1、系統(tǒng)構(gòu)成

語音電路組成框圖如圖1所示。由PLC發(fā)布RS232電平信號(hào)，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后，為單片機(jī)AT89C51所接收。一方面控制語音芯片ISD1420放音，同時(shí)控制高亮度數(shù)碼顯示牌給出倒計(jì)時(shí)信號(hào)，為被訓(xùn)練人員提供提示。看門狗則保證該電路正常運(yùn)行。

2、語音信號(hào)控制

2.1語音電路構(gòu)成

根據(jù)訓(xùn)練要求，語音電路在起跑前10秒發(fā)出“長提示音”一聲，然后每隔一秒發(fā)“短提示音”一聲，計(jì)時(shí)回零時(shí)發(fā)“發(fā)令槍聲”（發(fā)聲規(guī)律可調(diào)）。

語音部分電路設(shè)計(jì)見圖2?！疤崾疽簟迸c“起跑槍聲”由語音存儲(chǔ)/再生芯片ISD1420分段存儲(chǔ)，ISD1420輸出的音頻信號(hào)經(jīng)電容耦合到兩片集成功率放大器TDA2003構(gòu)成的BTL功放電路，最后由揚(yáng)聲器輸出。MAX232將PLC送過來的RS232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL電平并送到單片機(jī)AT89C51，AT89C51根據(jù)PLC的指令，通過P3.6控制ISD1420的放音，P3.2～P3.5用來調(diào)整放音地址。MAX813L則作為看門狗為單片機(jī)AT89C51提供上電復(fù)位和運(yùn)行監(jiān)控，由P3.7提供喂狗信號(hào)。

2.2語音電路特性

選用語音存儲(chǔ)/再生芯片ISD1420。該電路采用EEPROM存儲(chǔ)方法將模擬語音數(shù)據(jù)直接寫入半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元中，具有音質(zhì)自然、可反復(fù)錄放、抗干擾、低功耗等許多優(yōu)點(diǎn)。ISD1420放音時(shí)間為20秒；最多可分為160段，每段段長最少125ms；輸入采樣6.4kHz；100000次錄音周期；5V單電源供電，放音電流15mA，維持電流0.5μA。完全滿足設(shè)計(jì)需要。使用28引腳的DIP封裝芯片，引腳功能見參考文獻(xiàn)［5］。地址引腳（A0～A7）有兩個(gè)作用，取決于A7、A6的狀態(tài)。當(dāng)A7或A6有一個(gè)為“0”時(shí)，A0～A7解釋為地址位，作為當(dāng)前錄放操作的起始地址。我們?cè)O(shè)計(jì)的電路使用了A0～A7的地址位功能。ISD1420的地址空間分配見表1。

根據(jù)需要，語音信號(hào)分為“提示音”和“發(fā)令槍聲”兩段存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，“長提示音”或“短提示音”則由放音時(shí)間來區(qū)分。利用A0～A7引腳的地址功能，將ISD1420的內(nèi)部存儲(chǔ)空間分成兩部分。20秒存儲(chǔ)空間分為前8秒存儲(chǔ)“提示音”，后12秒存儲(chǔ)“發(fā)令槍聲”。本設(shè)計(jì)對(duì)語音信號(hào)的音質(zhì)要求并不高，所以語音數(shù)據(jù)事先由模擬方式錄入。由于實(shí)際放音持續(xù)時(shí)間都小于存儲(chǔ)的時(shí)間（8秒、12秒），可以通過調(diào)整語音芯片的低位地址A0、A1、A2（P3.2～P3.4控制）來選擇合適的數(shù)據(jù)段播放。

如圖2所示，語音電路在現(xiàn)場使用時(shí)只受控放音，

AT89C51的P3.6控制，放音時(shí)間長短由P3.6低電平保持時(shí)間決定。放音地址則由P3.2～P3.5決定。P3.5=0為“提示音”地址；P3.5=1為“發(fā)令槍聲”地址，P3.2～P3.4為地址微調(diào)。何時(shí)放音、放哪段聲音、放多長時(shí)間均由PLC發(fā)布命令。

2.3BTL功放電路

起跑裝置要求在無交流電源時(shí)，可用電瓶供電，所以電源設(shè)定為12V。由于在戶外使用，要求發(fā)出的聲音具有一定的響度，即要求語音電路有較大功率輸出。ISD1420內(nèi)部輸出級(jí)帶有放大器，其直接的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功率為12.2mW（16Ω負(fù)載），這距離我們的實(shí)際需要相差很大，因此后級(jí)功放必須保證能在低電壓下輸出大功率信號(hào)，以推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。

要在單電源低電壓條件下輸出大功率信號(hào)，功放電路選擇橋接式無變壓器輸出電路（即BTL電路），其基本工作原理由圖3所示的分立元件BTL電路簡圖說明。圖中有四個(gè)輸出管VT1～VT4，揚(yáng)聲器接在兩個(gè)輸出端之間。在輸入信號(hào)u的正半周，VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止，輸出電流如圖中I1所示。在輸入信號(hào)u的負(fù)半周，VT2、VT3導(dǎo)通，VT1、VT4截止，輸出電流如圖中I2所示。正、負(fù)半周，揚(yáng)聲器上的電位差方向相反，大小相等，都接近電源電壓，所以對(duì)電源的利用率很高。理論上BTL電路效率可達(dá)78.5%。 實(shí)際使用的電路如圖2所示，兩片10W集成功率放大器TDA2003接成BTL電路形式，通過電容與揚(yáng)聲器直接耦合，利用同時(shí)“推”“挽”的原理，揚(yáng)聲器上正弦波峰峰值電壓近似為電源電壓的兩倍。輸出基本能滿足要求。

3、軟件設(shè)計(jì)

AT89C51的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡單。主要包括與PLC的串行通訊程序（12MHz晶振、4800波特率、八位異步方式），放音控制程序，顯示控制程序及喂狗程序。由于都是常規(guī)的方法，這里不在贅述。

4、結(jié)論

本起跑訓(xùn)練裝置的語音環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，調(diào)整方便，可靠性高，實(shí)際使用證明能夠滿足場地自行車訓(xùn)練要求。通過適當(dāng)調(diào)整，該環(huán)節(jié)可用于其他場地競賽訓(xùn)練。同時(shí)，該設(shè)計(jì)也為智能儀器提供較大功率語音信號(hào)輸出給出了有益的嘗試。

責(zé)任編輯：gt