基于ISD4004和AT89C51單片機實現火車語音播報系統的設計

在現代工業控制過程中，廣泛應用了工作狀態和故障狀態報警裝置，通常它以聲、光形式提醒操作者及時處理出現的問題。隨著新技術的發展，人們又開始將語音技術應用到這一領域。它以更直觀、易懂、更方便、準確的形式向操作者提供有關信息，使操作者能夠更準確、快速地處理系統問題。美國ISD公司生產的ISD系列智能語音存儲芯片音質好，長期斷電語音信號不丟失，非常適合于電子產品的開發應用。成功應用ISD4004和AT89C51單片機設計了火車站信號自動語音播報系統，通過對火車站鐵路線的上行和下行控制、車輛調度、系統主副電源的啟用等多路信號進行檢測并采集，根據安全隱患的防范要求，由單片機控制查詢安全警示語音信息并播報，實現安全操作提示及報警。系統在火車站信號室控制臺上安裝使用，運行穩定，信號播報準確，取得了很好的效果。

1 硬件電路設計

系統硬件電路設計原理框圖見圖1，由微控制器AT89C51、ISD4004語音電路、音頻功率放大電路、可編程并行接口8255、光電隔離、電平轉換、信號輸入接口、系統時鐘、復位及鍵盤等單元電路組成。

1．1 ISD4004的特性

ISD4004系列語音存儲芯片采用CMOS技術，內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列，內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。外部的音源信號在芯片內采用多電平直接模擬量存儲技術，信息可進行多段處理，每個采樣值直接存貯在片內閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲。存于片內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，單片錄放時間8～16 min，可反復錄音10萬次。

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單片機的接口

ISD4004工作于SPI串行接口，按照同步串行數據傳輸的SPI協議，所有串行數據傳輸開始于單片機主控器發送給ISD4004的片選信號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。來自串行數據輸入端MOSI引腳的數據在串行同步時鐘上升沿被鎖存，對ISD4004串行數據輸出端MISO引腳的數據在SCLK的下降沿被移出。ISD4004的任何一個錄音和放音操作（含快進），都是按分段地址進行的，每段包含若干行，每行相當于存儲單元，在行地址時鐘信號RAC的控制下進行錄放信息的存儲管理。RAC信號周期為200 ms，高電平占空比為3／4。當錄音和放音操作到內部存儲單元地址的末尾時，會產生一個OVF或EOM結束標志信號，如果遇到EOM或OVF，則產生一個低電平有效的INT中斷信號，該中斷狀態在下一個SPI周期開始時被清除。ISD4004與AT89C51單片機連接如圖3所示。

ISD4004的片選信號SS引腳與AT89C51單片機的I／O口P1．0連接，由程序指令產生有效的低電平信號。串行數據輸入MOSI引腳和串行數據輸出MISO引腳分別與P1．1和P1．3連接，串行收發的數據信息在程序指令的控制下，由片內移位寄存器鎖存，其同步時鐘信號SCLK由單片機P1．2控制。行地址時鐘RAC和中斷請求信號INT分別與P3．2（INT1）和P3．3（INTO）連接。

1．4 音頻輸出

系統信號所對應的提示語音，如“上行列車開過來了，區間占用”、“請求上行發車，信號開放”等信息，已通過專用設備按地址分段固化到ISD4004內部E2PROM的存儲單元。在程序控制下，相應的語音信號由ISD4004的13腳（AUOUT）輸出，經耦合電容C4和音量控制電位器RW，送入低噪聲功率放大集成電路進行放大，推動揚聲器發聲。為使輸出語音噪聲達到最小，系統的模擬地和數字地分開走線，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，退耦電容也應盡量靠近芯片。

1．5 I／O口的擴展

系統36路信號要經微控制器處理，至少要36個I／O口線才能滿足需求，靠AT89C51剩余的I／O口顯然是不夠的，必須進行I／O口的擴展。系統采用可編程序并行輸入輸出接口芯片8255擴展不足的I／O口，具體硬件連接見圖4。8255是微處理器擴展系統所用的標準外圍并行接口電路，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）?？赏ㄟ^編程的方法來規定端口的工作方式為輸入，在主控程序初始化時完成。8255片選信號由P1．4完成，地址總線A0和A1通過地址鎖存器74LS373鎖定。

1．6 信號變換

系統信號取自車站信號室控制繼電器的觸點，主要是交流24 V的開關量信號，必須將其轉換為單片機系統可以匹配的TTL電平，也就是將交流24 V變換為直流5 V，其信號電平變換電路如圖5所示。交流信號由二極管D32整流，電容C32濾波，經限流電阻R32輸入光電耦合器4N25，經內部發光管和光敏接收管有效實現光電轉換，同時將外部信號的電氣網絡與單片機控制系統隔離開來，提高系統的可靠性和抗干擾能力。變換后輸出的信號是低電平，為保持輸入信號和輸出信號電平同步，后級加反相器，輸出標準的TTL 5 V信號，送往并行接口8255。

2 軟件總體設計

系統軟件設計直接影響到系統的整體性能。軟件主要功能是通過對鐵路信號進行實時查詢，準確判斷信號是否有效，并可靠查找信號所對應的語音存儲地址，取出信息進行實時播報。軟件程序包括主控程序、信號查詢程序、語音播報程序、數據傳送程序、ISD4004的上電和掉電程序。程序中多次使用延時子程序，由于結構簡單、通用性強、本文不再闡述。

2．1 主控程序

主控程序流程見圖6，系統上電時要進行初始化，完成對I／O口、信號單元及信號標志位的清零和ISD4004及8255的初始化設置，并完成在系統上電時自檢和產品信息廣告的的語音播報。然后進入信號的查詢和語音播報的循環控制流程。為了防止系統誤報、漏報或連報，在程序設計時充分考慮這方面的因素，如采用信號延時防抖判定，信號電平的高低交錯標志判斷及信號單元地址查表等方法，提高系統的可靠性。

2．2 信號查詢子程序

信號查詢子程序的流程見圖7，系統30多路信號分別占用AT89C51單片機的部分I／O線和可編程接口8255的A、B、C口24路輸入線。程序對多路信號進行逐一查詢，并對到來的有效信號進行分單元標記儲存，以便將參數傳遞給主控程序。

2．3 語音播報子程序

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現，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的任何操作在運行位C4置1時開始，置0時結束，如果遇到EOM或OVF，則產生一個中斷，使用“讀”指令使中斷狀態位移出ISD的MISO引腳時，控制及地址數據也同步從MOSI端移入。因此要注意移入的數據是否與器件當前進行的操作兼容。當然，也允許在一個SPI周期里，同時執行讀狀態和開始新的操作（即新移入的數據與器件當前的操作可以不兼容）。

語音播報子程序，要嚴格按照以上ISD4004的要求編程，其流程見圖9。系統確認當前播報信號有效時，通過查找語音存放地址，得到16位的播報地址。首先要調用上電子程序，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和8位從指定地址開始放音的指令，分別調用數據發送子程序，完成信息的播報。

2．4 數據發送子程序

數據發送子程序流程圖見圖10，主要將16位放音地址和8位功能控制指令數據按照SPI協議標準，在串行時鐘同步下傳送到ISD4004的MOSI。

2．5 上電、掉電子程序

ISD4004可實現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。芯片掉電后進入低功耗狀態，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 語

闡述了基于ISD4004芯片設計的單片機控制語音播報系統在火車站信號控制室實際應用的一個事例，主要介紹了系統軟、硬件的設計方法，其目的就在于提供一種多路工業過程控制在線語音提示或報警的微機控制模塊，可以稍加改造，方便地與常規工業控制系統或設備配合使用，甚至還可以方便地與復雜系統和DCS系統配合使用，完成各種工業控制和監測系統的工作狀態報警和操作提示。

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