基于ISDl420的多路语音报警系统

摘要：以AT89C51为核心，采用直接模拟存储技术DAST芯片ISDl420和8位A／D转换器ADC0809，设计了一种多路语音报警系统，包括信号放大、处理电路，A／D转换模块，语音报警模块、数码显示模块、按键输入模块等。系统具有一定通用性、稳定可靠，可广泛应用于各种监测系统中。
关键词：语音报警；单片机；ISDl420；ADC0809

    语音报警系统广泛应用于矿井、粮仓温度测量及控制、温室温度采集和控制、火灾语音报警系统等。本系统功能是进行信号检测和语音报警，包括运算放大器、A／D转换模块、语音录放模块、输出控制模块、显示模块和继电器驱动以及控制电路等部分。单片机主要负责数据采集、显示和判断，以及对ISDl420语音芯片控制，系统硬件框图，如图1所示。

1 基于ISDl420的语音报警模块
    ISDl420为ISD公司出品的优质单片语音录放电路，单片录放时间8～20 s音质较好。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM阵列。在录放操作结束后，芯片自动进入低功耗节电模式、功耗仅0．5μW。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，每个采样直接存储在片内EEPROM单元中，因能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调各效果，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。采样频率为5．3 kHz，6．4 kHz和8．0 kHz，对音质仅有轻微影响。片内信息可保存100年(无需后备电源)，EEPROM单片可反复录音10万次。
1．1 ISDl420的工作原理
    ISDl420是采用模拟存取技术集成的可反复录放的20 s语音芯片，掉电语音不丢失，最大可分为160段，最小每段语音长度为125 ms，每段语音都可由地址线控制输出，每125 ms为一个地址，由A0～A7这8根地址线控制，地址语音控制表，如表1所示。用户录制的语音每段结束后芯片自动设有段结束标志(EOM)，芯片录满后设有溢出标志(OVF)。用单片机控制电路按某一段的起始地址进行放音操作，遇到段结束标志(EOM)即自动停止放音，单片机收到段结束标志(EOM)就开始触发下一段语音的起始地址，如此控制，即可以将很多不同段的语音组合成一句话放音出来，实现语音的自动组合。
    用户可以通过专用ISDl420语音编程拷贝机将需要的语音分段编程、连续录制到芯片中，每段语音长度不限，制成语音源片后，将源片的录音端封住不让其再做录音操作，再由单片机电路控制放音。首先，单片机将ISDl420语音芯片完整搜索一遍，自动找出每一段的起始地址，按分段顺序编号存入外置的串行存储器中；然后用户通过单片机串口发出指令，单片机即将这些段的编号、地址调出，依次向语音芯片发出首地址、放音该段、该段结束，单片机收到EOM标志后单片机发出下一段语音的首地址、放音该段，如此工作，直到要求的一句话合成完毕。
    这种控制方式有较强的通用性和方便性，它不需要事先规定每段语音的时间长度和总段数，甚至不需要知道每段语音在ISDl420芯片上的具体地址，只要用户记住录入语音的段顺序即可控制各段语音的自由组合。

    ISDl420系列内置了若了干操作模式，可用最少的外围器件实现最多的功能。操作模式也由地址端控制，当A7和A6都为l时，其它地址端置高就选择某个(或某几个)模式。因为操作模式和直接寻址互相排斥。操作模式可由微控制器或硬件实现。ISDl420操作模式简表如表2所示。使用操作模式有两点注意：(1)所有操作都从O地址，即存储空间的起始端开始。后续操作根据所选用的模式可从其它的地址开始。此外，A4模式中，当电路由录转为放时地址计数器复位为0，而由放转为录则不复位；(2)当控制信号(PLAYL，PLAYE或REC)变低，同时A6和A7为高时，执行操作模式。这种操作模式一直有效，除非控制信号再次由高变低，芯片重新锁存当前的地址／模式端电平，然后执行相应操作。

1．2 ISDl420语音报警电路的设计
    为了使系统能够对语音进行分段控制，设计一个ISDl420与单片机的接口电路，ISDl420的地址段A0～A7由单片机的IO口控制。具体的电路，如图2所示。录制信息时：将REC电平变低，从内部存储器空间开始录制信息。如果REC保持低电平，录音操作一直持续到存储器空间录满，这时录音结束。如果REC变为高电平，电路将自动进入掉电模式。边缘启动放音时：将PLAYE变低，从存储器开始或选定的位置开始放音。PLAYE的上升沿对操作没有影响。如果存储器内部全部录满信息，则可以播放内部全部信息。如果到达结束标志EOM，电路将停止放音并自动进入掉电模式。一个新的PLAYE下降沿将触发另一个从起始地址的录音。电平触发放音时：将PLAYL变低，将从存储器开始或选定的位置开始放音。如果存储器内部全部录满信息，则可以播放内部全部信息。如果到达结束标志EOM，电路将停止放音并自动进入掉电模式。一个新的PLAYL下降沿将触发另一个从起始地址的放音。录音(中断放音)时：REC引起的录音操作优先于其他操作。任何时间REC信号的变低将引起一次新的录音操作，地址从起始地址或指定的地址开始，不论当前是否进行其他操作。RECLED操作时：在录音操作时，RECLED将输出低电平有效信号，可以驱动一个LED，表明现在正在录音操作。如果整个存储器空间录满，或REC变为高电平结束录音，则RECLED将变为高电平。另外，在放音过程中，如果遇到一个EOF标志，RE-CLED总是输出一个低电平脉冲。

2 ADC0809的数据采集电路的设计
    A／D转换接口是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。数据采集和转换系统从一个或几个信号源中采集模拟信号，并将这些信号通过A／D转换接口转换成数字信号，以便输入单片机，为进一步的数据处理做好准备。为满足系统要求，简化数据采集电路，本设计采用ADC0-809模数转换器对模拟信号进行转换。
    ADC0809芯片的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。START上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器。这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，打开三态输出锁存器，转换结果的数字量输出到数据总线上。与51单片机的接口电路，如图3所示，采用中断方式，转换完成的状态信号：EOC引脚经过一个反相器接在单片机的引脚上，转换结束后，EOC=1，经过反相后为0，可以向单片机发出中断请求。

3 数码显示模块
    LED动态显示电路占用单片机的I／O口资源很少，把所有LED显示器的8个笔画段a～g和dp的各段同名端互相连接起来，并把它接到输出口上。为了防止各显示器显示同样的数字，各个显示器应该轮流显示，在某一刻只能是其中的一个数码管点亮。因此每个数码管的COM端还要受到另一信号的控制，可以接到另一个I／O输出口上，某一个时刻只让其中一个COM出现低电平点亮共阴数码管。这样，对一组LED数码管显示器需要两组信号控制：段码控制显示的字形；位码选择第几个显示器工作。在这两组信号的作用下，可以使各显示器显示各自的字符，当然这些字符不是同时显示的，但由于人眼存在视觉暂留，加上发光二极管的余辉效应，只要扫描的速度足够快，每位显示的间隔时间足够短，就可以给人同时显示的感觉，而不会有闪烁感。系统中，由74LSl64串-并转换扩展I／O，DsDat连接AT89C51的RXD，DsClk连接AT89C5l的TXD，GW，SW，BW和QW分别接AT89C5l的P1.0～P1.3，采用LED动态显示，如图4所示。

4 单片机控制软件的设计
4．1 ADC0809数据采集程序
    为了提高系统的稳定性和单片机的工作效率，在设计数据采集电路时，采用了定时采集加中断的方式，这样既可以任意设定采集的间隔时间，又不妨碍单片机执行其他程序。程序的详细流程图，如图5所示。

4．2 ISDl420语音芯片控制程序
    为了充分利用ISDl420的语音分段程序，使语音资源的利用率提高。设计中将语音程序独立编写、调试，在系统需要语音报警时，只需通过P0口给出不同的放音地址，调用语音播放程序就能实现智能语音报警。这部分的程序比较简单，主要是逻辑配合与精确延时程序的编写。在录制声音前，要计算好每段语音的时间才能确定需要调用的延时程序。图6是该部分程序的流程图。

4．3键盘和显示程序
    系统的键盘采用了独立式键盘并采用查询方式，根据独立式键盘的特点，程序必须不停地对键盘接口进行查询。LED显示采用动态显示，并采用74LSl64作为I／O扩展以节约单片机的I／O口资源。键盘程序和动态显示程序的流程，如图7所示。

5 结束语
    此多路语音报警系统经过电路测试、软件调试和系统组装，可以实现多路数据采集和语音报警，稳定可靠。可广泛应用于矿井、粮仓、石油工程、电站、隧道和大坝等领域的监测系统中。