基于ISD4004單片機(jī)的火車站自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)
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筆者成功應(yīng)用ISD4004和AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了火車站信號(hào)自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng),通過對(duì)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(hào)進(jìn)行檢測(cè)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(yǔ)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(hào)室控制臺(tái)上安裝使用,運(yùn)行穩(wěn)定,信號(hào)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(yǔ)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(hào)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(yǔ)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(hào)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(yǔ)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(wàn)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(hào)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(duì)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(hào)RAC的控制下進(jìn)行錄放信息的存儲(chǔ)管理。RAC信號(hào)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(hào),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(hào),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(hào)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(hào)。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(hào)SCLK由單片機(jī)P1.2控制。行地址時(shí)鐘RAC和中斷請(qǐng)求信號(hào)INT分別與P3.2(INT1)和P3.3(INTO)連接。
1.4 音頻輸出
系統(tǒng)信號(hào)所對(duì)應(yīng)的提示語(yǔ)音,如“上行列車開過來了,區(qū)間占用”、“請(qǐng)求上行發(fā)車,信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)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(hào)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(hào)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(hào)變換
系統(tǒng)信號(hào)取自車站信號(hào)室控制繼電器的觸點(diǎn),主要是交流24 V的開關(guān)量信號(hào),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(hào)電平變換電路如圖5所示。交流信號(hào)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(hào)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(hào)是低電平,為保持輸入信號(hào)和輸出信號(hào)電平同步,后級(jí)加反相器,輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL 5 V信號(hào),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(duì)鐵路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢,準(zhǔn)確判斷信號(hào)是否有效,并可靠查找信號(hào)所對(duì)應(yīng)的語(yǔ)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(hào)查詢程序、語(yǔ)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(jiǎn)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(duì)I/O口、信號(hào)單元及信號(hào)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(yǔ)音播報(bào)。然后進(jìn)入信號(hào)的查詢和語(yǔ)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(hào)延時(shí)防抖判定,信號(hào)電平的高低交錯(cuò)標(biāo)志判斷及信號(hào)單元地址查表等方法,提高系統(tǒng)的可靠性。
2.2 信號(hào)查詢子程序
信號(hào)查詢子程序的流程見圖7,系統(tǒng)30多路信號(hào)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?hào)進(jìn)行逐一查詢,并對(duì)到來的有效信號(hào)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(yǔ)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(yǔ)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(hào)有效時(shí),通過查找語(yǔ)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1O,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(yǔ)
闡述了基于ISD4004芯片設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)在火車站信號(hào)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(yǔ)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(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)報(bào)警和操作提示。