GSM-R通信技术起源于欧洲，目前在德国、瑞士、荷兰、意大利等国家均已进入商业运用。由于GSM-R具有适应铁路运输特点的功能优势，以及更符合通信信号一体化技术发展的需要，因此铁道部2000年底正式确定将GSM-R作为我国铁路专用通信的发展方向。 GSM-R在GSM公众移动通信系统平台上增加了铁路运输专用调度通信功能。GSM-R通信系统包括：交换机、基站、机车综合通信设备、手机等设备组成。1142km青藏铁路也采用了GSM-R移动通信系统实现无线调度。由于一个频率共用许多用户，每个用户占的时间非常短。也就是带宽很窄。大家知道传输语音数据要占较宽的带宽，传输特殊代码的调度命令只占很窄的带宽。铁路调度的一百多段常用调度语句都存在手机的语音电路中，从代码到产生语音就像查字典一样方便。这种信号传输方式叫“语音回示”。“发送代码”－“语音回示”使调度通信系统迅速高效。例如：调度所里的调度员向司机下达的书面命令：“XX点XX次出发”。这几句话是固定格式，预存在手机中。铁路区间内各部门通信和车地之间都可以用GSM-R实现双向无线数据传输。
GSM-R手持终端在编组站中有着特殊的应用。编组站的作业以小组为单位，完成调车、编组工作。小组的每位成员均配备GSM-R专业手持终端，并根据职务要求的不同，具有各自的功能。本文主要介绍语音回示功能的实现方式。调车长发出的调度指令种类是有限的，因此，GSM-R手持终端可以先预存相应指令的语音信息，然后根据收到的调度指令，调出相应的语音播放。这个功能是编组站手持终端必备的功能。 1. MPU选择 ATMEGA48是AVR单片机的一个型号，AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。它还废除了机器周期，采用SISC（精简指令集），以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，可高速执行指令。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC（复杂指令集）微控制器最高至10倍的数据吞吐率。在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。
2.语音电路选择
WT588D语音芯片采用语音数据直接在SPI-Flash存储器中存储的技术，下载速度快，并经过D/A转换后输出。因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。功能多、音质好、应用范围广性能稳定是WT588D系列语音芯片的特长，弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷。优于ISD1700、ISD1425、ISD4000、PM50等语音芯片。
WT588D系列语音芯片具有如下特点：变更语音内容简单，放音方便；高音质，声音自然；支持2M～64M的SPI-Flash内存，在6K采样下能达到2149S的放音；手动操作/微控制器控制兼容；放音时可用边沿触发或电平触发；可以循环放音；具有自动节电控制，节电时静态电流小于10uA；信息存储无需后备电源；最多可加载220段语音；PWM输出可直接推动0.5W/8Ω扬声器；可重复擦除烧写10万次；放音可用单片机编程控制；单电源工作；模块封装（带FLASH存储器）为16脚、28脚嵌入式形式，芯片封装为DIP18、SSOP20和LQFP32形式。
WT588D VoiceChip 软件是根据WT588D 语音芯片特性开发出来的相对应配套软件。它很好的完成对WT588D 语音芯片各种控制模式程序的写入，当单片机口线不够可选用一线串口控制或SPI串口控制，更有能够作为扩展单片机I/O口线的功能，非常适合在单片机场合下使用。软件还能完成语音的替换、组合，音频输出模式的设置等，而且操作界面简单，编辑过程方便。
3. 硬件电路设计 WT588D的所有操作都由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口SPI送入。SPI 协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作，因此对WT588D而言,在时钟上升沿锁存MOSI引脚的数据。使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，因此硬件设计相对比较简单。如图1所示。
https://bbs.21ic.com/upfiles/img/200711/2007112591255512.jpg
图1 硬件电路图
ATMEGA48作为SPI主设备，WT588D作为SPI从设备。ATMEGA48通过/SS片选WT588D,MOSI控制线向WT588D发送控制信息，播放相应的语音信息。当WT588D读到语音尾端时，会产生一个中断，ATMEGA48接收此中断，播放下一段语音。
具体引脚连接如下： 1、ATMEGA48的SS与WT588D的CS相连，当ATMEGA48对WT588D进行操作时，选通此芯片。
2、ATMEGA48的MOSI与WT588D的DATA相连，进行数据的传输。 3、ATMEGA48的SCLK与WT588D的CLK相连，提供串行数据的时钟。 4、ATMEGA48的中断线与WT588D的BUSY相连，可以作为语音播放完毕的中断信号。 5、WT588D可以设置为DAC(外接功放)输出或者PWM（直接驱动喇叭）输出，播放选中的语音信息。
4. 软件实现 本文使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，对其相应的地址进行读操作，完成选定语音的播放。SPI收发程序往往是一段采用轮循方式完成收发的简单代码，也就是单片机通过MOSI寄存器发送数据。同时根据查询MOSI状态寄存器的状态来判断是否能发送下一个数据。在此过程中，单片机处于死等的状态，不能进行任何其它任务的执行。对于高速的AVR来讲，采用这种方式大大降低了MCU的效率，无法发挥其高速、高效的特点。同时，由于ATMEGA48在完成语音回示的同时，还需要完成语音通话、故障记录等功能，因此需要MCU能更高效地完成SPI收发功能。 在使用ATMEGA48时，根据芯片本身的特点(片内大容量RAM，适合采用高级语言编写系统程序)，使用了一种新的方法，采用接收和发送缓冲器加中断的方法，编写高效可靠的SPI收发程序。
基本思路如下： 1、发送数据时，如果MOSI数据寄存器为空，则直接将需要发送的数据填入MOSI数据寄存器，由单片机自动完成数据的发送。 2、发送数据时，如果MOSI数据寄存器不为空，也就是说有待发的数据，此时将需要发送的数据填入发送数据缓冲区(构建在ATMEGA48的RAM中)。单片机将数据置入发送缓冲区中，就算已经完成了数据的发送，可以执行别的指令，这样，充分发挥了其并行高速运行的特点。本文在中断处理程序中完成对发送缓冲区数据的处理。每次MOSI数据寄存器数据发送完成，都会产生一个中断，因此当产生中断时，表明前一个数据已经发送完成，将待发的发送缓冲区数据置入MOSI数据寄存器，进行数据的自动发送。
以下为SPI数据发送程序和SPI中断处理程序，流程分别如图2、图3所示。
https://bbs.21ic.com/upfiles/img/200711/2007112591542320.jpg
图 2 数据发送程序 图3 中断处理程序
采用缓冲加中断的SPI发送方法，能够高效地完成数据的收发，提高MCU的效率，具有以下优点：
l、采用两个8字节的接收和发送缓冲器来提高MCU的效率，如当程序发送数据时，如果SPI口不空闲，就将数据放入发送缓冲器中，MCU不必等待，可以继续执行其它工作。而SPI的硬件发送完一个数据后，产生中断，由中断服务程序负责将发送缓冲器中的数据依次送出。 2、数据缓冲器结构是一个线性的循环队列，由读、写和队列计数器3个指针控制，用于判断队列是否空、溢出，以及当前数据在队列中的位置。 3、由于在数据发送程序和中断服务程序中都要对数据缓冲器的读、写和队列计数器3个指针进行判断和操作，为了防止冲突，在数据发送程序中对3个指针操作时临时将中断关闭，提高了程序的可靠性。
5.结束语 整个控制系统采用缓冲加中断的SPI发送方法，使用两个数据缓冲器，分别构成循环队列。这种程序设计思路，不但程序的结构性完整，同时也解决了高速MCU和低速串口之间的矛盾，实现 程序中任务的并行运行，提高了MCU的运行效率，同时，这种程序设计的思路对编写UART、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鉴。WT588D接收端反应速度较快，整个语音信息从触发到播放并发送BUSY反馈信号的时间不到5ms，能在速度上很好的迎合整套系统所追求的速率。在配套软件方面，从语音编辑到下载语音工程，操作都趋向简易模式，不仅能很好的被资深设计者使用，而且也适合入门者做实验测试。
应用WT588D语音回示的设计思路读者也可以在其他领域开发新产品。如果开发成功，欢迎投稿本刊。 |
楼主
标题置顶
标题高亮
