采用CPLD器件XC9572-VQ64芯片和MP3解碼器實現語言播放系統的設計

1、引言

語音系統是電梯不可缺少的部分，用于樓層報數、方向提示、報警告示、消防對講以及廣告宣傳等。傳統語音系統絕大多數采用語音器件存儲和播放語音，但存在比如外圍電路復雜、音質差、成本高、容量小以及語音不易更改等缺陷。鑒于此，設計了一款基于CPLD和VS1011E解碼器的電梯語音系統。

2 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，顯示樓層數字，播報到達樓層語音。電梯語音系統框圖如圖1所示。

2.1信息輸入

輸入信息分為兩部分，一是用戶通過按鍵向系統發出樓層請求，二是電梯控制系統根據樓層到達或者取消發出的通知。

2.2處理器

根據用戶信息和控制系統信息控制樓層系統，控制分為顯示樓層和語音報送兩部分。系統要求處理器處理速度快、內存緩沖空間大。

2.3顯示模塊

用于顯示樓層數以及提示超載、消防和緊急狀況，甚至還提供日期廣告等信息的發布。中低檔樓宇電梯系統一般使用LED顯示，即點陣塊顯示。隨著液晶顯示控制技術的發展與成熟，高檔樓宇電梯系統則采用LCD顯示。

2.4邏輯器件

主要是能進行強大數據快速處理的CPLD。從整個系統可以看出，處理器需要響應輸入信息并能夠驅動顯示模塊工作，還要對擴展的存儲器進行讀寫操作，并將存儲器的語音數據送到MP3解碼器解碼。這些都對處理器提出很大挑戰，如果處理器性能低則可能導致整個系統工作紊亂，因此，必須對處理器進行“減負”。

基于上述考慮，本系統使用CPLD。對于MP3解碼器的控制，處理器只負責發送控制命令，而具體操作是由CPLD完成。這樣就大大提高了系統的速度和可靠性。

2.5存儲器

用于存儲大量語音數據。市場上MP3播放器的存儲器類型有3種：磁性存儲器（2.5英寸硬盤）、光學存儲器（CD-ROM和DVD）和Flash。其中Flash存儲器還可以分為NAND Flash、CF卡、SD卡、SMC卡MMC卡以及SONY存儲棒。考慮到系統設計和使用的便利性，系統采用NAND Flash。

2.6 MP3解碼器、DAC和功放

作為MP3播放器的核心，MP3解碼器負責把由微處理器從存儲器中MP3格式數據編碼轉換成數字音頻信號發送給DAC；DAC則把數字音頻信號轉變成模擬信號，最后模擬音頻信號通過耳機或者功放發出聲音。

3硬件設計

3.1系統工作原理

根據Flash的讀寫規則和MP3的解碼協議，預先設置CPLD的邏輯規則。控制器根據輸人信息，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并對MP3設定內部控制寄存器和傳送音頻數據。MP3解碼器輸出的模擬信號直接驅動耳機，若要驅動大功率揚聲器，還需外接功放。其系統硬件電路如圖2所示。

3.2微控制器STC89C58RD+C

STC89C58RD+C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采用MCS51內核，與AT89S52引腳兼容。需要注意的是，D型內部集成復位電路，復位引腳直接接地。擁有32 KB的Flash和16 KB的EEPROM，內含1 280字節SRAM存儲空間。因此，STC89C58RD+C能滿足系統控制要求。

D0～D7與CPLD通信，實現數據傳輸和命令控制，8個端口需要上拉電阻，阻值為10 kΩ，上拉電阻需要3.3 V電源供電，與CPLD電源匹配。DREQ1（P3.2）與CPLD連接，用來讀取MP3解碼器的忙狀態。READY（P2.3）與CPLD連接，判斷Flash是否準備好。WR、RD和ALE連接至CPLD，實現對Flash的讀寫選擇和時序控制。

3.3 CPLD電路

CPLD是微控制器、Flash和MP3之間的中介，負責邏輯控制和數據傳遞。CPLD電路采用Xilinx公司的XC9572-VQ64。XC9572-VQ64具有72個宏單元、1 600個可用門電路、52個I／O端口，具有低至2.5 V供電電源，可在線編程等特性。J1用于ISP下載。晶體振蕩器采用40 MHz。

3.4 MP3解碼器VS1011E及電路設計

VS1011E音頻解碼器為VS10xx系列的第三代產品，是單片MP3／WMA／MIDI解碼和ADPCM編碼器。它內部集成有高性能、低功耗的DSP處理核（VSDSP），5.5 KB片內RAM可供用戶存儲代碼和數據，串行SPI總線接口，雙聲道高質量的采樣頻率可調的16位DAC。VSl011E工作在12.288 MHz～14 MHz或者24.576 MHz～28 MHz時鐘范圍，能對MPEG1&2 Laver1、2、3以及MPEG2.5 Layer3格式、WAV格式和PCM格式文件進行解碼。

VS1011E的工作流程如圖3所示。VS1011E的工作流程為：首先MP3或者WAV格式音頻文件通過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，這些信號緊接著送到耳機功率放大器中。

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。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。

3.5 Flash存儲器

采用Samsung公司的NAND Flash K9F5608作為存儲器。K9F5608擁有32 MB的空間，完全滿足電梯語音系統的要求。

NAND Flash以塊（block）和頁（page）為存儲單元。K9F5608包括2 048塊，每一塊又包括32頁，一頁大小為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。

K9F5608的讀、寫和擦除操作均由命令完成。讀／寫操作是以頁為單位進行。擦除操作是以塊為單位，不能字節擦除，而且在每次改寫操作之前需要先擦除一整塊；每一塊的擦除次數有限，為10萬次左右，數據保存時間超過10年。典型的讀操作時間為50 ns／字，寫操作時間為200 μs／頁，擦除操作時間為2 ms／塊。