ISD4004及STC89C51语音播报思路

1 基于基于 ISD4004 单片机的火车站自动语音播报系统单片机的火车站自动语音播报系统 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 STC89C51 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 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 1 A 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 2 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 3 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 4 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 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 5 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 2 2 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 I O 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 6 7 2 3 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 25 s 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 8 2 4 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 2 5 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 9 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 1 A 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 和监测系统的工作状态报警和操作提示 ISD4004 语音芯片 C51 驱动程序源代码 spi isd4004 h include reg51 h include intrins h sbit cs p0 0 sbit sclk p0 3 sbit mosi p0 1 sbit miso p0 2 10 sbit rac p0 4 sbit int p0 5 void delay unsigned int i 延时程序 while i void stopmode 停止 unsigned char m i j cs 1 sclk 0 cs 0 m 0 x30 for i 0 i 8 i m cror m 1 j m 1 mosi cy sclk 0 sclk 1 cs 1 void powerdown 下电 unsigned char m i j cs 1 sclk 0 cs 0 m 0 x10 for i 0 i 8 i m cror m 1 j m 1 mosi cy sclk 0 sclk 1 cs 1 11 void powerup 上电 unsigned char m i j cs 1 sclk 0 cs 0 m 0 x20 for i 0 i 8 i m cror m 1 j m 1 mosi cy sclk 0 sclk 1 cs 1 void record4004 unsigned int address 录音 address 录音地址 0 2400 unsigned char i m j unsigned int datasoute 0 powerup delay 5118 上电延时 powerup delay 5118 上电延时 delay 5118 上电延时 cs 1 sclk 0 m 0 xa0 cs 0 for i 0 i 16 i address iror address 1 datasoute address 1 mosi cy sclk 0 sclk 1 for i 0 i 8 i 12 m cror m 1 j m 1 mosi cy sclk 0 sclk 1 cs 1 sclk 0 m 0 xb0 cs 0 for i 0 i 8 i m cror m 1 j m 1 mosi cy sclk 0 sclk 1 cs 1 p0 0 xff datasoute 0 while int 1 存储地址换行标志 if rac delay 20000 datasoute 记录本次录音所占的行数 也就是本次录音有多 大 在这里应该加上自己的程序 就是录音退出程序 while end void audioout unsigned int address 放音程序 unsigned char i m j unsigned int datasoute powerup cs 1 sclk 0 cs 0 m 0 xe0 13 for i 0 i 16 i address iror address 1 datasoute address 1 sclk 0 mosi cy sclk 1 for i 0 i 8 i m cror m 1 j m 1 sclk 0 mosi cy sclk 1 cs 1 sclk 0 m 0 xf0 cs 0 for i 0 i 8 i m cror m 1 j m 1 sclk 0 mosi cy sclk 1 cs 1 p0 0 xff while int 1 while end main record4004 0 audioout 0 while 1 14 ISD4004 的家庭语音报警系统设计的家庭语音报警系统设计 ISD4004 的家庭语音报警系统设计 现代家庭的防盗方式主要以安装防盗门 防盗锁为主 但是这类设备主要是以增加盗贼入 室的难度来达到防盗目的的 这种单纯的机械装置 在较长时间无人在场的情况下 防盗效果往往不尽如人意 所以人们需要有新的防盗系统作为补充 市场上的不少门禁系统虽说性能优良 保险系数 较高 但是由于其高昂的价格让一般的家庭感到难以接受 不少系统是在门窗被破坏 非 法人员入侵后才报警 且安装这些防盗设备会对原有的门窗有较大破坏性 在有警情发生 时这些报警系统会通知主人或报警中心 但是他们的响应都需要一定的时间 很有可能在 他们的响应时间内不法分子已经完成了偷盗行为 所以 安防的最好方法是在不法分子有 入侵企图时就通过给出语音警告 增加其心理压力 使其主动离开 在这种方法失效的情 况下 可以记录入侵时间 进行现场录音 然后通过电话或其他方式通知主人或报警中心 本设计正是基于这样一种思想 同时在语音报警的基础上还增加了个性化 方便实用的语 音服务功能 该设计制作成本低 安装方便 对门窗几乎没有破坏性 防盗可靠性好 播 放的语音清晰 适于一般家庭使用 1 系统工作原理 本系统主要由报警子系统和语音服务子系统两大部分组成 如图 1 所示 其中报 警子系统采用热释电红外传感器作为报警信号采集装置 AT89S51 单片机作为主控制器 语音芯片 ISD4004 作为报警和语音服务执行装置 键盘和数码管作为人机接口 系统工作时 热释电红外传感器对警戒区的红外信号不断地进行采集 当在警戒范 围内出现人体时 信号处理电路向单片机输出高电平 由于不法分子一般在门外待的时间 15 相对较长 因此使用者结合自己家庭所处环境及人流情况 通过键盘设置最佳的报警响应 时间 以便对他们进行区分 设置完毕后 单片机将根据报警响应时间对经信号处理电路 处理过的数字信号进行采集处理 判断是否启动报警 若启动报警 则通过控制已存有报 警内容的语音芯片对不法分子进行语音警告 然后重复播放若干次语音报警内容以警醒主 人或周围的人 接着对现场进行录音 记录报警时间 同时在数码管上显示报警次数 并 可以通过相应按键查询报警时间 便于破案 在语音服务方面 可以个性化地通过键盘预先设置不同的模式 如外出模式 暂时 离开模式 在家模式 免打扰模式等 当有客来访按下门铃时 不同的模式下自动播放不 同的语音内容 通过语音信息与客人进行友好的交流 既方便了主人又方便了客人 2 系统硬件设计 系统硬件部分主要由信号采集与处理模块 语音录放模块和键盘显示模块 3 部分组 成 控制部分选用 AT89S51 单片机作为主控制器 2 1 信号采集与处理模块设计 硬件电路如图 2 所示 热释电红外传感器 PIR RE200B 对人体信号进行检测 红外 传感信号专用处理芯片 BISS0001 对所采集信号进行初步处理 RE200B 的 D G S 端分别 为电源端 地端和目标输出电压端 输出信号 VO 接单片机 供其读取 16 采用热释电传感器的优势是 成本低 不需要用红外线或电磁波等发射源 隐蔽性 好 可流动安装 灵敏度高 控制范围大 热释电红外传感器利用热释电效应 能以非接 触形式检测出人体辐射的红外线 并将其转变为电压信号 同时 它还能鉴别出运动的生 物与其他非生物 实际使用中 热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜 菲涅尔透镜的作 用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上 同时也产生交替变化的红外辐射高 灵敏区和盲区 以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性 这样可大大提高接收 灵敏度 增加检测距离及范围 实验证明 热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜 则其检 测距离仅为 2 m 左右 检测人体走过 而配上菲涅尔透镜后 其检测距离可增加到 10 m 以 上 甚至可达 20 m 以上 由于 PIR 信号变化缓慢 幅值小 针对该特点 专用信号处理器一般分为 3 步处理 滤波放大 窗口比较 噪声抑制及数字信号处理 BISS0001 就是由运算放大器 电压比较 器 状态控制器 延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路 它采用 CMOS 工艺 数模混合 具有独立的高输入阻抗运算放大器 内部的双向鉴幅器可 有效抑制干扰 它有两种工作方式供选择 通过将引脚 A 置 1 或 0 可设置为可重复触发方 式和不可重复触发方式 本系统选择可重复触发方式 在将传感信号进行预处理后 通过 双向鉴幅器可检测出有效触发信号 Vs 由于选择的是可重复触发方式 Vs 可重复触发 VO 为有效状态 并可促使 VO 在延时周期 Tx 内一直保持有效状态 延时周期的大小可通过 R1 和 C1 调节 在 Tx 时间内 只要 Vs 发生上跳变 VO 就会从 Vs 上跳变时刻起继续延长一个 Tx 周期 若 Vs 保持为 1 状态 则 VO 一直保持有效状态 若 Vs 保持为 O 状态 则 在 Tx 周期结束后 VO 恢复为无效状态 并且在封锁时间 Ti 时间内 任何 Vs 的变化都不能 17 触发 VO 为有效状态 2 2 语音录放模块设计 语音录放模块的硬件电路如图 3 所示 MK1 为麦克风 用于录入语音 可完成普 通的现场录音 在放音电路中 输出端选用低电压通用集成功率放大器 LM386M 1 的典型 应用电路作为扬声器 LS1 的驱动电路 该典型电路中 LM386M 1 的 1 脚和 8 脚间外接 10 F 的旁路电容 可以使电路的放大倍数提高 200 倍 ISD4004 的工作电压是 3V 可以 通过变压电路将 5V 电压转变为 3 V 转换 电路如图 4 所示 2 2 1 ISD4004 语音芯片 该模块的核心是 ISD4004 语音芯片 其引脚如图 5 所示 ISD4004 语音芯片采用 CMOS 技术 内含晶体振荡器 防混叠滤波器 平滑滤波器 自动静噪 音频功率放大器及高密度多电 平闪烁存储阵列等 因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统 ISD4004 语音芯片带 SPI 接口 录放音时间长 音质好 不需 A D 转换 可重复记录 10 万次 断 18 电后仍可以保存数据 100 年 语音内容分段存储 程序可以选定任一段作为录音 放音的 起始地址 ISD4004 主要引脚说明如下 片选 CS 此端为低电平时选中芯片 VCCA VCCD 供电电源 3 V OUT 音频输出端 可驱动 5 负载 IN IN 录音信号同相 反相输入端 MOSI 串行输入端 主控器件应在串行时钟上升沿前半个周期将数据放到此端 供 ISD4004 输入用 SCLK 时钟输入端 由主控制器产生 用于同步 MOSI 和 MISO 的数据传输 AMCAP 自动静噪音控制端 VSSA VSSD 地线 2 2 2 SPI 接口 SPI 接口是 Motorola 公司推出的同步串行扩展接口 该接口共使用 4 条信号线 主 机输出片选线 CS 串行时钟线 SCLK 主机输出 从机输入的信号线 MOSI 以及主机输入 从机输出的信号线 MISO SPI 接口是串行扩展的全双工同步通信口 主机方式传送数据的 最高速率达 1 05 Mbps 由于 AT89S51 没有 SPI 接口 所以采用模拟 SPI 接口同 ISD4004 进行数据传输 同时因为无主机输人 所以不需要 MISO 线 将片选 CS 主机输出 从机 输入的信号线 MOSI 串行时钟 SCLK 分别接在单片机 P0 0 P0 1 P 2 口 ISD4004 通过 SPI 接口传输数据的步骤如下 串行数据传输开始于 CS 下降沿 在数据传输期间 CS 必须