鐵道部已確定以GSM-R系統作為中國鐵路無線通信平臺，因此，以GSM-R為平臺建立綜合無線通信系統，為GSM-R網絡的各種作業提供無線通信手段和設備已迫在眉睫。

GSM-R手持終端在編組站中有著特殊的應用。編組站的作業以小組為單位，完成調車、編組工作。小組的每位成員均配備GSM-R專業手持終端，并根據職務要求的不同，具有各自的功能。本文主要介紹語音回示功能的實現方式。調車長發出的調度指令種類是有限的，因此，GSM-R手持終端可以先預存相應指令的語音信息，然后根據收到的調度指令，播放出相應的語音。這個功能是編組站手持終端必備的功能，本文采用ATMEGA48和WT588D語音芯片完成此功能，并采用一種全新的方法高效完成ATMEGA48與WT588D語音芯片之間的通信與控制，完全發揮了ATMEGA48高速的特點。

2 器件簡述

本文采用WT588D語音芯片與ATMEGA48之間的SPI控制接口，完成所需要的語音回示功能。

ATMEGA48是AVR單片機的一個型號，AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。它還廢除了機器周期，采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中，取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，可高速執行指令。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數據吞吐率。在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優化平衡，是高性價比的單片機。

WT588D語音芯片采用語音數據直接在SPI-Flash存儲器中存儲的技術，下載速度快，并經過D/A轉換后輸出。因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲。功能多、音質好、應用范圍廣性能穩定是WT588D系列語音芯片的特長，彌補了以往各類語音芯片應用領域狹小的缺陷。能夠完全取代ISD1700、ISD1425、ISD4000、PM50等語音芯片。

WT588D系列語音芯片具有如下特點：變更語音內容簡單，放音方便；高音質，聲音自然；支持2M～64M的SPI-Flash內存，在6K采樣下能達到2149S的放音；手動操作/微控制器控制兼容；放音時可用邊沿觸發或電平觸發；可以循環放音；具有自動節電控制，節電時靜態電流小于10uA；信息存儲無需后背電源；最多可加載220段語音；PWM輸出可直接推動0.5W/8Ω揚聲器；可重復擦除燒寫10萬次；放音可用單片機編程控制；單電源工作；模塊封裝（帶FLASH存儲器）為16腳、28腳嵌入式形式，芯片封裝為DIP18、SSOP20和LQFP32形式。

WT588D VoiceChip 軟件是根據WT588D 語音芯片特性開發出來的相對應配套軟件。它很好的完成對WT588D 語音芯片各種控制模式程序的寫入，當單片機口線不夠可選用一線串口控制或SPI串口控制，更有能夠作為擴展單片機I/O口線的功能，非常適合在單片機場合下使用。軟件還能完成語音的替換、組合，音頻輸出模式的設置等，而且操作界面簡單，編輯過程方便。

3 硬件電路設計

WT588D的所有操作都由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口SPI送入。SPI 協議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作，因此對WT588D而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數據。使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，因此硬件設計相對比較簡單。如圖1所示。

數據通信方式GSM-R手持終端的實現" src="http://files.chinaaet.com/images/20110727/397a2102-59bf-4e12-a03d-ad7904dad33a.jpg" />

ATMEGA48作為SPI主設備，WT588D作為SPI從設備。ATMEGA48通過/SS片選WT588D,MOSI控制線向WT588D發送控制信息，播放相應的語音信息。當WT588D讀到語音尾端時，會產生一個中斷，ATMEGA48接收此中斷，播放下一段語音。

具體引腳連接如下：

1、ATMEGA48的SS與WT588D的CS相連，當ATMEGA48對WT588D進行操作時，選通此芯片。

2、ATMEGA48的MOSI與WT588D的DATA相連，進行數據的傳輸。

3、ATMEGA48的SCLK與WT588D的CLK相連，提供串行數據的時鐘。

4、ATMEGA48的中斷線與WT588D的BUSY相連，可以作為語音播放完畢的中斷信號。

5、WT588D可以設置為DAC（外接功放）輸出或者PWM（直接驅動喇叭）輸出，播放選中的語音信息。

4 軟件實現

本文使用ATMEGA48的SPI接口直接控制WT588D，對其相應的地址進行讀操作，完成選定語音的播放。SPI收發程序往往是一段采用輪循方式完成收發的簡單代碼，也就是單片機通過MOSI寄存器發送數據。同時根據查詢MOSI狀態寄存器的狀態來判斷是否能發送下一個數據。在此過程中，單片機處于死等的狀態，不能進行任何其它任務的執行。對于高速的AVR來講，采用這種方式大大降低了MCU的效率，無法發揮其高速、高效的特點。同時，由于ATMEGA48在完成語音回示的同時，還需要完成語音通話、故障記錄等功能，因此需要MCU能更高效地完成SPI收發功能。

在使用ATMEGA48時，根據芯片本身的特點（片內大容量RAM，適合采用高級語言編寫系統程序），使用了一種新的方法，采用接收和發送緩沖器加中斷的方法，編寫高效可靠的SPI收發程序。

基本思路如下：

1、發送數據時，如果MOSI數據寄存器為空，則直接將需要發送的數據填入MOSI數據寄存器，由單片機自動完成數據的發送。

2、發送數據時，如果MOSI數據寄存器不為空，也就是說有待發的數據，此時將需要發送的數據填入發送數據緩沖區（構建在ATMEGA48的RAM中）。單片機將數據置入發送緩沖區中，就算已經完成了數據的發送，可以執行別的指令，這樣，充分發揮了其并行高速運行的特點。本文在中斷處理程序中完成對發送緩沖區數據的處理。每次MOSI數據寄存器數據發送完成，都會產生一個中斷，因此當產生中斷時，表明前一個數據已經發送完成，將待發的發送緩沖區數據置入MOSI數據寄存器，進行數據的自動發送。

以下為SPI數據發送程序和SPI中斷處理程序，流程分別如圖2、圖3所示。

圖2 數據發送程序

圖3 中斷處理程序

采用緩沖加中斷的SPI發送方法，能夠高效地完成數據的收發，提高MCU的效率，具有以下優點：

l、采用兩個8字節的接收和發送緩沖器來提高MCU的效率，如當程序發送數據時，如果SPI口不空閑，就將數據放入發送緩沖器中，MCU不必等待，可以繼續執行其它工作。而SPI的硬件發送完一個數據后，產生中斷，由中斷服務程序負責將發送緩沖器中的數據依次送出。

2、數據緩沖器結構是一個線性的循環隊列，由讀、寫和隊列計數器3個指針控制，用于判斷隊列是否空、溢出，以及當前數據在隊列中的位置。

3、由于在數據發送程序和中斷服務程序中都要對數據緩沖器的讀、寫和隊列計數器3個指針進行判斷和操作，為了防止沖突，在數據發送程序中對3個指針操作時臨時將中斷關閉，提高了程序的可靠性。

5 結語

整個控制系統采用緩沖加中斷的SPI發送方法，使用兩個數據緩沖器，分別構成循環隊列。這種程序設計思路，不但程序的結構性完整，同時也解決了高速MCU和低速串口之間的矛盾，實現 程序中任務的并行運行，提高了MCU的運行效率，同時，這種程序設計的思路對編寫UART、I2C的串行通信接口程序都是非常好的借鑒。WT588D接收端反應速度較快，整個語音信息從觸發到播放并發送BUSY反饋信號的時間不到5ms，能在速度上很好的迎合整套系統所追求的速率。在配套軟件方面，從語音編輯到下載語音工程，操作都趨向簡易模式，不僅能很好的被資深設計者使用，而且也適合入門者做實驗測試。