基于GPS模塊與單片機的語音播報系統設計

摘要：本文介紹一種基于GPS模塊和單片機SPCE061A設計的語音播報系統。該系統控制中心通過把從GPS獲得的定位信息與自身保存的站點信息相比較，以確定是否到站，并進行語音播報和文本顯示.本設計解決了以往列車報站系統的不足，真正實現了全自動、準確地播報站名及服務提示信息。

關鍵詞：全球定位系統；SPCE061A單片機；語音播報；安全數字卡；控制器局域網

引言

目前，列車系統播報(如列車下一站的站名、距離下一站的距離、下一站所在地方的旅游風景、名勝簡介等)普遍采用列車播音員通過語音播報的方式來實現，這種方式簡單易行，但也存在一些不足，常常出現誤報、漏報等現象，不能夠滿足列車系統的要求。本文設計一款列車自動語音播報系統，以凌陽16位單片機SPCE061A為控制核心、擴展外圍存儲介質保存語音資源，同時利用GPS模塊作為位置確定裝置，實現列車到站的語音播報功能。如圖1是手持式GPS系統結構框圖。

控制原理和系統組成

本設計中系統通過GPS與單片機的數據通信接口來接收位置信息。以現在最為常用的安全數字卡(SecureDigital Card，SD卡)作為擴展內存，用以保存不同的站點和語音信息。該系統控制中心通過把從GPS獲得的定位信息與自身保存的站點信息相比較，以確定是否到站和當前車站信息：并且分析出到站時間，以通過鍵盤隨時進行語音播報和文本顯示。在每種情況下、控制中心對信息進行判斷處理，并利用喇叭把內存中相應的語音信息輸出，把內存中相應的文字信息正確顯示。考慮到實際中特殊情況的需要(如列車意外故障的原因或者前方鐵路受損的突發原因)，系統設置鍵盤掃描中斷，從而方便地實現自動播報和人工操作的轉換，并能夠按需要更新沿途站點信息和實現緊急情況的預報。而每節車廂之間，車廂與控制中心之間通過控制器局域網(controUer Area Network，CAN)來傳遞列車信息。

同時，為了人機交流界面友好，在控制中心可以通過上層PC來顯示即將到達的站名、時間等信息。其工作流程如圖2所示。

底層硬件設計

控制中心和車廂的從站均采用SPCE061A單片機作為控制部件的核心。GARMIN公司的GPSl5L是一款性價比高的衛星定位芯片，是異步串行數據輸入/輸出的。它適應全球、全天候的工作，能夠實時提供三維位置、三維速度和精密時間。GPS是以NAME協議格式發送消息的，接收到當前列車的緯度、經度和星歷時間后，通過電平轉換把信息傳給控制中心的微處理器。而CAN的通信協議主要是由CAN控制器完成的。底層硬件設計主要包括節點硬件電路設計和SD卡與微處理器的硬件設計。

SPCE061A單片機

SPCE06lA是一種新型的16位單片機，資源豐富，具有極高的性價比，為實現數碼錄音和播放提供了良好的條件。在SPCE061A上實現語音識別主要涉及到以下的幾個模塊.SPCE06lA最小系統，即包含內核以及基本的外圍模塊：晶振輸入模塊(OSC)、鎖相環外圍電路(PLL)、復位電路(RESET)、指示燈(LED)等，同時還包括存儲器、A/D、D/A、MIC等其它外圍接口模塊。

節點硬件電路設計

目前，廣泛應用的cAN總線控制器件有兩大類：一類是獨立的cAN控制器.如82C200、SIAl000及Intel82526/82527；另一類是帶有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。根據本次設計需要，我們采用NXP公司的SJA1000 CAN通信控制器和PCA82C250作為高性能CAN的總線收發器。它們與節點的微處理器的硬件電路原理如圖3。

SD卡與微處理器的硬件設計

SD卡有兩種總線模式，即SD總線模式和SPI總線模式。其中SD總線模式采用4條數據線并行傳輸數據，數據傳輸速率高，但是傳輸協議復雜，只有少數單片機才提供此接口而用軟件方法模擬SD總線又比較繁瑣，并會降低sD卡的數據傳輸速率；而SPI總線模式只有一條數據傳輸線，數據傳輸速率較低，但絕大多數中高檔單片機都提供sPI總線，也易于用軟件方法來模擬，此外.SPI總線模式的傳輸協議簡單，易于實現。為此，該設計采用SPI總線模式。

SPI系統的片選信號以及同步時鐘脈沖由主機提供。SPI總線模式的數據是以字節為單位進行傳輸的，每字節為8位，每個命令或者數據塊都是字節對齊的。主機與SD卡的各種通信都由主機控制，主機在對SD卡進行任何操作前都必須先要拉低SD卡的片選信號CS，然后由主機向SD卡發送命令，SD卡對主機發送的任何命令都要進行響應，不同的命令會有不同的響應格式。SD卡除了對命令響應外，在執行寫操作時，還要對主機發送的每個數據塊進行響應。

SPI總線模式下的所有命令都是由6個字節構成，且發送時高位在前，其命令格式如表1所示。其中.7位CRC校驗位可以全部寫入0，因為默認情況下，SPI總線模式無需CRC校驗。

文件存儲時，本文中使用文件分配表系統中的FAT.16類型。FATl6的系統分區有以下幾部分：①引導扇區，存放文件分配表的文件系統重要參數和引導程序；②FAT表，用來記錄數據區簇鏈情況；③根目錄區，文件存儲結構的入口就是根目錄，根目錄的位置緊隨FAT表之后，大小常為32個扇區：④文件數據區，是各種文件數據的實際存放區域。

簡要介紹SD卡的文件存儲：第1步是建立根目錄項：文件名、擴展名、文件(或文件夾)屬性、文件的修改信息、文件的首簇號和文件長度。第2步是分析FAT表，在FAT表中找到一個空簇(標記為00的簇)，將該簇標記為文件尾簇(標記為FF)，同時將該簇號作為首簇存儲到根目錄項中。第3步是向尾簇內存人數據，如果該簇已經存滿，則再次分析FAT表，在FAT表中找到下一個空簇(標記為00的簇)，將該簇標記為文件尾簇(標記為FF)，同時將FAT表中首簇號鏈接到該簇，修改根目錄項中的文件長度項。重復第3步，直到文件完全存入。

每節車廂(從站)的微處理器都連接上SD卡和液晶顯示，以便通過聲音和圖像顯示告訴乘客當前的列車狀態。它與微處理器的硬件原理如圖4所示。

軟件設計

由于GPS是RS232電平、所以位置數據要經過電平轉換才能給單片機SPCE061A的IOB7和IOB10以UART的方式來接收。而Pc端的界面是采用Visual C＋＋的MFC類來編寫的，程序的流程如圖5所示。

CAN總線節點的軟件設計主要包括3部分：CAN節點初始化，報文發送和報文接收。報文的協議如表2所示。SD卡的程序流程如圖6所示。

結語

本系統中GPS采集的位置數據經過控制中心的16位單片機微處理器處理，同時控制中心采用人機交流友好的PC機界面，并結合控制器局域網(CAN)在每個車廂組網；每節車廂通過大儲存量的SD卡實現語音播報的功能。系統定位精度高、工作穩定、聲音悅耳動聽，在實際應用中取得了良好的效果。