火车站信号自动语音播报系统的设计

2010-09-18 10:17:44来源: 现代电子技术

  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。

系统硬件电路设计原理框图

  1.1 ISD4004的特性

  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1μA,不耗电,单片录放时间8~16 min,可反复录音10万次。

  1.2 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。

引脚排列

  1.3 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3/4。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。

ISD4004与AT89C51单片机连接

  ISD4004的片选信号SS引脚与AT89C51单片机的I/O口P1.0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P1.1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,其同步时钟信号SCLK由单片机P1.2 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。

  1.4 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”、“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。

   1.5 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I/O口线才能满足需求,靠AT89C51剩余的I/O口显然是不够的,必须进行I/O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I/O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I/O线来完成的,每个口都是8位。其中C口又分为上 C口(PC7~PC4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锁定。

硬件连接

  1.6 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。

信号电平变换电路

  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。

  2.1 主控程序

  主控程序流程见图6,系统上电时要进行初始化,完成对I/O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。

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关键字:铁路信号  控制系统  信号采集  语音播报

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2010/0918/article_3373.html
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