一种动作和声音同步的智能玩具的制作方法

专利名称：一种动作和声音同步的智能玩具的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电子玩具，特别是涉及可以执行动作和播放声音的玩具，具体是 一种玩具的动作和声音同步关联，其动作和声音内容可以由用户设定配置并通过多种方式 下载更新的智能玩具，适用于电子智能玩具产品，特别是教育类和益智类玩具产品。
背景技术：
随着科技的发展和技术的进步，世界玩具产业不断发展变化，现代玩具产业正在朝着 智能玩具时代迈进。用新技术开发新玩具已成为发展趋势，高科技含量的智能玩具已是玩 具发展的主流。如今市面上不乏各类电子玩具产品，然而大部分的电子玩具在动作和声音 功能上有待于进一步改善这些玩具的动作和声音内容不够丰富，有点只有动作，有的只 有声音，即便少数同时集成了动作和声音的玩具，其动作和声音之间也缺乏协调配合。这 些电子玩具另一个缺陷是动作和声音内容由制作工厂设定配置，出厂以后没办法在不改变 硬件的前提下更新动作和声音内容，内容的一成不变容易使玩家日久生厌。上述现有电子 玩具的缺陷和不足在教育类和益智类玩具应用上表现得尤其突出，教育类和益智类玩具用 户往往希望能以很低的成本和便捷的途径更新玩具的教育内容，而现有的教育类和益智类 玩具尚不能满足用户的这个需求。

实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的缺点，提供一种玩具动作和声音同 步关联，且动作和声音内容可以由玩家更新的智能玩具。
本实用新型通过用户在PC机上利用配置软件设定、配置好玩具的动作和声音内容， 再通过配置软件生成一种可以被玩具硬件系统解释和执行的文件，之后通过USB将包含动 作和声音信息的配置文件下载到玩具中，从而实现玩具动作和声音的用户自定义和更新。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现
一种动作和声音同步的智能玩具，包括下载通道、嵌入式处理器、玩具动作驱动电路、
玩具声音播放电路和存储芯片；所述嵌入式处理器通过下载通道与PC机连接；所述嵌入 式处理器还分别与玩具动作驱动电路、玩具声音播放电路和存储芯片连接；玩具动作驱动 电路为驱动玩具的前进、后退、转弯动作电机驱动电路和驱动玩具LED闪烁以及驱动玩具 震动电路。
本实用新型包括提供一个用户端图形化界面的编辑软件，运行在PC机上；提供一套嵌入式控制系统，装载在玩具内部；提供包括采用USB，无线电等方式的下载通道，在PC 机和智能玩具之间建立起通信链路。
与现有技术相比，本实用新型采用动作和声音同步且可更新的玩具， 一方面改进了电 子玩具在动作和声音表现上的效果，提高了玩具的趣味性；另一方面，本实用新型提出玩 具动作和声音可下载更新的模式，改进了现有玩具动作和声音内容出厂后就被固定，不容
易更新的问题，从而容易让玩家日久生厌的问题，提高玩具的趣味性和生命力；特别适用
于教育类和益智玩具。


图1是本实用新型一种动作和声音同步的智能玩具方法的总体结构框图。
图2是本实用新型一种动作和声音同步且可更新的智能公仔的硬件电路结构图。
图3是本实用新型一种动作和声音同步且可更新的智能公仔的软件流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本实用新型作进一步描述，但本实用新型要求保护的内容 并不局限于实施方式记载的内容。
图1示出了本实用新型一种动作和声音同步的智能玩具的一般总体结构框图。其中PC 机101是指用户电脑，对玩具动作和声音进行编辑、定制的软件就运行在PC机101上。 同时PC机101设有相应下载通道的电路接口 。 PC机101通过下载通道102与嵌入式处理 器104连接，嵌入式处理器104分别与玩具动作驱动电路103、玩具声音播放电路105、传 感器网络106、存储芯片107和对外通讯电路108连接。用户可以在PC机上用软件编辑玩 具的动作和声音，并将这些个性化定制通过软件生成一种约定格式的配置文件，利用下载 通道把配置文件下载到智能玩具硬件平台，硬件平台负责解释配置文件，更新内部存储的 玩具动作和声音内容，执行用户定制的动作和声音。
下载通道102用来连接PC机101和玩具硬件平台，下载通道102有多种实现方式， 可根据玩具的具体应用环境，成本等因素来选择一种实现方式。如图2所给出的实施例中 采用了USB下载技术。
玩具动作驱动电路103负责在嵌入式处理器104的控制下完成玩具所支持的动作，这 些动作是广义的，除了玩具声音播放之外，玩具对外界刺激的一切反应均视为玩具的动作， 既包括玩具的前进、后退、转弯等动作；也包括驱动玩具上安装的各种颜色的LED,通过 控制LED的亮度变化，形成闪烁或者图案效果等动作。玩具动作驱动电路103在具体实现 上取决于玩具的类型，比如对智能玩具车这类可以移动的玩具而言，该部分主要指电机驱 动电路(即驱动玩具的前进、后退、转弯等动作所对应的电机)。玩具动作的变化，包括玩 具所支持的一系列动作在执行顺序上的变化，在动作持续时间上的变化，在多个动作组合 方式上的变化等。其效果表现为玩具一边播放声音， 一边执行对应的动作。动作信息的产 生有两种方式， 一种基于预设算法由配置软件自动提取出来的；另一种是完全由用户通过 配置软件定制，而不依赖于软件预设的算法。后者允许用户对玩具的动作执行顺序进行个 性化定制。
嵌入式处理器104是整个玩具硬件上的核心，负责控制玩具的行为控制。嵌入式处理 器104需要具备较强的运算能力，支持大容量存储芯片能力(或者能够通过添加相应接口 电路支持SD卡之类的移动存储介质)，支持对应的下载通道接口，比如采用USB下载则 要有相应的USB接口电路。嵌入式处理器104通过下载通道102跟PC机101建立通信连 接，从而完成玩具动作和声音配置文件的下载；通过外接存储芯片107存储所下载的玩具 动作和声音配置文件，并在执行玩具动作和播放声音的时候从存储芯片107中读取出来， 通过驱动玩具声音播放电路105播放声音，通过玩具动作驱动电路103执行动作。嵌入式 处理器可以是单片机，ARM控制器，DSP控制器等，可以根据玩具的具体应用环境，成本 等因素进行选择。
玩具声音播放电路105主要指音频驱动电路，根据具体的应用，其主要为数字化接口 的音频DAC驱动电路，如TI公司的PCM1770芯片；也可以是普通分立元件(三极管)构 建的音频驱动电路。需要说明的是，如果PC机软件对声音文件的处理不包括解码过程， 而嵌入式处理器104本身不能直接播放配置文件中的声音，则本部分玩具声音播放电路105 一般还需要包括一个音频解码器，如图2所示实施例中的MP3解码器。玩具动作和声音的 同步关联是动作的执行基于声音强度、频率等特征或者根据声音播放时间进度而发生变化。
传感器网络106用来实现智能玩具对外界"刺激"的感应，包括玩具对外界的声音、 光线强度、温度、用户的触摸、同类玩具之间的通讯信号等信号量的采集与检测。比如可 以使用电容式驻极体话筒传感器配合音频放大电路实现玩具对外界声音信号的采集；使用 光敏电阻配合处理器的ADC单元实现玩具对外界光线强度的采集；使用温度传感器，如 LM35芯片实现玩具对外界温度的检测;使用红外通信集成芯片如IRMS6542实现玩具之间 的红外通信。这部分作为智能玩具的选配功能，在成本因素占主导的应用场合可以不要。
存储芯片107用来存储玩具动作和声音配置文件，其实现方式有3种1、嵌入式处理 器104外接专用存储芯片，如各种闪存芯片，图2所示实例即属于这种情况；2、嵌入式处 理器104内置的闪存，对于所需存储空间较少的应用场合，可以采用内置较大容量闪存的 处理器，比如ADI公司的ADuC8XX系列，ATMEL公司的MEGA128等。3、嵌入式处理 器104本身不直接外接存储芯片107，而是采用支持USB HOST功能，或者支持SD卡，CF卡等接口的形式，从外部存储介质(U盘、SD卡、CF卡)读取其内容。
对外通讯电路108用于智能玩具与外界的互动，主要指玩具通过增加红外线技术，无 线电技术等，使玩具能接收用户的无线遥控，或者完成玩具之间的相互通信。比如采用集 成芯片IRMS6542可以方便地构建红外通信电路；采用2.4GHz无线收发芯片RF2401或者 无线模块DTR902S可以方便地构建无线电通信电路，其中RF2410的控制可以由处理器的 SPI接口完成(对于缺少硬件SPI接口的处理器可以用10 口模拟SPI,但会牺牲传输速度， DTR902S模块则可以由处理器的串口直接控制；图2所示实施例中即采用了红外线技术和 无线电遥控技术。
本实用新型动作和声音同步的智能玩具包括玩具的动作和声音的同步关联技术、玩具 的动作和声音的下载更新技术、实现声音和动作同步执行的智能玩具硬件平台三个部分。 动作和声音同步关联技术是指玩具动作的执行在时间上跟声音的播放同步，在具体内容或 者表现形式上依赖于声音的特征和声音播放情况。玩具的动作和声音的用户端配置软件， 提供一个图形化编辑界面，供用户设置、编辑动作和声音信息，生成一类包含动作和声音 的配置文件，该配置文件被下载到玩具硬件平台，并被解释执行，从而完成玩具动作和声 音的用户个性化定制。玩具的动作和声音的下载更新技术，是指采用USB技术，无线电通 讯技术等方式，通过设计对应的下载接口电路和下载通信协议，在PC机和智能玩具之间 建立起通信链路，从而实现玩具的动作和声音的下载更新。本实用新型智能玩具硬件平台 采用嵌入式处理器为控制核心，采用多种传感器用于检测外界对玩具的刺激(包括用户的 遥控指令)，可以采用声、光、电技术实现玩具的动作执行和声音播放，可以采用非易失性 存储器存放用户配置好的动作和声音文件，可以采用电池供电。本实用新型动作和声音同 步的智能玩具的具体说明见如下实施例——智能公仔。
如图2所示，预先对智能公仔所支持的动作进行数字编号，比如前进动作编号为一， 后退动作编号为二。这种编号方式是玩具硬件平台的处理器所支持的(即硬件平台负责解 释配置文件的那部分代码要遵从这种动作编号约定)，用户可以通过PC机上的配置软件将 MP3格式的声音文件与所编辑的动作结合生成配置文件，然后利用USB下载到智能公仔 中，智能公仔硬件开始运行内部下载更新程序，从配置文件中提取出MP3格式的声音文件， 存储到外接的闪存芯片中，同时把对应的动作信息转换为处理器支持的特定动作代码，保 存到处理器内部闪存中，从而实现了声音和动作内容的更新；此后处理器开始运行MP3播 放程序，该程序一边从闪存芯片中读取MP3文件， 一边从处理器内部闪存中读取相应的动 作代码，从而实现动作和声音的同步效果。
如图2所示，AVRmegal6单片机201 (对应图1中的嵌入式处理器104)拥有内部16K闪存，内置ADC，可用于玩具对外界模拟数据的采集，内部有3个定时器，支持最多4路， 最高频率可以达到32.5K Hz (内部8M晶振频率)的PWM输出，足以满足玩具电机驱动 电路的应用要求。
无线电接收端202采用PT2272解码芯片，负责接收并解码无线电手持发送端300发送 的无线信号。PT2272解码芯片提供6路解码输出电平信号，AVR megal6单片机201使用 6个IO口与之连接。同时这6个I0 口通过与门电路共享单片机一个外部中断IO 口。当外 部中断IO口产生中断时，AVR megal6单片机201读取相应IO 口的电平状态，6个IO 口 可以区分无线电手持发送端300发送的6种不同指令。PT2272解码芯片的供电与AVR megal6单片机201同电源，均采用5V电池供电。
无线电手持发送端300采用PT2262编码芯片，其6路输入连接到6个按键，一节9V 电池为其提供电源。当6个按键中的某一个按下，PT2262编码芯片将产生相应的编码信息， 通过高频无线电波发送。
MP3解码器203采用VS1003芯片，该芯片支持MP3格式和WAV格式音频文，内置 DAC驱动电路，因此可以省掉外接DAC芯片，直接驱动小功率喇叭204。 MP3解码器203 与AVRmega16单片机201通过SPI接口连接，AVRmega16单片机201为SPI主机，MP3 解码器203为从机，AVR megal6单片机201从存储器中读取MP3格式音频文件发送给 MP3解码器203进行播放。
LED指示灯模块组205包括2只红色直插LED， 1只绿色直插LED，其中2只红色LED 装在智能公仔的眼睛处，配合所播放的音乐闪烁；绿色直插LED用于USB接口电路，当 启动玩具的USB下载功能时，该指示灯闪烁，以标识下载正在进行。
NAND FLASH存储芯片206采用K9F1208存储芯片，64M字节容量，由于AVR megal6 单片机201本身不带NAND FLASH控制器，因此单片机通过普通IO 口模拟时序实现对 K9F1208存储芯片的存取。
红外接收207和红外发射208共同组成玩具对外通讯电路。其中红外接收207采用 TL0038模块，内置38K带通滤波器，连接在AVRmega16单片机201的串口接收端，当红 外接收207接收到正确的红外传输数据时，触发AVRmegal6单片机201的串口接收中断； 红外发射208采用普通红外发射管，由AVRmegal6单片机201内部定时器产生38K载波， 再通过曼彻斯特编码加载在串口发送端发送。
电机驱动209负责智能公仔内部电机的驱动，采用中功率三极管8050、 8550构建H 桥电路实现。H桥的驱动由AVR megal6单片机201定时器产生的PWM提供。在程序设 计上，这部分驱动的代码由一个PWM底层函数实现，只需要在调用该函数时提供代表动作种类和动作持续时间(单位秒)的入口参数即可。
USB芯片210和USB接口座211组成USB下载通道，USB芯片210采用飞利浦的 PDIUSBD12，支持USBl.l协议，应用比较广泛。PDIUSBD12的8位的数据10 口连接到 AVR megal6单片机201其中的一个8位10端口 ， PDIUSBD12的WR、 RD、 INT分别占 用单片机另外3个10 口，其中INT连接到单片机的带中断功能的IO 口上。AVR megal6 单片机201负责完成PDIUSBD12的配置(枚举)，从PDIUSBD12内部端点读取PC机发 送的数据和通过PDIUSBD12向PC机发送数据。
图3给出图2实施例——智能公仔的软件流程图。如图3所示，当玩具开机上电后， 处理器VRmegal6单片机首先复位，进入系统初始化(步骤301)，完成IO初始设定以及 外围电路如PDIUSBD12和VS1003芯片的初始化工作；USB下载在系统初始化完成之后 査询是不是需要启动USB下载功能(步骤302)，如果满足USB下载条件，则进入USB下 载处理(步骤303)， USB下载处理完成之后，依次执行更新存储器(步骤304)和更新动 作列表(步骤305)。如果USB下载302不需要进行USB下载，则执行主函数(步骤306)， 主函数根据一些全局变量决定是否调用声音播放函数(步骤307)和动作处理函数(步骤 308)。当动作处理函数执行完成之后，进入结束(步骤309)，此处也是程序的主循环部分， 此时只有中断才能使处理器从执行主循环中跳出来，中断入口用于提供中断处理(步骤 310)，当处理器产生中断后，程序首先会判别中断来源，依次査询该中断是外部中断(步 骤311)还是串口中断(步骤313)。如果是外部中断，则执行无线遥控处理(步骤312); 如果是串口中断，则执行红外通讯处理(步骤314)。不管是无线遥控处理还是红外通讯处 理，执行完后均会返回到主函数处，执行主函数。
如上所述即可较好实施本实用新型。
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权利要求1、一种动作和声音同步的智能玩具，其特征在于该智能玩具包括下载通道、嵌入式处理器、玩具动作驱动电路、玩具声音播放电路和存储芯片；所述嵌入式处理器通过下载通道与PC机连接；所述嵌入式处理器还分别与玩具动作驱动电路、玩具声音播放电路和存储芯片连接；玩具动作驱动电路为驱动玩具的前进、后退、转弯动作电机驱动电路和驱动玩具LED闪烁以及驱动玩具震动电路。
2、 根据权利要求1所述的动作和声音同步的智能玩具，其特征在于所述的下载通道为 USB接口。
3、 根据权利要求1所述的动作和声音同步的智能玩具，其特征在于所述的嵌入式处理 器为单片机、ARM控制器或DSP控制器。
4、 根据权利要求1所述的动作和声音同步的智能玩具，其特征在于所述的玩具声音播 放电路为音频驱动电路。
5、 根据权利要求4所述的动作和声音同步的智能玩具，其特征在于所述的音频驱动电 路还包括一个音频解码器。
6、 根据权利要求1所述的动作和声音同步的智能玩具，其特征在于所述的智能玩具还 包括传感器网络，所述传感器网络与嵌入式处理器连接。
7、 根据权利要求1所述的动作和声音同步的智能玩具，其特征在于所述存储芯片为闪 存芯片或内置闪存的处理器。
8、 根据权利要求1所述的动作和声音同步的智能玩具，其特征在于所述智能玩具还设 有用于智能玩具与外界的互动的对外通讯电路，对外通讯电路与嵌入式处理器连接。
专利摘要本实用新型公开一种动作和声音同步的智能玩具。该智能玩具包括下载通道、嵌入式处理器、玩具动作驱动电路、玩具声音播放电路和存储芯片；所述嵌入式处理器通过下载通道与PC机连接；所述嵌入式处理器还分别与玩具动作驱动电路、玩具声音播放电路和存储芯片。该智能玩具允许用户通过PC机与下载通道下载到嵌入式处理器，嵌入式处理器负责解释配置文件，提取动作和声音信息，更新内部存储器存储的玩具动作和声音内容。本实用新型可根据声音信息同步执行动作，且动作和声音内容可由用户编辑和下载更新，支持多种更新方式，解决了现有电子玩具无法良好地实现声音与动作的同步和更新下载的问题。
文档编号A63H11/00GK201179350SQ20082004700
公开日2009年1月14日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者炎 匡, 徐向民, 黄建敬, 黄晓泓 申请人:华南理工大学