基于ISD4004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