語音系統(tǒng)對(duì)電梯來說是不可缺少的部分，比如進(jìn)行樓層報(bào)數(shù)、方向提示、報(bào)警告示、消防對(duì)講甚至廣告宣傳等。目前絕大多數(shù)電梯使用語音芯片來進(jìn)行語音存儲(chǔ)和播放，而語音芯片系統(tǒng)存在一些缺陷，比如外圍電路復(fù)雜、音質(zhì)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(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制的智能電梯語音系統(tǒng)。

系統(tǒng)概述
    電梯控制系統(tǒng)的基本功能，是根據(jù)用戶的樓層按鍵信息，顯示到往樓層數(shù)字，語音播報(bào)到達(dá)樓層。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 電梯語音系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)FLASH的讀寫規(guī)則和MP3的解碼協(xié)議，事先設(shè)定CPLD的邏輯規(guī)則?？刂破靼凑蛰斎氲男畔?，向CPLD發(fā)出控制命令和傳送數(shù)據(jù)。CPLD根據(jù)接收到的命令按照邏輯規(guī)則讀寫FLASH以及對(duì)MP3設(shè)定內(nèi)部控制寄存器和輸送音頻數(shù)據(jù)。MP3輸出的模擬信號(hào)可以直接推動(dòng)耳機(jī)發(fā)音，但是如果需要推動(dòng)大功率揚(yáng)聲器，還需要外接功率放大器。

    系統(tǒng)微控制器采用了STC89C58RD+C，它是新一代51增強(qiáng)型高性能單片機(jī)，具有加密性強(qiáng)、超強(qiáng)抗干擾、超低功耗、在系統(tǒng)可編程、可供應(yīng)內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路等特點(diǎn)。STC89C58RD+C擁有32K的FLASH和16K的EEPROM，而值得關(guān)注的是其內(nèi)含的1280 Byte內(nèi)部SRAM存儲(chǔ)空間，在音頻數(shù)據(jù)處理和顯示數(shù)據(jù)處理需要進(jìn)行較大數(shù)據(jù)緩沖的情況下，選擇該款具有大容量?jī)?nèi)部存儲(chǔ)器的單片機(jī)，可以勝任系統(tǒng)的控制要求。

    本文使用CPLD負(fù)責(zé)邏輯控制和數(shù)據(jù)傳遞。CPLD電路使用XC9572-VQ64，它擁有72個(gè)宏單元、1600個(gè)可用門電路、52個(gè)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(shè)計(jì)
    VS1011E音頻解碼芯片為VS10XX系列的第三代產(chǎn)品，它內(nèi)部包含一個(gè)高性能、低功耗的DSP處理核，一個(gè)5.5KB 片內(nèi)RAM可供用戶存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)，一個(gè)串行SPI總線接口，一個(gè)雙聲道采樣頻率可調(diào)的16位DAC。工作于12.288MHz~14MHz或24.576MHz~28MHz時(shí)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[nextpage]

    本系統(tǒng)中，MP3或WAV格式音頻文件首先通過SDI總線進(jìn)入芯片內(nèi)部，并解碼。

    解碼后，如果SCL_AIADDR != 0,將會(huì)執(zhí)行應(yīng)用區(qū)代碼，代碼地址由相應(yīng)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(shè)置，數(shù)據(jù)可能會(huì)被送到低音和高音優(yōu)化器進(jìn)行音效處理。此后，數(shù)據(jù)通過音量控制單元，同時(shí)備份到音頻FIFO中。音頻FIFO保持?jǐn)?shù)據(jù)，并作為采樣率轉(zhuǎn)換器和DAC的輸入。采樣率轉(zhuǎn)換器將所有不同采樣率轉(zhuǎn)換成CLKI/512，輸送給DAC。DAC按位依次產(chǎn)生立體聲模擬信號(hào)。

    由于本系統(tǒng)為電梯系統(tǒng)，推動(dòng)大功率揚(yáng)聲器發(fā)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(dòng)大，外界干擾強(qiáng)的電梯工作環(huán)境。

存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用NAND閃存K9F5608作為存儲(chǔ)器。NAND閃存以塊(block)和頁(yè)(page)為存儲(chǔ)單元。K9F5608包括2048塊，每1塊又包括32頁(yè)，1頁(yè)大小為528字節(jié)，依次分為2個(gè)256字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)，最后是16字節(jié)的備用空間。

軟件設(shè)計(jì)
    電梯在運(yùn)行過程中，如果沒人去按鍵,那么電梯語音系統(tǒng)就播報(bào)一些廣告、天氣預(yù)報(bào)等，同時(shí)根據(jù)要求伴有點(diǎn)陣或液晶顯示。當(dāng)有鍵按下時(shí)，語音系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)按下的鍵值調(diào)用相應(yīng)的按鍵處理程序，比如到達(dá)的樓層數(shù)等。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主流程圖

VS1011E的軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)音頻解碼芯片采用VS1011E，控制流程如圖4所示。[nextpage]

圖4 解碼芯片VS1011E控制流程圖

    VS1011E通過一個(gè)工作于從模式的SPI串行總線與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的交流，音頻數(shù)據(jù)通過串行數(shù)據(jù)接口(SDI)傳送，控制數(shù)據(jù)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(dāng)SM_SDISHARED = 0時(shí)，控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的傳送分別采用XCS和XDCS作為同步信號(hào);當(dāng)SM_SDISHARED = 1時(shí)，共用XCS作為同步信號(hào)。

    作為從機(jī)工作模式，VS1011E通過一個(gè)信號(hào)線Dreq指示是否允許主機(jī)傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)Dreq為高時(shí)，VS1011E至少可以接受32KB的SDI數(shù)據(jù)或者SCI控制命令。

軟件控制要點(diǎn)
     對(duì)MP3解碼器進(jìn)行控制時(shí)應(yīng)注意以下6點(diǎn)：

(1)設(shè)置內(nèi)部控制寄存器MODE的參數(shù)。包括支持文件格式、軟啟動(dòng)設(shè)置、數(shù)據(jù)流模式設(shè)置、DCLK觸發(fā)沿設(shè)置和SDI數(shù)據(jù)首位設(shè)置等。SM_SDINEW和SM_SDISHARED設(shè)置也在這里進(jìn)行。

(2)如果時(shí)鐘速率不是24.576MHz，需要設(shè)置SCI_CLOCKF寄存器。若通過改變SCI_CLOCKF使用倍頻時(shí)鐘，應(yīng)該將適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾蕦懭隨CI_AUDATA寄存器，等待至少11000個(gè)時(shí)鐘后才可以進(jìn)行SPI通信。

(3)設(shè)置音量寄存器SCI_VOL;0位為最大音量，0xFEFE位為靜音，0xFFFF將觸發(fā)模擬調(diào)電模式。

(4)若希望強(qiáng)化低音和高音，可以設(shè)置寄存器SCI_BASS。

(5)若使用用戶代碼，通過將SCI_AIADDR置零關(guān)閉它。

(6)若采用RAM級(jí)的用戶代碼，可以通過激活SCI_WRAM、SCI_WRAMADDR、SCI_AIADDR來裝載這些數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)所需功能。

結(jié)語
    基于MP3的語音系統(tǒng)如今越來越受到人們的重視和喜愛，它們被應(yīng)用到更多的工業(yè)領(lǐng)域，如公共汽車的站名播報(bào)系統(tǒng)等。由于具有良好的性能，基于MP3的語音系統(tǒng)將在非專業(yè)音響領(lǐng)域也得到更廣泛的應(yīng)用。