基于ISD1420的高响度语音电路设计

1系统构成
　　
　　语音电路组成框图如图1所示。由PLC发布RS232电平信号，经电平转换后，为单片机AT89C51所接收。一方面控制语音芯片ISD1420放音，同时控制高亮度数码显示牌给出倒计时信号，为被训练人员提供提示。看门狗则保证该电路正常运行。

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2语音信号控制

2.1语音电路构成
　　
　　根据训练要求，语音电路在起跑前10秒发出“长提示音”一声，然后每隔一秒发“短提示音”一声，计时回零时发“发令枪声”(发声规律可调)。
　　
　　语音部分电路设计见图2。“提示音”与“起跑枪声”由语音存储/再生芯片ISD1420分段存储，ISD1420输出的音频信号经电容耦合到两片集成功率放大器TDA2003构成的BTL功放电路，由扬声器输出。MAX232将PLC送过来的RS232电平信号转换成TTL电平并送到单片机AT89C51，AT89C51根据PLC的指令，通过P3.6控制ISD1420的放音，P3.2～P3.5用来调整放音地址。MAX813L则作为看门狗为单片机AT89C51提供上电复位和运行监控，由P3.7提供喂狗信号。

2.2语音电路特性
　　
　　选用语音存储/再生芯片ISD1420。该电路采用EEPROM存储方法将模拟语音数据直接写入半导体存储单元中，具有音质自然、可反复录放、抗干扰、低功耗等许多优点。ISD1420放音时间为20秒；多可分为160段，每段段长少125ms；输入采样6.4kHz；100000次录音周期；5V单电源供电，放音电流15mA，维持电流0.5μA。完全满足设计需要。使用28引脚的DIP封装芯片，引脚功能见参考文献［5］。

　　地址引脚(A0～A7)有两个作用，取决于A7、A6的状态。当A7或A6有一个为“0”时，A0～A7解释为地址位，作为当前录放操作的起始地址。我们设计的电路使用了A0～A7的地址位功能。ISD1420的地址空间分配见表1。

　　根据需要，语音信号分为“提示音”和“发令枪声”两段存储数据，“长提示音”或“短提示音”则由放音时间来区分。利用A0～A7引脚的地址功能，将ISD1420的内部存储空间分成两部分。20秒存储空间分为前8秒存储“提示音”，后12秒存储“发令枪声”。本设计对语音信号的音质要求并不高，所以语音数据事先由模拟方式录入。由于实际放音持续时间都小于存储的时间(8秒、12秒)，可以通过调整语音芯片的低位地址A0、A1、A2(P3.2～P3.4控制)来选择合适的数据段播放。
　　
　　如图2所示，语音电路在现场使用时只受控放音，
　　
    AT89C51的P3.6控制，放音时间长短由P3.6低电平保持时间决定。放音地址则由P3.2～P3.5决定。P3.5=0为“提示音”地址；P3.5=1为“发令枪声”地址，P3.2～P3.4为地址微调。何时放音、放哪段声音、放多长时间均由PLC发布命令。

2.3BTL功放电路
　　
　　起跑装置要求在无交流电源时，可用电瓶供电，所以电源设定为12V。由于在户外使用，要求发出的声音具有一定的响度，即要求语音电路有较大功率输出。ISD1420内部输出级带有放大器，其直接的扬声器驱动功率为12.2mW(16Ω负载)，这距离我们的实际需要相差很大，因此后级功放必须保证能在低电压下输出大功率信号，以推动扬声器发声。
　　要在单电源低电压条件下输出大功率信号，功放电路选择桥接式无变压器输出电路(即BTL电路)，其基本工作原理由图3所示的分立元件BTL电路简图说明。图中有四个输出管VT₁～VT₄，扬声器接在两个输出端之间。在输入信号u的正半周，VT₁、VT₄导通，VT₂、VT₃截止，输出电流如图中I₁所示。在输入信号u的负半周，VT₂、VT₃导通，VT₁、VT₄截止，输出电流如图中I₂所示。正、负半周，扬声器上的电位差方向相反，大小相等，都接近电源电压，所以对电源的利用率很高。理论上BTL电路效率可达78.5%。
　　实际使用的电路如图2所示，两片10W集成功率放大器TDA2003接成BTL电路形式，通过电容与扬声器直接耦合，利用同时“推”“挽”的原理，扬声器上正弦波峰峰值电压近似为电源电压的两倍。输出基本能满足要求。

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3软件设计
　　
　　AT89C51的软件设计相对简单。主要包括与PLC的串行通讯程序(12MHz晶振、4800波特率、八位异步方式)，放音控制程序，显示控制程序及喂狗程序。由于都是常规的方法，这里不在赘述。

4结论
　　
　　本起跑训练装置的语音环节结构简单，成本较低，调整方便，可靠性高，实际使用证明能够满足场地自行车训练要求。通过适当调整，该环节可用于其他场地竞赛训练。同时，该设计也为智能仪器提供较大功率语音信号输出给出了有益的尝试。

参考文献:

[1]. PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[2]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[3]. AT89C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C51_810155.html.
[4]. ISD1420 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ISD1420_409804.html.
[5]. TDA2003 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TDA2003_643941.html.
[6]. MAX232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX232_1074207.html.
[7]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[8]. MAX813L datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX813L_1019603.html.