基于ISD4004和AT89C51单片机实现火车语音播报系统的设计

基于ISD4004和AT89C51单片机实现火车语音播报系统的设计

1．1 ISD4004的特性

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。

1．4 音频输出

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

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。

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25μs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。

2．4 数据发送子程序

数据发送子程序流程图见图10，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1μA左右，只有在上电操作完成后芯片才能正常工作。

3 结 语

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