基于ISD4004和AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)火車語音播報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代工業(yè)控制過程中，廣泛應(yīng)用了工作狀態(tài)和故障狀態(tài)報(bào)警裝置，通常它以聲、光形式提醒操作者及時(shí)處理出現(xiàn)的問題。隨著新技術(shù)的發(fā)展，人們又開始將語音技術(shù)應(yīng)用到這一領(lǐng)域。它以更直觀、易懂、更方便、準(zhǔn)確的形式向操作者提供有關(guān)信息，使操作者能夠更準(zhǔn)確、快速地處理系統(tǒng)問題。美國ISD公司生產(chǎn)的ISD系列智能語音存儲(chǔ)芯片音質(zhì)好，長期斷電語音信號不丟失，非常適合于電子產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用。成功應(yīng)用ISD4004和AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了火車站信號自動(dòng)語音播報(bào)系統(tǒng)，通過對火車站鐵路線的上行和下行控制、車輛調(diào)度、系統(tǒng)主副電源的啟用等多路信號進(jìn)行檢測并采集，根據(jù)安全隱患的防范要求，由單片機(jī)控制查詢安全警示語音信息并播報(bào)，實(shí)現(xiàn)安全操作提示及報(bào)警。系統(tǒng)在火車站信號室控制臺上安裝使用，運(yùn)行穩(wěn)定，信號播報(bào)準(zhǔn)確，取得了很好的效果。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)原理框圖見圖1，由微控制器AT89C51、ISD4004語音電路、音頻功率放大電路、可編程并行接口8255、光電隔離、電平轉(zhuǎn)換、信號輸入接口、系統(tǒng)時(shí)鐘、復(fù)位及鍵盤等單元電路組成。

1．1 ISD4004的特性

ISD4004系列語音存儲(chǔ)芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列，內(nèi)置微控制器串行通信接口。芯片所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口（SPI或Microwire）送人。外部的音源信號在芯片內(nèi)采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，信息可進(jìn)行多段處理，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲。存于片內(nèi)閃爍存貯器中的信息，可在斷電情況下保存100年。芯片工作電壓為3 V，工作電流為25～30 mA，維持電流1μA，不耗電，單片錄放時(shí)間8～16 min，可反復(fù)錄音10萬次。

1．2 ISD4004的引腳及封裝形式

ISD4004采用28腳的SOIC封裝，其引腳排列如圖2所示。

1．3 ISD4004與AT89C51單片機(jī)的接口

ISD4004工作于SPI串行接口，按照同步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟PI協(xié)議，所有串行數(shù)據(jù)傳輸開始于單片機(jī)主控器發(fā)送給ISD4004的片選信號SS下降沿。SS在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間則保持為高電平。來自串行數(shù)據(jù)輸入端MOSI引腳的數(shù)據(jù)在串行同步時(shí)鐘上升沿被鎖存，對ISD4004串行數(shù)據(jù)輸出端MISO引腳的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿被移出。ISD4004的任何一個(gè)錄音和放音操作（含快進(jìn)），都是按分段地址進(jìn)行的，每段包含若干行，每行相當(dāng)于存儲(chǔ)單元，在行地址時(shí)鐘信號RAC的控制下進(jìn)行錄放信息的存儲(chǔ)管理。RAC信號周期為200 ms，高電平占空比為3／4。當(dāng)錄音和放音操作到內(nèi)部存儲(chǔ)單元地址的末尾時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)OVF或EOM結(jié)束標(biāo)志信號，如果遇到EOM或OVF，則產(chǎn)生一個(gè)低電平有效的INT中斷信號，該中斷狀態(tài)在下一個(gè)SPI周期開始時(shí)被清除。ISD4004與AT89C51單片機(jī)連接如圖3所示。

ISD4004的片選信號SS引腳與AT89C51單片機(jī)的I／O口P1．0連接，由程序指令產(chǎn)生有效的低電平信號。串行數(shù)據(jù)輸入MOSI引腳和串行數(shù)據(jù)輸出MISO引腳分別與P1．1和P1．3連接，串行收發(fā)的數(shù)據(jù)信息在程序指令的控制下，由片內(nèi)移位寄存器鎖存，其同步時(shí)鐘信號SCLK由單片機(jī)P1．2控制。行地址時(shí)鐘RAC和中斷請求信號INT分別與P3．2（INT1）和P3．3（INTO）連接。

1．4 音頻輸出

系統(tǒng)信號所對應(yīng)的提示語音，如“上行列車開過來了，區(qū)間占用”、“請求上行發(fā)車，信號開放”等信息，已通過專用設(shè)備按地址分段固化到ISD4004內(nèi)部E2PROM的存儲(chǔ)單元。在程序控制下，相應(yīng)的語音信號由ISD4004的13腳（AUOUT）輸出，經(jīng)耦合電容C4和音量控制電位器RW，送入低噪聲功率放大集成電路進(jìn)行放大，推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。為使輸出語音噪聲達(dá)到最小，系統(tǒng)的模擬地和數(shù)字地分開走線，盡可能在靠近供電端處相連，并且分別引到ISD4004芯片的VSSA和VSSD管腳上，退耦電容也應(yīng)盡量靠近芯片。

1．5 I／O口的擴(kuò)展

系統(tǒng)36路信號要經(jīng)微控制器處理，至少要36個(gè)I／O口線才能滿足需求，靠AT89C51剩余的I／O口顯然是不夠的，必須進(jìn)行I／O口的擴(kuò)展。系統(tǒng)采用可編程序并行輸入輸出接口芯片8255擴(kuò)展不足的I／O口，具體硬件連接見圖4。8255是微處理器擴(kuò)展系統(tǒng)所用的標(biāo)準(zhǔn)外圍并行接口電路，采用NMOS工藝制造，40腳雙列直插式DIP封裝形式。8255與外部設(shè)備交換信息通過A口、B口、c口的24條I／O線來完成的，每個(gè)口都是8位。其中C口又分為上C口（PC7～PC4高4位）和下C口（PC3～PC0低4位）。可通過編程的方法來規(guī)定端口的工作方式為輸入，在主控程序初始化時(shí)完成。8255片選信號由P1．4完成，地址總線A0和A1通過地址鎖存器74LS373鎖定。

1．6 信號變換

系統(tǒng)信號取自車站信號室控制繼電器的觸點(diǎn)，主要是交流24 V的開關(guān)量信號，必須將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)系統(tǒng)可以匹配的TTL電平，也就是將交流24 V變換為直流5 V，其信號電平變換電路如圖5所示。交流信號由二極管D32整流，電容C32濾波，經(jīng)限流電阻R32輸入光電耦合器4N25，經(jīng)內(nèi)部發(fā)光管和光敏接收管有效實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)將外部信號的電氣網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)控制系統(tǒng)隔離開來，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。變換后輸出的信號是低電平，為保持輸入信號和輸出信號電平同步，后級加反相器，輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL 5 V信號，送往并行接口8255。

2 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)直接影響到系統(tǒng)的整體性能。軟件主要功能是通過對鐵路信號進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢，準(zhǔn)確判斷信號是否有效，并可靠查找信號所對應(yīng)的語音存儲(chǔ)地址，取出信息進(jìn)行實(shí)時(shí)播報(bào)。軟件程序包括主控程序、信號查詢程序、語音播報(bào)程序、數(shù)據(jù)傳送程序、ISD4004的上電和掉電程序。程序中多次使用延時(shí)子程序，由于結(jié)構(gòu)簡單、通用性強(qiáng)、本文不再闡述。

2．1 主控程序

主控程序流程見圖6，系統(tǒng)上電時(shí)要進(jìn)行初始化，完成對I／O口、信號單元及信號標(biāo)志位的清零和ISD4004及8255的初始化設(shè)置，并完成在系統(tǒng)上電時(shí)自檢和產(chǎn)品信息廣告的的語音播報(bào)。然后進(jìn)入信號的查詢和語音播報(bào)的循環(huán)控制流程。為了防止系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)或連報(bào)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮這方面的因素，如采用信號延時(shí)防抖判定，信號電平的高低交錯(cuò)標(biāo)志判斷及信號單元地址查表等方法，提高系統(tǒng)的可靠性。

2．2 信號查詢子程序

信號查詢子程序的流程見圖7，系統(tǒng)30多路信號分別占用AT89C51單片機(jī)的部分I／O線和可編程接口8255的A、B、C口24路輸入線。程序?qū)Χ嗦沸盘栠M(jìn)行逐一查詢，并對到來的有效信號進(jìn)行分單元標(biāo)記儲(chǔ)存，以便將參數(shù)傳遞給主控程序。

2．3 語音播報(bào)子程序

ISD4004芯片所有操作必須由微控制器控制的操作命令，通過串行通信協(xié)議SPI接口送入。SPI控制寄存器控制芯片的錄放音、信息檢索、上電、掉電、開始和停止等功能，由軟件編程指令改變SPI控制寄存器的控制位來實(shí)現(xiàn)，SPI控制寄存器的控制位如圖8所示，指令格式是：8位控制碼+16位地址碼。ISD的任何操作在運(yùn)行位C4置1時(shí)開始，置0時(shí)結(jié)束，如果遇到EOM或OVF，則產(chǎn)生一個(gè)中斷，使用“讀”指令使中斷狀態(tài)位移出ISD的MISO引腳時(shí)，控制及地址數(shù)據(jù)也同步從MOSI端移入。因此要注意移入的數(shù)據(jù)是否與器件當(dāng)前進(jìn)行的操作兼容。當(dāng)然，也允許在一個(gè)SPI周期里，同時(shí)執(zhí)行讀狀態(tài)和開始新的操作（即新移入的數(shù)據(jù)與器件當(dāng)前的操作可以不兼容）。

語音播報(bào)子程序，要嚴(yán)格按照以上ISD4004的要求編程，其流程見圖9。系統(tǒng)確認(rèn)當(dāng)前播報(bào)信號有效時(shí)，通過查找語音存放地址，得到16位的播報(bào)地址。首先要調(diào)用上電子程序，送上電指令，然后等待約25μs的延遲，再傳送16位放音起始地址參數(shù)和8位從指定地址開始放音的指令，分別調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，完成信息的播報(bào)。

2．4 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序

數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖見圖10，主要將16位放音地址和8位功能控制指令數(shù)據(jù)按照SPI協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在串行時(shí)鐘同步下傳送到ISD4004的MOSI。

2．5 上電、掉電子程序

ISD4004可實(shí)現(xiàn)電源操作模式的管理，通過指令編程完成上電和掉電的操作，其程序流程圖見圖11和圖12。芯片掉電后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，耗電電流1μA左右，只有在上電操作完成后芯片才能正常工作。

3 結(jié) 語

闡述了基于ISD4004芯片設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制語音播報(bào)系統(tǒng)在火車站信號控制室實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)事例，主要介紹了系統(tǒng)軟、硬件的設(shè)計(jì)方法，其目的就在于提供一種多路工業(yè)過程控制在線語音提示或報(bào)警的微機(jī)控制模塊，可以稍加改造，方便地與常規(guī)工業(yè)控制系統(tǒng)或設(shè)備配合使用，甚至還可以方便地與復(fù)雜系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)配合使用，完成各種工業(yè)控制和監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)報(bào)警和操作提示。

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