信控制位，主要用于方式 2 和方式 3。当接收机的 SM2=1 时可以利用收到的 RB8 来控制是否激活 RI（RB80 时不激活 RI，收到的信息丢弃；RB81 时收到的数据进入 SBUF，并激活 RI，进而在中断服务中将数据从 SBUF 读走） 。当 SM2=0 时，不论收到的 RB8 为 0 和 1，均可以使收到的数据进入 SBUF，并激活 RI（即此时 RB8 不具有控制 RI 激活的功能） 。通过控制 SM2，可以实现多机通信。在方式 0 时，SM2 必须是 0。在方式 1 时，若 SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI 才置 1。REN，允许串行接收位。由软件置 REN=1，则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。TB8，在方式 2 或方式 3 中，是发送数据的第九位，可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。在方式 0 和方式 1 中，该位未用。RB8，在方式 2 或方式 3 中，是接收到数据的第九位，作为奇偶校验位或地址帧 贵州大学本科毕业论文（设计） 第9页/数据帧的标志位。在方式 1 时，若 SM2=0，则 RB8 是接收到的停止位。TI，发送中断标志位。在方式 0 时，当串行发送第 8 位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使 TI 置 1，向 CPU 发中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清 0，取消此中断申请。RI，接收中断标志位。在方式 0 时，当串行接收第 8 位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使 RI 置 1，向 CPU 发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清 0，取消此中断申请。 PCON 中只有一位 SMOD 与串行口工作有关 ：表 2.3 PCON 寄存器 SMOD（PCON.7） 波特率倍增位。在串行口方式 1、方式 2、方式 3 时，波特率与 SMOD 有关，当 SMOD=1 时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。3）80C51 串行口的工作方式（方式 1）方式 1 是 10 位数据的异步通信口。TXD 为数据发送引脚，RXD 为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图所示。其中 1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位。 图 2.7 异步通信传送帧示意图方式 1 输出停止位数据位8位起始位LSBMSB空闲空闲D0D71帧共10位D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7写入SBUF停止位TXDTI（中断标志）起始 贵州大学本科毕业论文（设计） 第10页图 2.8 方式 1 输出示意图方式 1 输入图 2.9 方式 1 输入示意图用软件置 REN 为 1 时，接收器以所选择波特率的 16 倍速率采样 RXD 引脚电平，检测到 RXD 引脚输入电平发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。接收过程中，数据从输入移位寄存器右边移入，起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。当 RI=0，且 SM2=0（或接收到的停止位为 1）时，将接收到的 9 位数据的前 8位数据装入接收 SBUF，第 9 位（停止位）进入 RB8，并置 RI=1，向 CPU 请求中断。4）波特率的计算在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。通过软件可对单片机串行口编程为四种工作方式，其中方式 0 和方式 2 的波特率是固定的，而方式 1 和方式 3 的波特率是可变的，由定时器 T1 的溢出率来决定。串行口的四种工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不相同。方式 0 的波特率 = fosc/12方式 2 的波特率 =（2SMOD/64） fosc 方式 1 的波特率 =（2SMOD/32）（T1 溢出率）D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7停止位RXDRI（中断标志）起始位采样脉冲 贵州大学本科毕业论文（设计） 第11页方式 3 的波特率 =（2SMOD/32）（T1 溢出率）当 T1 作为波特率发生器时，最典型的用法是使 T1 工作在自动再装入的 8 位定时器方式（即方式 2，且 TCON 的 TR1=1，以启动定时器） 。这时溢出率取决于TH1 中的计数值。 T1 溢出率 = fosc /12256 （TH1）在单片机的应用中，常用的晶振频率为：12MHz 和 11.0592MHz。所以，选用的波特率也相对固定。常用的串行口波特率以及各参数的关系如表所示。表 2.4 常见比特率选择串行口工作之前，应对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器 1、串行口控制和中断控制。具体步骤如下：确定 T1 的工作方式（编程 TMOD 寄存器） ；计算 T1 的初值，装载 TH1、TL1；启动 T1（编程 TCON 中的 TR1 位） ；确定串行口控制（编程 SCON 寄存器） ；串行口在中断方式工作时，要进行中断设置（编程 IE、IP 寄存器） 。2.1.4 软件编程技术本系统所使用的编程软件是 KEILC51 ，KEILC51 标准 C 编译器为 8051 微控制器的软件开发提供了 C 语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51 编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近 CPU 本身，及其它的衍生产品。C51 已被完全集成到uVision2 的集成开发环中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。而且可以实现 C 语言和汇编的混编，使用非常方便。uVision2编辑器包含了所有用户熟悉的特性。彩色语法显像和文件辩识都对 C 源代码进行和优化。可以在编辑器内调试程序，它能提供一 种自然的调试环境，使你更快速地检查和 贵州大学本科毕业论文（设计） 第12页修改程序。uVision2 允许用户在编辑时设置程序断点（甚至在源代码未经编译和汇编之前） 。用户启动 V2 调试器之后，断点即被激活。断点可设置 为条件表达式，变量或存储器访问，断点被触发后，调试器命令或调试功能即可执行。 在属性框(attributes column)中可以快速浏览断点设置情况和源程序行的位置。代码覆盖率信息可以让你区分程序中已执行和未执行的 部分。 KEIL C51 编译器在遵循 ANSI 标准的同时，为 8051 微控制器系列特别设计。语言上的扩展能让用户使用应用中的所有资源。2.2 蓝牙技术5 蓝牙（Bluetooth）是一种低功耗的无线技术，工作在全球通用的 2.4GHz ISM 频段，数据传输速率为 1Mb/s，目的是取代现有的 PC、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口。主要优点是：可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接；具有很强的移植性，可以用于多种场合，如 WAP、GSM、DECT 等，引入身份识别后可以灵活的实现漫游；功耗低，对人体危害较小；蓝牙的集成电路应用简单、成本低廉、实现容易、易于推广。蓝牙技术提供低成本、近距离的无线通信，构成固定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种设备能够实现无缝资源共享。鉴于以上优点，本系统采用蓝牙作为无线传输的方式。而且是采用了现成的蓝牙模块，+5V 供电，无需电平转换2.2.1 蓝牙系统基本结构 蓝牙系统采用分散式（Scatter）结构，设备间以特定方式构成微微网（Piconet） ，支持点对点和点对多点的通信。它采用 GFSK 调制，抗干扰能力好，通过快速调频和短包技术来减少同频干扰，保证传输的可靠性。 在蓝牙系统中，使用蓝牙技术将设备连接起来的网络称为微微网，它由一个主设备（Master Unit）和多个从设备（Slave Unit）构成。主设备是微微网中用来同步其他的蓝牙设备，是连接过程的发起者，最多可与 7 个从设备同事维持连接。从设备是微微网中除主设备外的设备。两个或多个微微网可以连接组成分布式网（Scatter net） ，或称散射网。 蓝牙系统结构如图 2.1 所示。图中，微微网 1 由一个主设备和六个从设备组成，微微网 1 的一个从设备又作为了微微网 2 的从设备，微微网 2 中有五个从设备，而微微网 2 的主设备同时又是微微网 3 的从设备，三个微微网共同组成了蓝牙的散射网结 贵州大学本科毕业论文（设计） 第13页构。图 2.10 蓝牙系统结构示意图 在蓝牙基带协议中规定，蓝牙设备可以使用 4 种类型的地址用于同场合和状态。其中，48 位的蓝牙设备地址 BDADDR（IEEE802 标准） ，是蓝牙设备连接过程的惟一标准；3 位的微微网激活设备地址 AMADDR，用以标识微微网中的激活成员，该地址 3 位全用作广播信息；8 位的微微网休眠设备地址 PMADDR，用来标识微微网中的休眠的从设备。微微网接入地址 ARADDR，分配给微微网中要启动唤醒过程的从设备。 当微微网从设备通信时，彼此必须保持同步。同步所采用的时钟包括自身不调整也不关闭的本地设备时钟 CLKN，微微网中主设备的系统时钟 CLK，以及为主设备时钟对从设备时钟进行周期更新以保持主从同步的补偿时钟 CLKE。 与其他无线技术一样，蓝牙技术中微微网通过使用各种信道来实现数据的无线传输。其中信道表示在 79 个或者 23 个射频信道上跳变得伪随机跳频序列，每个微微网的跳频序列是惟一的，并且由主设备的蓝牙设备地址决定；此外，蓝牙系统中有 5 种传送不同类型信息的逻辑信道，他们分别为：LC 信道 ：控制信道，用来传送链路层控制信息； 贵州大学本科毕业论文（设计） 第14页LMC 信道：链接管理信道，用来在链路层传送链接管理信息；UA 信道 ：用户信道，用来传送异步的用户信息；UI 信道 ：用户信道，用来传送等时的用户信息；US 信道 ：用户信道，用来传送同步的用户信息。2.2.2 蓝牙网络连接蓝牙网络的连接过程就是蓝牙从待令状态到连接状态的过程5。通常情况下，两个设备的连接建立过程为：首先，主设备使用 GIAC 和 DIAC 来查询范围内的蓝牙设备（查询状态） 。如果附近的任何蓝牙设备正在监听这些查询（查询扫描状态） ，就发送它的地址和时钟信息；然后，从设备可以开始监听来自主设备的寻呼消息（寻呼扫描） ，主设备在发现附近的设备后可以寻呼这些设备（寻呼状态） ，建立连接。在寻呼扫描的从设备被这个主设备寻呼后，就会以 DAC（设备访问码）来响应。主设备在接收到从设备的相应后，便可以发送主设备的实时时钟、BD_ADDR、BCH 奇偶校验位和设备类（FHS 分组包） ；最后在从设备已经受到这个 FHS 分组后，进入连接状态。具体过程如图 2.2 所示。 查询：查询时主设备用来查找可监视区域中的蓝牙设备，以便通过收集来自从设备响应查询消息中得到该设备的地址和时钟，查询过程使用 IAC。 查询扫描：蓝牙设备周期地监听来自其他设备的查询消息，以便自己能被发现。在扫描过程中，设备可以监听普通查询接入码（GIAC）和特定查询接入码（DIAC） 。 查询响应：从设备以 FHS 分组响应查询消息，它携带从设备的 DAC、本地时钟等信息。 寻呼：主设备通过在不同的调频序列发送消息，来激活一个从设备并建立连接，寻呼过程使用 DAC。 寻呼扫描：从设备周期性地在扫描窗间隔时间内唤醒自己，并监听自己的 DAC，从设备每隔 1.28s 在这个扫描窗上根据寻呼调频序列选择一个扫描频率。 从设备响应：从设备在寻呼扫描状态受到主设备对自己的寻呼消息即进入相应状态，相应主设备的寻呼消息。 主设备响应：主设备在接收到从设备对它的寻呼消息的响应后，主设备发送一个FHS 分组给从设备，如果从设备响应回答，主设备就进入连接状态。 连接状态以主设备发送一个 POLL 分组开始，表示连接已经建立，此时分组包可 贵州大学本科毕业论文（设计） 第15页以在主从设备间来回发送。图 2.11 蓝牙连接过程图2.2.3 蓝牙协议 蓝牙协议6的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作。互操作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用可运行于不同协议栈。但是，每一协议栈都使用同一公共蓝牙数据链路和物理层。完整的蓝牙协议栈如图 2.3 所示，图中显示了所有协议之间的相互关系。不是任何应用都必须使用全部协议，相反，应用程序往往只利用协议栈中的某些部分，并且协议栈中的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用的服务。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第16页图 2.12 蓝牙协议栈 蓝牙体系结构中的协议可以分为四层：（1） 核心协议：基带、LMP、L2CAP、SDP。（2） 电缆替代协议：RFCOMM。（3） 电话传送控制协议：TCS 二进制、AT 命令集。（4） 可选协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、IrMC、WAE。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第17页第三章 系统总体设计 本章主要介绍系统的总体设计。首先介绍系统的功能及配置；然后介绍系统硬件的结构（硬件总体规划） ；最后介绍系统工作的总体流程（包括软件流程） 。3.1 系统功能及配置3.1.1 系统功能 系统的功能主要分为两个部分：系统的初步功能和系统的扩展功能。 系统初步功能：车载系统到达路边系统的连接区域后，路边系统向车载系统发送信息代码，车载系统接收代码完毕后播放道路信息，从而使驾驶员能够清晰的了解前方道路。除了提示道路信息外，还可以提示路边加油站和服务站信息。 系统扩展功能：该系统在家庭中应用时，可以作为厨房安全提示工具使用，在厨房放置发射模块，该发射模块上装有CO气体传感器，当煤气发生泄漏的时候，或者由于人为的疏忽忘记关掉煤气阀门，这个时候语音接收模块就会收到信号，并且播放事先存好的语音，比如我们存入语音：煤气泄漏，请及时处理！一旦煤气泄漏就会发出煤气泄漏，请及时处理的语音，以便我们及时处理，减少悲剧的发生，具有一定的经济价值。 3.1.2 系统配置根据系统功能以及设计单片机系统的要求，开发此系统需要以下主要配置： （1）开发环境：keil uVision2，Proteus 7.5，Windows7 系统 （2）开发语言：C 语言、汇编语言 （3）硬件：STC89C52、STC89C54； 蓝牙模块（主从） ； 干电池；语音模块 WTV020-SD；扬声器（0.5W，8 ） SD 卡(1G)。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第18页3.2 系统硬件结构 本系统的硬件分为两个部分：路边系统的硬件和车载系统的硬件。路边系统和车载系统在硬件设计上为对等关系，即两个系统的硬件采用相同结构，这两部分系统的区别在于路边系统是车载系统的简化。路边系统和车载系统分别采用STC89C52和STC89C54作为处理器。STC89C51RC/RD+ 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051 单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D 版本内部集成MAX810 专用复位电路。用户应用程序空间 8K/16K字节，片上集成512字节/ 1280字节RAM，ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序3 秒即可完成一片，通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART。在处理器周围，包括一些单独的模块和接口电路，用来实现本系统的预期功能。这些模块包括：（1）处理器模块，用来控制数据的收发； （2）存储器模块，用来存储语音； （3）蓝牙模块，用来实现无线通信； （4）音频模块，用来播放语音； （5）电源模块，用来给处理器和各模块供电。 车载系统包括以上四个模块，硬件结构框图如图 3.2 所示。路边系统包括处理器模块、蓝牙模块、存储器模块和电源管理模块，硬件结构框图如图 3.3 所示。图 3.1 车载系统硬件结构音频STC89C54存储器蓝牙（从）电源模块显示模块 贵州大学本科毕业论文（设计） 第19页图 3.2 路边系统硬件结构下面介绍系统的整机电路原理图，发射模块见图 3.4，接收模块见图 3.5 所示。 XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51X1CRYSTALC130pFC230pF12345678910111213343332313029282726252423221415161718192021UART_TXDUART_RXD3.3VGND蓝蓝牙牙模模块块BC4(主主)+3.3V无无线线发发射射模模块块C310uFR110k安安全全提提示示点点发发送送一一个个编编号号图 3.3 无线发射模块STC89C52存储器模块蓝牙（主）电源模块 贵州大学本科毕业论文（设计） 第20页P3.0P3.1abcdefghijklmnop87654321a b c d e fg h a1234567891011121314151612345678910111213141615iijklmnopjklmnopb c d e fg hiP1.0P1.1P1.2P1.3P1.0P1.1P1.2P1.3161514131211109XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U2AT89C51X2CRYSTALC330pFC430pF12345678910111213343332313029282726252423221415161718192021UART_TXDUART_RXD3.3VGND蓝蓝牙牙模模块块BC4(从从)+5V无无线线接接收收模模块块C310uFR110k12345678161514131211109/RESETSPK+SPK-P04GNDVDDP06P05R2470RD1LED-BIRY+3.3VWTV020-SD语语音音模模块块LS1SPEAKER接接收收方方根根据据收收到到的的编编号号来来选选择择相相应应的的语语音音段段落落进进行行语语音音提提示示P3.0P3.1A23B22C21D20E118E219011223344556677889910101111131214131514161517U274154234567891RP1RESPACK-8+5V图 3.4 无线发射模块为了节约器材以及实验室的材料，本设计用以前买好的用于学习的单片机开发板来完成，制作过程简单，无需再制作 PCB 板，节约了开发时间，在设计中只用了几块很小的万能板就完成了设计，为了便于演示，本设计制作了两个独立的板块，一个接收模块，一个发射模块，每个模块都是一个整体，演示非常方便，经初步测试有效接收距离可以到达 100 米左右。3.3 系统总体流程 在介绍系统总体流程前，首先介绍一下系统工作模型，如图 3.4 所示。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第21页图 3.5 系统工作示意图 根据系统的工作示意图，设计系统的流程，流程分为路边系统流程和车载系统流程，如图 3.5 和图 3.6 所示。图 3.6 车载系统工作流程图 3.7 路边系统工作流程 图 3.5 中，开启设备即启动蓝牙设备，然后是程序的初始化，初始化完毕后查询是否有路边系统存在，若查询到，则表示有道路信息，然后接收信息后会重复播放信息，直到车载系统与路边系统断开连接。 图 3.6 中，先扫描车载系统，一旦进入了蓝牙接收范围就会与车载系统建立连接，同时向车载系统发送编码，车载系统接收这个编码后会选择相应的语音段进行播放。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第22页第四章 模块设计与实现 本章主要介绍了系统设计与实现的过程和方法。对本系统的设计与实现分模块介绍，首先介绍通信模块的设计与实现，然后介绍语音模块的设计与实现，最后介绍控制模块的设计与实现。4.1 通信模块的设计与实现 通信模块是本系统的重要组成部分之一，它提供了路边系统和车载系统之间的通信平台。下面就介绍一下通信模块的设计与实现。4.1.1 底层通信平台实现 本系统底层通信是借助于蓝牙来实现的，博创公司已经提供了我们完成此系统所必须的蓝牙协议栈。底层蓝牙设备之间通信的建立都需要查询、建立连接、鉴权、通信几个过程。详细过程如下（以 LAP 为例）： (1) 当移动数据终端的某个应用要求接入局域网时，它先启动业务发现协议(SDP)，向有回应的 LAP 发出查询请求。LAP 此时作为 SDP Server 具有一个业务发现数据库(SDP Data-Base)，里面记录着接入点可以提供的服务及其属性，SDP 机制可以提取建立 RFCOMM 连接需要的所有服务信息。数据终端查询到可用的服务信息后，就可以开始建立连接(如果发现没有需要的服务，就放弃本次的连接请求)。 (2) 如果没有现存的基带物理链路，则要与所选的 LAP 建立一条物理链路。之后，设备进行低层的鉴权和加密密钥商议。 (3) 设备终端由低层向上，逐层建立 L2CAP/RFCOMM/PPP 连接。这里，PPP 层提供了一种可选的高层的鉴权机制。同时，用适当的 PPP 机制来协商数据终端使用的IP 地址。 (4) 连接建立之后，数据终端的上层应用就可以在 PPP 连接上传送 IP 数据流了。 (5) 任何时候，DT(数据终端)和 LAP 都可以终止已建立的连接。连接拆除各层的操作顺序与建立时刚好相反。 完整的蓝牙协议栈在前面章节已经阐述，综合考虑本系统的功能和应用需求，只需要部分协议栈，包括核心协议和一些其它协议，如图 4.1 所示。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第23页图 4.1 通信协议栈4.1.2 高层通信软件设计 高层软件主要是借助于 keil uVision2 这个软件平台来实现，通信分为两部分：发送端和接收端。发送端和接收端都是通过单片机的串行口进行通信的。通信软件流程如图 4.2 所示，软件程序见附录 A。 （a）串口发送数据 （b）串口接收数据图 4.2 串口通信流程图TCP/IPPPPSDPRFCOMMHCIL2CAP基 带LMP蓝 牙 无 线 信 道 贵州大学本科毕业论文（设计） 第24页4.2 蓝牙模块的设计与实现 本设计采用的是现成的蓝牙模块 BC4 系列，波特率设置的是 9600，工作频段在2.4GHZ-2.48GHZ.ISM Band，蓝牙协议采用 BlueTooth V2.0 标准，接收灵敏度为-85dBm，操作电压为+5V，工作温度从-40 摄氏度至+105 摄氏度，功率等级为Class2（+6dBm）参考功耗：搜索时 35mA， 配对成功后 8mA。4.2.1 蓝牙模块接线图 4.3 蓝牙模块蓝牙串口主机模块和从机模块是一样的，只有 4 针引脚输出：第 1 针：+5V 供电端第 2 针：数据发送端（可接单片机或者其他带有串口的芯片的 RXD 端）第 3 针：数据接收端（可接单片机或者其他带有串口的芯片的 TXD 端）第 4 针：地线 GND 贵州大学本科毕业论文（设计） 第25页4.2.2 蓝牙模块在单片机之间的应用图 4.4 蓝牙模块在单片机之间的应用4.3 语音模块的设计与实现 当车载终端检测到新的道路信息时将自动播放道路信息，下面就简要介绍一下 WTV020-SD 模块的设计与实现。4.3.1 WTV020-SD 模块简介(1)模块特征模块支持外挂最大1G的SD卡； 支持播放4Bit ADPCM格式文件；自动识别语音文件；可以装载6KHz32KHz、36KHz采样率的AD4音频；可装载6KHz16KHz采样率的WAV音频；16bitADC及PWM音频输出；最多可存放512段语音(2) 模块概述WTV020-SD模块是一款可重复擦写语音内容的大容量存储类型的语音模块，可外挂 贵州大学本科毕业论文（设计） 第26页最大容量为1GB的SD卡存储器。能加载WAV格式语音和AD4格式语音。WTV020-SD模块以WTV020SD-20S语音芯片为主控核心，具有MP3控制模式，按键一对一控制模式（3段语音跟5段语音两种），上电循环播放控制模式以及二线串口控制模式。(3) 模块封装（WTV020-SD-16P）与引脚说明图 4.5 语音模块封装图表 4.1 语音模块引脚说明说明：本设计中用到的是二线串口模式，下面将详细介绍。(4) 二线串口控制模式由单片机通过CLK时钟和DI数据线发送数据对WTV020-SD模块进行控制。可随意播放任何一个地址的语音。此状态下，能进行语音组合播放。语音内容更新直接通过SD卡读卡器在PC上更换。该模块支持FAT文件系统。支持6KHz32KHz、36KHz采样率的AD4语音和6KHz16KHz采样率的WAV音频，能自动识别语音采样率以及语音文件格式。二线串口触发包括2 条通信线，即时钟CLK 和数据DI。另外，还有一条复位线。假如芯片被复位后1S 内无任何触发即进入休眠。按键部分中的，上一曲和下一曲具有 贵州大学本科毕业论文（设计） 第27页断电记忆功能，假如断电前上一曲点播到第7 段语音，那么断电后再上电，按上一曲，就可以直接点播第6 段语音。1)I/O 口对应表表 4.2 输入输出口2）语音地址对应表SD卡中可放置512段语音，语音文件名为10进制放置，如0000.AD4、0001.AD4 等。单片机发数据触发时，需要发送跟语音文件名相对应的16位2进制数据。MCU 控制端CLK 信号跟DI 信号同时发送，DI 数据需先发高位再发低位。没有发码时CLK跟DI都要置于高电平。表 4.3 语音地址对应表3）控制时序图 4.6 语音播放控制时序图 贵州大学本科毕业论文（设计） 第28页 4）命令码描述表 4.4 命令码控制 注意：由于语音的播放有严格的时序，所以语音部分采用汇编语言编程来控制时钟、数据以及音量的大小。要想很好的控制语音的播放，必须严格控制时序，那就涉及到延时的问题，延时的计算一定要与单片机所用的晶振相匹配。否则时序一定不正确。(5) 语音文件简介该语音模块可以播放6KHz32KHz、36KHz采样率的AD4音频文件以及6KHz16KHz采样率的WAV音频文件，这些上面都已经介绍过了，下面要讲的是如何得到符合要求的AD4或者WAV格式的音频文件。1) 音频文件的录制为了让车载系统的主人更加有精神，本系统的录音是采用一个文字转换语音的软件合成的，合成的声音清脆而优美，这款软件叫KDVoice，可以将我们输入的文字变换成语音文件，但是合成的语音文件前面会有我们不需要的语段，这就需要把我们不需要的语段裁剪掉，本设计采用的是MP3裁剪器。裁剪完后仍然是MP3格式的还不能用于该语音模块播放，还要进行格式转换。2）音频文件的转换要进行音频转换就要用到格式转换器，本设计采用的是该语音模块生产公司专用的转换器UsbRecorder，可以将MP3格式转换成满足要求的AD4或者WAV格式。注意：在将录制好的语音文件拷贝到miniSD卡之前，必须将SD卡FAT格式化，格式化以后直接把录好的语音文件拷贝到SD卡的根目录就可以了。 贵州大学本科毕业论文（设计） 第29页第五章 系统测试与应用 本章主要介绍系统在实验室内的测试过程与结果、系统特点与优势以及系统的应用前景。5.1 系统测试及性能分析5.1.1 系统测试 本系统目前通过了室外空旷环境的