XFS4041CN及其在气象预警信息接收机中的应用

摘要：为了有效减少以气象因素为主诱发的地质灾害损失，该文在简要介绍中文语音合成芯片xfs4041cn的工作原理基础上，以STM32F103VB为主控芯片，详细论述了气象预警信息接收机的硬件构成及软件设计思想。对于终端软件的升级，采用远程固件升级。应用结果表明，有效改进和提高了对气象灾害预报、警报水平，最大程度减轻气象灾害造成的损失，确保人民群众生命财产安全。

关键词：中文语音合成芯片；STM32F103VB；气象预警信息接收机；固件升级

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)08-1929-04

Application of Climate Disaster Alarming Information Receiver Based on XFS4041CN

NAN Yi-ming1, ZHANG Wu-jie2

(1.Department of Correspondence, Guangzhou Civil Aviation College, Guangzhou 510403, China; 2.College ofAutomation Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract: For reduce geological hazards loss mainly by meteorological factors, on the basis of introducing the work principle of Chinese speech synthesis chip XFS4041CN, STM32F103VB as Master Control Unit, hardware structure and software design of climate disaster alarming information receiver was discussed in detail. According to the requirements of firmware upgrade , the remote software update is adopted.Application of receiver shows effectively improve and increase the level of geological hazards forecast-warning, reduce the expense caused by geological hazards as much as possible, ensure the safety of life and property.

Keywords: Chinese speech synthesis chip; STM32F103VB; climate disaster alarming information receiver; firmware upgrade

随着全球气候持续变暖，各类异常天气将不断增多，重大气象灾害频繁发生，气象灾害成为制约社会经济发展的重要因素之一[1]。防御气象灾害关系到各行各业和千家万户，加强气象灾害防御工作，提高全社会防御气象灾害的能力和水平，对防止和减轻灾害损失，保障人民群众生命财产安全，促进社会经济可持续发展，具有十分重要的意义和作用。

气象预警预报信息平台面向各地区气象局，以减轻基层人员的人工劳动强度、提高气象预报速度、增强服务能力为出发点，以CDMA网络为媒介，利用广大农村、学校、社区等现有的扬声系统设备(即功放和喇叭)，通过短信和语音的形式将信息在第一时间及时准确地向社会播报出去[2]。

气象预警预报信息平台由气象预警信息接收机和气象预警信息管理机两部分组成。在接收机采用STM32F103VB作为主控芯片，中文语音合成芯片XFS4041CN把文本合成为语音输出。

1 气象预警信息接收机简介

如图1所示，STM32F103VB控制器根据EM200 CDMA模块从串口发送的指令完成不同的操作，如要播放语音信息，则控制器通过另外一个串口向中文语音合成芯片XFS4041CN发送播放信息的指令，中文语音合成芯片XFS4041CN完成后通过音频功放驱动扬声器完成语音输出。

2 中文语音合成芯片XFS4041CN 的工作原理

XFS4041CN 是合肥讯飞数码科技有限公司推出的一款高性能的中文语音合成芯片。芯片可以通过UART 接口或SPI 接口接收待合成的文本，把文本合成为语音输出。芯片接口简单、功能丰富，主要面向中高端应用领域。XFS4041CN 语音合成芯片的产品形式是由双芯片构成的套片，两个芯片分别命名为XFS4041A 和XFS4041B，本文中提到的XFS4041CN 统指XFS4041A 和XFS4041B 的组合。主要应用在车载GPS调度终端、信息机、气象预警机、智能玩具、公交车语音报站器、自动售货机等领域。

主控制器和XFS4041CN 芯片之间通过UART 接口或者SPI 接口连接，控制器可通过通讯接口向XFS4041CN芯片发送控制命令和文本，XFS4041CN芯片接收到文本后合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放。

另外，有添加提示音需求的用户，可以使用XFS4041CN 上的SPI flash 接口扩展一片SPI flash,在SPI flash 中存放按照指定格式打包的提示音文件，并对每个文件进行命名，就可以和XFS4041CN 芯片内部集成的提示音一样方便地进行调用。

基于XFS4041CN构成的气象预警信息接收机的硬件实现

2.1 电源模块电路

XFS4041CN 的工作电压包括两种：3.3V和1.8V，下面以5V外部电源作为输入得到两种工作电压的电路。图3为电源转换模块。

2.2 晶振电路

图4为晶振电路模块。

2.3 复位电路

XFS4041CN 芯片的复位条件是： RESET 引脚置低电平，时间持续2ms 以上。可以通过CAT811 复位芯片对XFS4041CN 进行复位，CAT811 的/MR 可悬空。若需要用单片机控制/MR，可以将单片机的输出口与/MR 相连。CAT811 在上电后或/MR 低电平后会持续保持低电平约140ms。图5为复位电路。

2.4 音频功放电路

音频功放采用芯片TPA3123D2，TPA3123D2 的工作电压范围10V~30V，最大输出功率为25W。图6为TPA3123D2 电路。

2.5 UART 通讯电路

XFS4041CN 芯片支持UART 接口和SPI 接口两种通讯方式，可通过UART 接口或SPI 接口接收上位机发送的命令和数据，允许发送数据的最大长度为4k 字节。

图7为XFS4041CN芯片UART接口的连接示意图。

通讯传输字节格式

图8 UART接口通讯传输字节格式

1）通讯标准：UART

2）波特率：4800 bps、9600 bps、57600 bps、115200 bps

3）起始位：1bit

4）数据位：8 bits

5）停止位：1 bit

6）校验：无

波特率配置方法

XFS4041CN 芯片的UART 通讯接口支持4 种通讯波特率：4800 bps、9600 bps、57600 bps、

115200 bps，可以通过4041A 芯片上的两个管脚BAUD1（102 引脚）、BAUD2（103 引脚）上的电平来进行硬件配置。

3 基于XFS4041CN构成的气象预警信息接收机的软件实现

气象预警信息接收机主控芯片采用STM32F103VB，软件开发工具采用Keil uVision4。图9为软件流程图。

软件分成两个模块：语音数据传送模块和固件升级模块。

3.1 语音数据传送模块

终端首先呼叫服务器，向服务器发送呼叫帧。帧格式如下：

当服务器收到终端发送过来的呼叫帧的时候，可以决定是否给终端发送语音信息还是程序升级信息，如果是发语音信息，则服务器给终端回复确认帧，格式如下：

参数：01代表有新数据

00代表无新数据

如果是要发送升级信息回复给终端的帧格式如下：

终端收到此信息后，给服务器回送的信息帧格式如下：

当终端发送完此帧后，就关闭了与服务器的连接进入了BOOT区。见后面的固件升级模块。

当终端获知服务器即将给终端传送语音信息，终端给服务器回复一个确认帧，格式如下：

服务器收到确认帧之后就给终端发送语音信息。语音信息帧格式如下：

参数1：

Bit7~Bit0：当前传送的帧编号，取值0~255；

参数2：Bit7~Bit0：所发送的数据区的长度高字节，

参数3：

Bit7~Bit0：所发送的数据区的长度低字节 取值0-255。

为了防止数据传送过程中可能出现误码，因此必须对接收到的数据进行校验，校验字节CrcSum：本校验字节采用累加和校验方式，即对不包括本校验字节及帧头FD、帧尾的FD所有字节相加，不计溢出的方式，得到的结果。公式如下：CrcSum+=data。

由于终端存储容量有限，对于巨大的数据，只能分批处理。如有48帧数据（即2400个汉字）需要发送，终端最多只能先接收20帧，也就是1000个汉字，先转发处理完这20帧(处理过程短暂)，才能给服务器发确认帧，继续接收余下的24帧。余下的24帧也还要分2次处理。

由于需要分批处理语音信息，就需要容错机制，例如 数字都是单字节，为了保证一个汉字不被划分到2批语音信息中，就需要对单字节的字进行插1个空字节处理。

当服务器给终端发送完语音信息后，就给终端发一帧结束通知帧，格式如下：

当终端接收到结束通知帧时关闭连接，进行语音播放。

3.2 固件升级模块

对于多数基于闪存的系统而言，当固件已装入终端产品后，更新升级固件是一个重要的需求[3]。气象预警信息接收机遍布于广大农村、学校、社区等各个分散的地点，如一个一个终端进行固件升级，则浪费大量的人力物力。因此在气象预警信息接收机终端，设计了固件升级模块，这样就可以在产品后可以方便地通过预留的通信口对产品中的固件程序进行更新升级。

终端进入BOOT区后，重新建立起与服务器的连接，终端向服务器重新发送呼叫帧，帧格式如下：

服务收到此呼叫帧后，就给终端发送升级信息，升级信息帧格式如下：

字节说明：

起始字节和结束字节都是0x7F。

帧数:发送的是第几帧数据，发第一帧的时候，帧数低字节是0x00。

Bin文件数据：每帧数据为固定128个字节，最后一帧剩下多少字节就发多少字节。当bin文件数据流中有7F、7E、7D出现的时候，需要做转义。7F转义为7D和5F；7E转义为7D和5E；7D转义为7D和5D。

校验字节CrcSum：将帧头7F后面的、检验字节前面的所有字节进行累加和。当bin文件中出现7F、7E、7D时，相加的数据仍然为7F、7E、7D，而不是转义数据7D、5F，7D、5E，7D、5D。即转义后的字节不参与到累加和中，仍按照原来的值相加。当校验字节为7F的时候也需要做转义，转成7D和5F 2个字节。

计算的公式如下：CrcSum+=data。

终端给服务器回复确认帧或者是重发请求帧，重发是请求重发上一帧，确认帧格式如下：

重发请求帧格式如下：

当服务器收到终端发送的回复帧，检测到校验字节前面2个字节的数据都是0XFF，并且校验字节是0X31，就要重发上一帧。

当升级信息发送完毕后，服务器给终端发送一帧结束通知帧，帧格式如下：

当终端收到结束帧后，关闭连接，重新进入应用程序区。

4 结束语

防御气象灾害关系到各行各业和千家万户，加强气象灾害防御工作，提高全社会防御气象灾害的能力和水平，对防止和减轻灾害损失，保障人民群众生命财产安全，促进社会经济可持续发展，具有十分重要的意义和作用。经过实际应用，该气象预警信息接收机工作稳定，可靠性强，安全性高，可以大大提高预警到达的速度，使受灾地区及时得到信息， 并且极大地扩大了预警的影响范围。气象预警信息接收机的应用将会大大提高社会防灾减灾的能力，产生较大的效益。

参考文献：

[1] 秦大河,孙鸿烈,孙枢,等.中国气象事业战略研究(总论卷)[M].北京:气象出版社,2004.

[2] 张九营,赵战友,张明亮,等.气象预警信息系统的研究[J].气象软科学,2009(3):145-148.

[3] 张舞杰,南亦民.基于STM32F103VB的应用编程技术的实现[J].计算机应用,2009(10):2820-2822.