火车站信号自动语音播报系统的设计

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。

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。

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。

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。

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。