基于單片機控制的新型智能電梯語音系統設計

　　摘 要：本文設計了一種基于單片機控制的智能電梯語音系統，對整個系統的電路原理、單片機、CPLD和解碼器的接口等硬件原理作了詳細論述。軟件部分針對電梯語音服務的要求，通過對電梯系統中特殊信號的邏輯判斷，來完成對電梯語音服務的智能化控制，成功實現了電梯語音服務的智能化和自動化。

　　關鍵詞：MP3;STC89C58RD+C;VS1011E;語音系統;解碼器

　　引言

　　語音系統對電梯來說是不可缺少的部分，比如進行樓層報數、方向提示、報警告示、消防對講甚至廣告宣傳等。目前絕大多數電梯使用語音芯片來進行語音存儲和播放，而語音芯片系統存在一些缺陷，比如外圍電路復雜、音質不佳、成本偏高、容量有限以及語音更改不便等。有鑒于此，本文設計了一款基于單片機控制的智能電梯語音系統。

　　系統概述

　　電梯控制系統的基本功能，是根據用戶的樓層按鍵信息，顯示到往樓層數字，語音播報到達樓層。系統框圖如圖1所示。

　　圖1 電梯語音系統結構框圖

　　硬件設計

　　根據FLASH的讀寫規則和MP3的解碼協議，事先設定CPLD的邏輯規則。控制器按照輸入的信息，向CPLD發出控制命令和傳送數據。CPLD根據接收到的命令按照邏輯規則讀寫FLASH以及對MP3設定內部控制寄存器和輸送音頻數據。MP3輸出的模擬信號可以直接推動耳機發音，但是如果需要推動大功率揚聲器，還需要外接功率放大器。

　　系統微控制器采用了STC89C58RD+C，它是新一代51增強型高性能單片機，具有加密性強、超強抗干擾、超低功耗、在系統可編程、可供應內部集成 MAX810 專用復位電路等特點。STC89C58RD+C擁有32K的FLASH和16K的EEPROM，而值得關注的是其內含的1280 Byte內部SRAM存儲空間，在音頻數據處理和顯示數據處理需要進行較大數據緩沖的情況下，選擇該款具有大容量內部存儲器的單片機，可以勝任系統的控制要求。

　　本文使用CPLD負責邏輯控制和數據傳遞。CPLD電路使用XC9572-VQ64，它擁有72個宏單元、1600個可用門電路、52個I/O口，具有低至2.5V供電，可在線編程等特性。

　　MP3解碼芯片VS1011E工作原理與電路設計

　　VS1011E音頻解碼芯片為VS10XX系列的第三代產品，它內部包含一個高性能、低功耗的DSP處理核，一個5.5KB 片內RAM可供用戶存儲代碼和數據，一個串行SPI總線接口，一個雙聲道采樣頻率可調的16位DAC。工作于12.288MHz~14MHz或24.576MHz~28MHz時鐘頻率下，可以解碼MPEG1&2 Layer1、2、3以及MPEG2.5 Layer3、WAV和PCM格式文件。

　　VS1011E的工作流程

　　VS1011E的工作流程如圖2所示。

　　圖2 解碼芯片VS1011E工作流程圖

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　　本系統中，MP3或WAV格式音頻文件首先通過SDI總線進入芯片內部，并解碼。

　　解碼后，如果SCL_AIADDR != 0,將會執行應用區代碼，代碼地址由相應的地址寄存器提供。然后，按照SCL_BASS寄存器(SB_AMPLITUDE位和ST_AMPLITUDE位)的設置，數據可能會被送到低音和高音優化器進行音效處理。此后，數據通過音量控制單元，同時備份到音頻FIFO中。音頻FIFO保持數據，并作為采樣率轉換器和DAC的輸入。采樣率轉換器將所有不同采樣率轉換成CLKI/512，輸送給DAC。DAC按位依次產生立體聲模擬信號。

　　由于本系統為電梯系統，推動大功率揚聲器發聲需要外置功放。這里功放采用的是CD4752CZ，該功放具有較大的電壓范圍和抗干擾能力，適合電壓波動大，外界干擾強的電梯工作環境。

　　存儲器的組織結構

　　系統采用NAND閃存K9F5608作為存儲器。NAND閃存以塊(block)和頁(page)為存儲單元。K9F5608包括2048塊，每1塊又包括32頁，1頁大小為528字節，依次分為2個256字節的數據區，最后是16字節的備用空間。

　　軟件設計

　　電梯在運行過程中，如果沒人去按鍵,那么電梯語音系統就播報一些廣告、天氣預報等，同時根據要求伴有點陣或液晶顯示。當有鍵按下時，語音系統則會根據按下的鍵值調用相應的按鍵處理程序，比如到達的樓層數等。主程序流程圖如圖3所示。

　　圖3 系統主流程圖

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　　VS1011E的軟件設計

　　本系統音頻解碼芯片采用VS1011E，控制流程如圖4所示。

　　圖4 解碼芯片VS1011E控制流程圖

　　VS1011E通過一個工作于從模式的SPI串行總線與主機進行數據和控制信息的交流，音頻數據通過串行數據接口(SDI)傳送，控制數據則通過串行控制接口(SCI)傳送。

　　VS1011E的SPI接口具有兩種工作模式：VS1002新模式(SM_SDINEW = 1)和VS1001兼容模式(SM_SDINEW = 0)。當SM_SDISHARED = 0時，控制信號和數據信號的傳送分別采用XCS和XDCS作為同步信號;當SM_SDISHARED = 1時，共用XCS作為同步信號。

　　作為從機工作模式，VS1011E通過一個信號線Dreq指示是否允許主機傳送數據，當Dreq為高時，VS1011E至少可以接受32KB的SDI數據或者SCI控制命令。

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　　軟件控制要點

　　對MP3解碼器進行控制時應注意以下6點：

　　(1)設置內部控制寄存器MODE的參數。包括支持文件格式、軟啟動設置、數據流模式設置、DCLK觸發沿設置和SDI數據首位設置等。SM_SDINEW和SM_SDISHARED設置也在這里進行。

　　(2)如果時鐘速率不是24.576MHz，需要設置SCI_CLOCKF寄存器。若通過改變SCI_CLOCKF使用倍頻時鐘，應該將適當的采樣速率寫入SCI_AUDATA寄存器，等待至少11000個時鐘后才可以進行SPI通信。

　　(3)設置音量寄存器SCI_VOL;0位為最大音量，0xFEFE位為靜音，0xFFFF將觸發模擬調電模式。

　　(4)若希望強化低音和高音，可以設置寄存器SCI_BASS。

　　(5)若使用用戶代碼，通過將SCI_AIADDR置零關閉它。

　　(6)若采用RAM級的用戶代碼，可以通過激活SCI_WRAM、SCI_WRAMADDR、SCI_AIADDR來裝載這些數據實現所需功能。

　　結語

　　基于MP3的語音系統如今越來越受到人們的重視和喜愛，它們被應用到更多的工業領域，如公共汽車的站名播報系統等。由于具有良好的性能，基于MP3的語音系統將在非專業音響領域也得到更廣泛的應用。■

　　參考文獻

　　1.STC89C51RC-RD+_GUIDE-CHINESE. http://www.mcu-memory.com

　　2.高紅亮,周晟等. 一種智能電梯語音系統的設計. 工業控制技術,2005年10月