一种嵌入式智能导盲仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种嵌入式智能导盲仪，包括主控制器、FLASH存储器、温度传感器、超声波传感器、A\D转换器、液位传感器、语音播报器、GSM求助器、蜂鸣器、警戒灯与逻辑译码电路；其中，主控制器采用DSP芯片；FLASH存储器与DSP芯片及逻辑译码电路相连；DSP芯片还与温度传感器、超声波传感器相连；水位传感器通过A/D转换器与DSP芯片相连；语音播报器与GSM求助器均采用串口与DPS芯片进行通信；蜂鸣器通过放大电路与DPS芯片相连；警戒灯通过开关与电源电路相连；本实用新型的优点为：能够实时检测盲人距前方障碍物的距离；当盲人需要求助时，发送求助短信或求助电话；且实时检测到路面积水信息；并具有夜晚警戒灯。
【专利说明】一种嵌入式智能导盲仪
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及DSP处理器、传感器技术、GPRS、语音播报等相结合的技术，具体 来说，是一种嵌入式智能导盲仪。
【背景技术】
[0002] 导盲犬是引领盲人出行的一种方式。导盲犬训练周期比较长，购买和饲养导盲犬 的价格非常昂贵，大多数盲人无力承担这笔费用。
[0003] 导盲辅助产品是新科技背景下盲人出行的另一种选择方式。目前市场上的导盲辅 助产品存在功能比较单一、体积较大、价格昂贵等不足。设计精确避障、功能多样、体积小 巧、价格低廉的导盲设备是导盲领域研宄的热点和难题。 实用新型内容
[0004] 为了解决上述问题，本实用新型提出一种嵌入式智能导盲仪，主要针对盲人出行 难的问题，利用超声波测距理论实现为盲人出行导航。
[0005] -种嵌入式智能导盲仪，包括主控制器、FLASH存储器、温度传感器、超声波传感 器、A\D转换器、水位传感器、语音播报器、GSM求助器、CPLD逻辑译码电路、蜂鸣器与警戒 灯。
[0006] 其中，主控制器采用DSP芯片，具有JTAG仿真接口以及由电源电路、时钟电路、复 位电路构成的控制电路。FLASH存储器与DSP芯片及逻辑译码电路相连。DSP芯片还与温 度传感器、超声波传感器相连。水位传感器通过A/D转换器与DSP芯片相连。语音播报器 与GSM求助器均采用串口与DPS芯片进行通信。蜂鸣器通过放大电路与DPS芯片相连。警 戒灯通过开关与电源电路相连。逻辑译码电路输入端的IO来自DSP芯片的部分数据线、部 分地址线、K、沉、两、IOSTRB、MSTRB、R/W、屈、MΡ/?^、串行时钟BCLKX信 号；输出端的IO为FLASH存储器的片选信号、读信号、写信号、复位信号、准备好信号；A/D 转换芯片的时钟信号；GSM模块的片选信号、读信号、写信号；扩展串口外设的片选信号、读 信号、写信号、主复位信号。
[0007] 所述电源电路具有±12V、+5V、+3. 3V和+1.6V输出电压，±12V和+5V电压分别 给扩展外设供电，+3. 3V和+1. 6V电压分别给DSP芯片的I/O接口和CPU内核供电。
[0008] 本实用新型的优点在于：
[0009] 1、本实用新嵌入式智能导盲仪，能够实时检测盲人距前方障碍物的距离，检测距 离通过语音系统进行实时播报或通过蜂鸣器进行报警；
[0010] 2、本实用新嵌入式智能导盲仪，当盲人需要求助时，可一键向设定求助人的手机 发送求助短信或求助电话；
[0011] 3、本实用新嵌入式智能导盲仪，能够实时检测到路面积水信息，积水信息通过语 音系统进行提示或通过蜂鸣器进行报警；
[0012] 4、本实用新嵌入式智能导盲仪，具有夜晚警戒灯，提示车辆或行人对盲人进行避 让。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本实用新型嵌入式智能导盲仪整体结构框图。
[0014] 图中：
[0015] 1-主控制器 2-FLASH存储器 3-温度传感器
[0016] 4-超声波传感器 5_A\D转换器 6-水位传感器
[0017] 7-语音播报器 8-GSM求助器 9-逻辑译码电路
[0018] 10-蜂鸣器 11-警戒灯
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0020] 本实用新型嵌入式智能导盲仪，包括主控制器UFLASH存储器2、温度传感器3、超 声波传感器4、A\D转换器5、水位传感器6、语音播报器7、GSM求助器8、CPLD逻辑译码电 路9、蜂鸣器10与警戒灯11。
[0021] 主控制器1采用DSP芯片，型号为TMS320VC5416,具有先进的修正哈佛结构、专用 硬件逻辑的CPU、片内存储器、片内外设和专用的指令集。DSP芯片具有JTAG仿真接口以及 由电源电路、时钟电路、复位电路构成的控制电路。由于TMS320VC5416型号的DPS芯片为 双电压供电芯片，其中，I/O接口为+3. 3V电压供电，CPU和其他所有的外设逻辑为+1.6V 电压供电。因此，本实用新型的电源电路具有+1. 6V和+3. 3V电压输出，分别与DSP芯片的 +1. 6V电压输入引脚以及+3. 3V电压输入引脚相连，保证DSP正常工作。时钟电路是DSP芯 片处理数字信息的基础，同时也是产生电磁辐射的主要来源，其性能好坏直接影响到系统 是否正常运行，所以时钟电路在数字系统设计中占有至关重要的地位。本实用新型的时钟 电路采用IOMHz有源晶振，时钟信号稳定，电磁干扰小，时钟电路晶振输出引脚与DSP芯片 的时钟引脚相连。复位电路来确保本实用新型导盲仪加电过程中，在主控制器1电压和各 扩展设备（FLASH存储器2、温度传感器3、超声波传感器4、A\D转换器5、水位传感器6、语 音播报器7、GSM求助器8)电压达到要求之前，DSP芯片始终处于复位状态，直到主控制器1 电压和扩展设备电压达到所要求的电平。同时如果电源的电压一旦降到门限值以下，则强 制DSP芯片进入复位状态，确保本实用新型导盲仪稳定工作。本实用新型中复位电路应确 保复位低电平时间足够长（一般需要20ms以上），保证DSP芯片可靠复位，且应保证稳定性 良好，防止DSP芯片误复位；复位电路中，复位按键的复位引脚接DSP芯片的复位引脚，DSP 芯片的复位引脚通过上拉电阻接至+3. 3V电压，DSP芯片的复位引脚经充电电容与复位按 键的地连接即可。JTAG仿真接口是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系 统进行仿真、测试。JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电 路TAP(Test Access Port，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。 本实用新型中DSP芯片的JTAG仿真接口满足IEEE 1149. 1标准，用来连接DSP芯片和外部 测试工具，实现对DSP芯片的实时访问。
[0022] 由于上述DSP芯片自身不带有FLASH存储器2,在做硬件设计时必须要考虑到本实 用新型导盲仪脱机运行的情况，程序代码的存储和固化是系统脱机运行的基础。在嵌入式 系统中，为了实现程序的脱机自动运行，程序一般均固化在电可擦除的FLASH存储器2中。 因此，本实用新型中，通过扩展的FLASH存储器2实现本实用新型导盲仪中各部分工作指 令的存储和固化，实现本实用新型导盲仪的脱机运行。其中，DSP芯片的数据线、地址线与 FLASH存储器2的数据线、地址线分别相连，FLASH存储器2的片选信号、读信号、写信号与 CPLD逻辑译码电路9的I/O逻辑引脚相连，通过CPLD逻辑译码电路9实现FLASH存储器2 片选信号、读信号、写信号的模拟。所述FLASH存储器2是新型的可电擦除的非易失性只读 存储器，属于EEPROM器件，与其它的ROM器件相比，其存储容量大、体积小、功耗低，特别是 其具有在系统可编程擦写而不需要编程器擦写的特点，使它迅速成为存储程序代码和重要 数据的非易失性存储器，成为嵌入式系统必不可少的重要器件。
[0023] 所述温度传感器3的控制线与DSP芯片的一个GPIO引脚相连，用来实时测量实 际环境温度。所述温度传感器3采用单总线数字温度传感器3,具有9?12位的测量精度， 温度测量范围为-55?+125°C，采用+5V电源供电。上述温度传感器3可准确测量外界温 度，抗干扰能力强，转换精度高，接口电路简单。
[0024] 所述超声波传感器4是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探 头，既能发射超声波，又能接收发射出去的超声波的回波，并能转换成电信号。本实用新型 中超声波传感器4与DSP芯片的一个GPIO引脚相连，用来模拟发射40KHz的超声波，超声 波遇障碍物反射的回波通过DSP芯片的外部中断引脚进行判断，并通过DSP芯片的内部定 时器进行精确计时，得到超声波到障碍物的距离。本实用新型的测距范围为〇?3米。
[0025] 由于超声波信号在空气中传播速度会随介质温度的升高而增加，气温每上升1°C， 声波速度增加〇. 6m/s，所以在测量中要考虑温度变化的因素，根据温度传感器3实时测量 实际环境温度，对超声波的声速进行温度补偿，减少测量误差，提高测距精度。
[0026] 所述水位传感器为全密封小型液位传感器6,采用MEMS技术，选用高稳定性、高可 靠性传感器，且具有高可靠性的放大电路，利用压力与液位高度正比的关系，输出与被测液 位高度成正比的模拟信号。水位传感器的模拟信号输出引脚与A/D转换器5的模拟输入引 脚相连。本实用新型中小型的液位传感器6量程范围为0?1米，传感器直径Φ4_、高度 12mm〇
[0027] 上述A/D转换器5的芯片与DSP芯片的一组McBSP串行接口（McBSP串行接口配 置为SPI模块）相连，因 McBSP的串口发送时钟与AD7887的工作时钟反向，所以McBSP的 串口发送时钟通过CPLD逻辑译码电路9软件译码后，反向后的时钟信号由CPLD逻辑译码 电路9 一个引脚输出，并与AD7887的工作时钟相连，实现时钟控制。通过DSP控制A/D转 换芯片对水位传感器输出的模拟信号进行模数转换。本实用新型中A/D转换芯片型号为 AD7887,是一款高速、低功耗、12位的模数转换器，供电电压为+5V，具有125kSPS的吞吐率， 转换的信号速率可达2. 5MHz ;且具有单/双通道两种工作模式和灵活的电源管理模式，并 可通过芯片上的控制寄存器进行转换。在缺省的单通道模式中，AD7887还可作只读ADC。
[0028] 所述语音播报器7采用高集成度的语音合成芯片，可实现中文、英文语音合成；并 集成了语音编码、解码功能，支持用户进行录音和播放。用户可选用耳机或扬声器播报。语 音播报单元用来提醒盲人距前方障碍物的距离或路段的积水信息。
[0029] 所述GSM求助器8采用集成的GSM模块，具有开放的44引脚接口，由串口进行控 制，方便用户进行二次开发。GSM求助器8用来在盲人遇到危险或紧急情况时，向设定的求 助人发送求助短信或求助电话。GSM模块的读信号、写信号、片选信号均通过CPLD逻辑译码 电路9软件译码实现。
[0030] 上述语音播报器7与GSM求助器8均采用串口与DPS芯片进行通信，因 TMS320VC5416型号DSP芯片无串口外设，因此，本实用新型中DSP芯片采用两片16C550芯 片进行两组串口扩展，实现DSP芯片并口到串口的转换，使DSP芯片可快速高效地与语音播 报器7、GSM求助器8进行通讯。其中，16C550芯片的片选信号、读信号、写信号、主复位信 号均通过CPLD逻辑译码电路9软件译码实现。
[0031] 所述蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于TMS320VC5416DSP芯片的GPIO 口 是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流即可。 TMS320VC5416DSP芯片的GPIO引脚经4. 7K Ω接NPN三极管的b极，三极管的c极接蜂鸣器 的控制引脚，三极管的e极接GND，蜂鸣器的电源引脚接5V电压即可。本实用新型导盲仪不 选用语音实时播报时，可选用蜂鸣器报警。语音播报和蜂鸣器的播报通过拨码开关进行选 择。
[0032] 所述夜晚警戒灯通过开关与+5V电源相连，通过开关控制其点亮与关闭的状态。 夜晚警戒灯用于盲人夜晚出行时提醒车辆或行人进行避让，进一步保证盲人出行的安全。
[0033] 所述CPLD逻辑译码电路9为扩展的外设提供匹配的时序要求和关键的控制信号， 满足硬件设计的需要。其采用+3. 3V电源供电，仿真接口为标准的JTAG接口，根据硬件设计 译码的要求，定义为输入端的IO主要是来自DSP芯片的部分数据线、部分地址线、K (10空 间的片选信号）、涵（数据空间的片选信号）、两(程序空间的片选信号）、IOSTRB (I/O 选通信号）、兄玩^ (存储器选通信号）、R/$ (读写信号）、而（复位信号）、ΜΡΜ0、 串行时钟BCLKX等信号；定义为输出端的IO主要是FLASH存储器2的片选信号、读信号、写 信号、复位信号、准备好信号；A/D转换芯片的时钟信号；GSM模块的片选信号、读信号、写信 号；扩展串口外设的片选信号、读信号、写信号、主复位信号。
[0034] 本实用新型导盲仪还具有GSM求助器8按键，警戒灯开启/关闭的开关，以及GSM 求助器8中求助人电话号码更改的按键。
【权利要求】
1. 一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：包括主控制器、FLASH存储器、温度传感器、超 声波传感器、A\D转换器、水位传感器、语音播报器、GSM求助器、CPLD逻辑译码电路、蜂鸣器 与警戒灯；其中，主控制器采用DSP芯片，具有JTAG仿真接口以及由电源电路、时钟电路、 复位电路构成的控制电路；FLASH存储器与DSP芯片及逻辑译码电路相连；DSP芯片还与温 度传感器、超声波传感器相连；水位传感器通过A/D转换器与DSP芯片相连；语音播报器与 GSM求助器均采用串口与DPS芯片进行通信；蜂鸣器通过放大电路与DPS芯片相连；警戒 灯通过开关与电源电路相连；逻辑译码电路输入端的IO来自DSP芯片的部分数据线、部分 地址线、B、M、两、IOSTRB、MSTRB、R/W、品、MP/^--、串行时钟 BCLKX信号； 输出端的IO为FLASH存储器的片选信号、读信号、写信号、复位信号、准备好信号；A/D转 换芯片的时钟信号；GSM模块的片选信号、读信号、写信号；扩展串口外设的片选信号、读信 号、写信号、主复位信号。
2. 如权利要求1所述一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：所述电源电路具有±12V、 +5V、+3. 3V和+1. 6V输出电压，± 12V和+5V电压分别给扩展外设供电，+3. 3V和+1. 6V电 压分别给DSP芯片的I/O接口和CPU内核供电。
3. 如权利要求1所述一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：所述时钟电路采用IOMHz 有源晶振，时钟电路晶振输出引脚与DSP芯片的时钟引脚相连。
4. 如权利要求1所述一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：所述JTAG仿真接口满足 IEEE 1149. 1 标准。
5. 如权利要求1所述一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：所述温度传感器采用单总 线数字温度传感器，具有9?12位的测量精度，温度测量范围为-55?+125°C，采用+5V电 源供电。
6. 如权利要求1所述一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：所述水位传感器6量程范 围为0?1米，传感器直径Φ4mm、高度12mm。
7. 如权利要求1所述一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：所述A/D转换芯片型号为 AD7887,是一款高速、低功耗、12位的模数转换器，供电电压为+5V，具有125kSPS的吞吐率， 转换的信号速率可达2. 5MHz ;且具有单/双通道两种工作模式和灵活的电源管理模式。
8. 如权利要求1所述一种嵌入式智能导盲仪，其特征在于：还具有GSM求助器按键，警 戒灯开启/关闭的开关，以及GSM求助器中求助人电话号码更改的按键。
【文档编号】G08B21/02GK204170056SQ201420585807
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】刘红梅, 曲爱玲, 周晓峰 申请人:北京农业职业学院