火车站信号自动语音播报系统的设计

火车站信号自动语音播报系统的设计 2010-09-18 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 2530 mA，维持电流 1A，不耗电，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。ISD4004 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P13 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 P12 控制。行地址时钟 RAC 和中断请求信号 INT 分别与P32(INT1)和 P33(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”、“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 IO 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(PC3PC0 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 P14 完成，地址总线 A0 和 A1 通过地址锁存器 74LS373 锁定。 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。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，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 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。25 上电、掉电子程序ISD4004 可实现电源操作模式的管理，通过指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