基于单片机控制的新型智能电梯语音系统设计

　　摘 要：本文设计了一种基于单片机控制的智能电梯语音系统，对整个系统的电路原理、单片机、CPLD和解码器的接口等硬件原理作了详细论述。软件部分针对电梯语音服务的要求，通过对电梯系统中特殊信号的逻辑判断，来完成对电梯语音服务的智能化控制，成功实现了电梯语音服务的智能化和自动化。

　　引言

　　语音系统对电梯来说是不可缺少的部分，比如进行楼层报数、方向提示、报警告示、消防对讲甚至广告宣传等。目前绝大多数电梯使用语音芯片来进行语音存储和播放，而语音芯片系统存在一些缺陷，比如外围电路复杂、音质不佳、成本偏高、容量有限以及语音更改不便等。有鉴于此，本文设计了一款基于单片机控制的智能电梯语音系统。

　　系统概述

　　电梯控制系统的基本功能，是根据用户的楼层按键信息，显示到往楼层数字，语音播报到达楼层。系统框图如图1所示。

　　图1 电梯语音系统结构框图

　　硬件设计

　　根据FLASH的读写规则和MP3的解码协议，事先设定CPLD的逻辑规则。控制器按照输入的信息，向CPLD发出控制命令和传送数据。CPLD根据接收到的命令按照逻辑规则读写FLASH以及对MP3设定内部控制寄存器和输送音频数据。MP3输出的模拟信号可以直接推动耳机发音，但是如果需要推动大功率扬声器，还需要外接功率放大器。

　　系统微控制器采用了STC89C58RD+C，它是新一代51增强型高性能单片机，具有加密性强、超强抗干扰、超低功耗、在系统可编程、可供应内部集成 MAX810 专用复位电路等特点。STC89C58RD+C拥有32K的FLASH和16K的EEPROM，而值得关注的是其内含的1280 Byte内部SRAM存储空间，在音频数据处理和显示数据处理需要进行较大数据缓冲的情况下，选择该款具有大容量内部存储器的单片机，可以胜任系统的控制要求。

　　本文使用CPLD负责逻辑控制和数据传递。CPLD电路使用XC9572-VQ64，它拥有72个宏单元、1600个可用门电路、52个I/O口，具有低至2.5V供电，可在线编程等特性。

　　MP3解码芯片VS1011E工作原理与电路设计

　　VS1011E音频解码芯片为VS10XX系列的第三代产品，它内部包含一个高性能、低功耗的DSP处理核，一个5.5KB 片内RAM可供用户存储代码和数据，一个串行SPI总线接口，一个双声道采样频率可调的16位DAC。工作于12.288MHz~14MHz或24.576MHz~28MHz时钟频率下，可以解码MPEG1&2 Layer1、2、3以及MPEG2.5 Layer3、WAV和PCM格式文件。

VS1011E的工作流程

　　VS1011E的工作流程如图2所示。

　　图2 解码芯片VS1011E工作流程图

　　本系统中，MP3或WAV格式音频文件首先通过SDI总线进入芯片内部，并解码。

　　解码后，如果SCL_AIADDR != 0,将会执行应用区代码，代码地址由相应的地址寄存器提供。然后，按照SCL_BASS寄存器(SB_AMPLITUDE位和ST_AMPLITUDE位)的设置，数据可能会被送到低音和高音优化器进行音效处理。此后，数据通过音量控制单元，同时备份到音频FIFO中。音频FIFO保持数据，并作为采样率转换器和DAC的输入。采样率转换器将所有不同采样率转换成CLKI/512，输送给DAC。DAC按位依次产生立体声模拟信号。

　　由于本系统为电梯系统，推动大功率扬声器发声需要外置功放。这里功放采用的是CD4752CZ，该功放具有较大的电压范围和抗干扰能力，适合电压波动大，外界干扰强的电梯工作环境。

　　存储器的组织结构

　　系统采用NAND闪存K9F5608作为存储器。NAND闪存以块(block)和页(page)为存储单元。K9F5608包括2048块，每1块又包括32页，1页大小为528字节，依次分为2个256字节的数据区，最后是16字节的备用空间。

　　软件设计

　　电梯在运行过程中，如果没人去按键,那么电梯语音系统就播报一些广告、天气预报等，同时根据要求伴有点阵或液晶显示。当有键按下时，语音系统则会根据按下的键值调用相应的按键处理程序，比如到达的楼层数等。主程序流程图如图3所示。

　　图3 系统主流程图

　　VS1011E的软件设计

　　本系统音频解码芯片采用VS1011E，控制流程如图4所示。

　　图4 解码芯片VS1011E控制流程图

VS1011E通过一个工作于从模式的SPI串行总线与主机进行数据和控制信息的交流，音频数据通过串行数据接口(SDI)传送，控制数据则通过串行控制接口(SCI)传送。

　　VS1011E的SPI接口具有两种工作模式：VS1002新模式(SM_SDINEW = 1)和VS1001兼容模式(SM_SDINEW = 0)。当SM_SDISHARED = 0时，控制信号和数据信号的传送分别采用XCS和XDCS作为同步信号;当SM_SDISHARED = 1时，共用XCS作为同步信号。

　　作为从机工作模式，VS1011E通过一个信号线Dreq指示是否允许主机传送数据，当Dreq为高时，VS1011E至少可以接受32KB的SDI数据或者SCI控制命令。

　　软件控制要点

　　对MP3解码器进行控制时应注意以下6点：

　　(1)设置内部控制寄存器MODE的参数。包括支持文件格式、软启动设置、数据流模式设置、DCLK触发沿设置和SDI数据首位设置等。SM_SDINEW和SM_SDISHARED设置也在这里进行。

　　(2)如果时钟速率不是24.576MHz，需要设置SCI_CLOCKF寄存器。若通过改变SCI_CLOCKF使用倍频时钟，应该将适当的采样速率写入SCI_AUDATA寄存器，等待至少11000个时钟后才可以进行SPI通信。

　　(3)设置音量寄存器SCI_VOL;0位为最大音量，0xFEFE位为静音，0xFFFF将触发模拟调电模式。

　　(4)若希望强化低音和高音，可以设置寄存器SCI_BASS。

　　(5)若使用用户代码，通过将SCI_AIADDR置零关闭它。

　　(6)若采用RAM级的用户代码，可以通过激活SCI_WRAM、SCI_WRAMADDR、SCI_AIADDR来装载这些数据实现所需功能。

　　结语

　　基于MP3的语音系统如今越来越受到人们的重视和喜爱，它们被应用到更多的工业领域，如公共汽车的站名播报系统等。由于具有良好的性能，基于MP3的语音系统将在非专业音响领域也得到更广泛的应用。■

　　参考文献

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

　　2.高红亮,周晟等. 一种智能电梯语音系统的设计. 工业控制技术,2005年10月