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1、1 / 10 火车站信号自动语音播报系统的设计2018-09-18 10:17:44 作者：鲍润华来源 :现代电子技术关键字：铁路信号控制系统信号采集语音播报在现代工业控制过程中，广泛应用了工作状态和故障状态报警装置，通常它以声、光形式提醒操作者及时处理出现的问题。随着新技术的发展，人们又开始将语音技术应用到这一领域。它以更直观、易懂、更方便、准确的形式向操作者提供有关信息，使操作者能够更准确、快速地处理系统问题。美国ISD 公司生产的ISD 系列智能语音存储芯片音质好，长期断电语音信号不丢失，非常适合于电子产品的开发应用。笔者成功应用ISD4004 和AT89C51 单片机设计了火车站信号自
2、动语音播报系统，通过对火车站铁路线的上行和下行控制、车辆调度、系统主副电源的启用等多路信号进行检测并采集，根据安全隐患的防范要求，由单片机控制查询安全警示语音信息并播报，实现安全操作提示及报警。系统在火车站信号室控制台上安装使用，运行稳定，信号播报准确，取得了很好的效果。1 硬件电路设计系统硬件电路设计原理框图见图1，由微控制器AT89C51 、ISD4004 语音电路、音频功率放大电路、可编程并行接口8255、光电隔离、电平转换、信号输入接口、系统时钟、复位及键盘等单元电路组成。11 ISD4004 的特性精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - -
3、 -第 1 页，共 10 页2 / 10 ISD4004 系列语音存储芯片采用CMOS 技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列，内置微控制器串行通信接口。芯片所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI 或 Microwire 送人。外部的音源信号在芯片内采用多电平直接模拟量存储技术，信息可进行多段处理，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声。存于片内闪烁存贮器中的信息，可在断电情况下保存100 年。芯片工作电压为3 V，工作电流为25 30 mA，维持电流1A ，不耗电，
4、单片录放时间816 min，可反复录音10 万次。12 ISD4004 的引脚及封装形式ISD4004 采用 28 脚的 SOIC 封装，其引脚排列如图2 所示。13 ISD4004 与 AT89C51 单片机的接口ISD4004 工作于 SPI 串行接口，按照同步串行数据传输的SPI 协议，所有串行数据传输开始于单片机主控器发送给ISD4004 的片选信号SS下降沿。 SS在传输期间必须保持为低电平，在两条指令之间则保持为高电平。来自串行数据输入端MOSI 引脚的数据在串行同步时钟上升沿被锁存，对 ISD4004 串行数据输出端MISO 引脚的数据在SCLK 的下降沿被移精选学习资料 - -
5、 - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 10 页3 / 10 出。 ISD4004 的任何一个录音和放音操作(含快进 ，都是按分段地址进行的，每段包含若干行，每行相当于存储单元，在行地址时钟信号RAC 的控制下进行录放信息的存储管理。RAC 信号周期为200 ms，高电平占空比为34。当录音和放音操作到内部存储单元地址的末尾时，会产生一个OVF 或 EOM 结束标志信号，如果遇到EOM 或 OVF ，则产生一个低电平有效的INT 中断信号，该中断状态在下一个SPI 周期开始时被清除。ISD4004 与AT89C51 单片机连接如图3 所示。ISD4
6、004 的片选信号SS引脚与 AT89C51 单片机的IO 口 P10 连接，由程序指令产生有效的低电平信号。串行数据输入MOSI 引脚和串行数据输出MISO 引脚分别与P11 和P1 3连接，串行收发的数据信息在程序指令的控制下，由片内移位寄存器锁存，其同步精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 10 页4 / 10 时钟信号SCLK 由单片机P12 控制。行地址时钟RAC 和中断请求信号INT 分别与P3 2(INT1 和 P3 3(INTO 连接。14 音频输出系统信号所对应的提示语音，如“ 上行列车开过来了，区间占用”
7、、“ 请求上行发车，信号开放 ” 等信息，已通过专用设备按地址分段固化到ISD4004 内部 E2PROM 的存储单元。在程序控制下，相应的语音信号由ISD4004 的 13 脚(AUOUT 输出，经耦合电容C4和音量控制电位器RW ，送入低噪声功率放大集成电路进行放大，推动扬声器发声。为使输出语音噪声达到最小，系统的模拟地和数字地分开走线，尽可能在靠近供电端处相连，并且分别引到 ISD4004 芯片的 VSSA 和 VSSD 管脚上，退耦电容也应尽量靠近芯片。15 I O 口的扩展系统 36 路信号要经微控制器处理，至少要36个 IO 口线才能满足需求，靠AT89C51 剩余的 IO 口显然
8、是不够的，必须进行IO 口的扩展。系统采用可编程序并行输入输出接口芯片8255扩展不足的IO 口，具体硬件连接见图4。8255 是微处理器扩展系统所用的标准外围并行接口电路，采用NMOS 工艺制造， 40 脚双列直插式DIP 封装形式。 8255 与外部设备交换信息通过A 口、 B 口、 c口的 24 条 IO 线来完成的，每个口都是 8 位。其中 C 口又分为上 C 口 (PC7PC4 高 4位 和下 C 口(PC3 PC0低 4 位。可通过编程的方法来规定端口的工作方式为输入，在主控程序初始化时完成。8255 片选信号由P1 4完成，地址总线A0 和 A1 通过地址锁存器74LS373 锁
9、定。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 10 页5 / 10 16 信号变换系统信号取自车站信号室控制继电器的触点，主要是交流24 V 的开关量信号，必须将其转换为单片机系统可以匹配的TTL 电平，也就是将交流24 V 变换为直流5 V，其信号电平变换电路如图5所示。交流信号由二极管D32 整流，电容C32 滤波，经限流电阻R32 输入光电耦合器4N25，经内部发光管和光敏接收管有效实现光电转换，同时将外部信号的电气网络与单片机控制系统隔离开来，提高系统的可靠性和抗干扰能力。变换后输出的信号是低电平，为保持输入信号和输出信号
10、电平同步，后级加反相器，输出标准的TTL 5 V 信号，送往并行接口8255。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页6 / 10 2 软件总体设计系统软件设计直接影响到系统的整体性能。软件主要功能是通过对铁路信号进行实时查询，准确判断信号是否有效，并可靠查找信号所对应的语音存储地址，取出信息进行实时播报。软件程序包括主控程序、信号查询程序、语音播报程序、数据传送程序、ISD4004 的上电和掉电程序。程序中多次使用延时子程序，由于结构简单、通用性强、本文不再阐述。21 主控程序主控程序流程见图6，系统上电时要进行初始化
11、，完成对IO 口、信号单元及信号标志位的清零和ISD4004 及 8255 的初始化设置，并完成在系统上电时自检和产品信息广告的的语音播报。然后进入信号的查询和语音播报的循环控制流程。为了防止系统误报、漏报或连报，在程序设计时充分考虑这方面的因素，如采用信号延时防抖判定，信号电平的高低交错标志判断及信号单元地址查表等方法，提高系统的可靠性。关键字：铁路信号控制系统信号采集语音播报精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页7 / 10 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -
12、第 7 页，共 10 页8 / 10 22 信号查询子程序信号查询子程序的流程见图7，系统 30 多路信号分别占用AT89C51 单片机的部分IO 线和可编程接口8255 的 A、 B、C 口 24路输入线。程序对多路信号进行逐一查询，并对到来的有效信号进行分单元标记储存，以便将参数传递给主控程序。23 语音播报子程序ISD4004 芯片所有操作必须由微控制器控制的操作命令，通过串行通信协议SPI 接口送入。SPI控制寄存器控制芯片的录放音、信息检索、上电、掉电、开始和停止等功能，由软件编程指令改变SPI 控制寄存器的控制位来实现，SPI 控制寄存器的控制位如图8 所示，指令格式是： 8 位控
13、制码 +16 位地址码。 ISD 的任何操作在运行位C4 置 1 时开始，置0 时结束，如果遇到 EOM 或 OVF ，则产生一个中断，使用“ 读” 指令使中断状态位移出ISD 的 MISO引脚时，控制及地址数据也同步从MOSI 端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然，也允许在一个SPI周期里，同时执行读状态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容。语音播报子程序，要严格按照以上ISD4004 的要求编程，其流程见图9。系统确认当前播报信号有效时，通过查找语音存放地址，得到16 位的播报地址。首先要调用上电子程序，送上电指令，然后等待约25s 的延迟，再
14、传送16 位放音起始地址参数和8 位从指定地址开始放音的指令，分别调用数据发送子程序，完成信息的播报。24 数据发送子程序数据发送子程序流程图见图1O，主要将16 位放音地址和8 位功能控制指令数据按照SPI协议标准，在串行时钟同步下传送到ISD4004 的 MOSI 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页9 / 10 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 10 页10 / 10 25 上电、掉电子程序ISD4004 可实现电源操作模式的管理，通过指
15、令编程完成上电和掉电的操作，其程序流程图见图 11 和图 12。芯片掉电后进入低功耗状态，耗电电流1A 左右，只有在上电操作完成后芯片才能正常工作。3 结语阐述了基于ISD4004 芯片设计的单片机控制语音播报系统在火车站信号控制室实际应用的一个事例，主要介绍了系统软、硬件的设计方法，其目的就在于提供一种多路工业过程控制在线语音提示或报警的微机控制模块，可以稍加改造，方便地与常规工业控制系统或设备配合使用，甚至还可以方便地与复杂系统和DCS 系统配合使用，完成各种工业控制和监测系精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 10 页