基于SD卡的文字聲光警示系統(tǒng)的研究

摘 要：以鐵路道口應(yīng)用為例，設(shè)計了一種基于SD卡的信息數(shù)據(jù)存儲警示系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在需要警示的情況下，通過人工操作或自動觸發(fā)發(fā)出相應(yīng)的警示信息，包括LED顯示屏顯示文字警示信息、語音系統(tǒng)播放警示語音、警燈閃爍進(jìn)行燈光警示。

　　文字及語音警示信息的原始數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，針對不同的應(yīng)用需求，只需修改SD卡中的內(nèi)容，可適用于多種應(yīng)用場所。

　　0 引 言

　　在安防、交通、建設(shè)等現(xiàn)場經(jīng)常需要進(jìn)行語音或文字信息的警示，比如安防禁區(qū)、道路交通路口或施工現(xiàn)場，本警示系統(tǒng)以鐵路道口應(yīng)用為例進(jìn)行研制開發(fā)，可進(jìn)行預(yù)警信息提示，避免事故發(fā)生。

　　隨著鐵路行車速度、密度的不斷提高和公路車輛的急速增多，鐵路平交道口的安全問題已經(jīng)變得非常突出。平交道口有區(qū)間和站內(nèi)之分，以及有人看守和無人看守之分。站內(nèi)道口由于多是地處人口稠密、經(jīng)濟(jì)活動頻繁的市鎮(zhèn)地區(qū)，公路交通車輛日益增多，很多的站內(nèi)道口附近的鐵路行車作業(yè)非常復(fù)雜，正線、專用線、調(diào)車線等四通八達(dá)，通向道口的線路很多，與車站信號連鎖困難，所有的這些因素都制約了平交道口改為立交道口的進(jìn)程，這就決定了平交站內(nèi)道口在今后相當(dāng)長的一個時期內(nèi)仍將繼續(xù)存在，服務(wù)于運輸生產(chǎn)。

　　道口安全是鐵路運輸安全的重要組成部分，鐵路道口是任何一條鐵路與公路的平面交叉，它是一個涉及多個管理部門（鐵路、公路、地方等），由人（駕駛員、交通參與者）、車（機(jī)車、汽車等）、設(shè)備（道口特性、安全裝置、公路幾何線形等）、環(huán)境（天氣、視距、車速等）組成的復(fù)雜系統(tǒng)。道口交通是鐵路運輸安全生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)，也是道路運輸?shù)奈ｋU地段，它直接威脅著交通參與者的人身安全。在鐵路平交道口設(shè)置警示系統(tǒng)，可在列車接近道口前發(fā)出警示信息，提示道口值守人員及行人、過往的車輛注意，從而有效地避免道口交通事故的發(fā)生。

　　1 鐵路道口警示系統(tǒng)

　　圖1所示是鐵路道口平面示意圖。其中，A-1和A-2為紅外探測器，B-1和B-2為道口欄桿，C-1 和C-2 為閃爍警示燈，在D-1和D-2的合理位置設(shè)置LED等文字顯示設(shè)備，E為號角喇叭，K1、K4為火車到來檢測傳感器，K2、K3是火車離開檢測傳感器。根據(jù)鐵路道口的控制要求，必須將火車到與離開轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺脗鞲衅骷纯赏瓿纱艘?；然后將檢測到的電信號送給相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，使之產(chǎn)生輸出信號；再利用輸出信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成道口欄桿起降及語音播報和文字顯示等相應(yīng)的功能，達(dá)到警示路人和車輛的目的。

　　鐵路道口警示系統(tǒng)采用圖2所示的總體方案設(shè)計，主要由觸發(fā)源、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)功能實現(xiàn)模塊組成。觸發(fā)源由按鍵、紅外探測器、傳感器等組成，觸發(fā)源將外部觸發(fā)信號送至控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的中央處理系統(tǒng)，可將得到的檢測信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過硬件與軟件的結(jié)合來控制各個部分的工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。功能實現(xiàn)模塊包括文字顯示、燈光警示、語音播放和被控設(shè)備動作等四個功能。

　　2 警示系統(tǒng)設(shè)計方案

　　根據(jù)鐵路道口警示系統(tǒng)的設(shè)計要求， 采用單片機(jī)C8051F340作為核心主控芯片。該芯片外設(shè)接口豐富，低功耗，性價比高，可以滿足道口警示系統(tǒng)的需求。

　　警示系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖3所示，主要包括SD卡電路、MP3解碼電路、功放電路、串口通信電路、列車行進(jìn)檢測電路和道口欄桿起降控制電路等。

　　按鍵主要受值班人員控制，值班人員可以根據(jù)具體的情況來觸發(fā)按鍵起到警示的作用；紅外探測器安裝在道口欄桿之前，在需要警示的情況下，當(dāng)路人強(qiáng)行通過時會觸發(fā)，此時將觸發(fā)信號送入控制電路中，將會有相應(yīng)的語音播報及文字信息顯示；列車行進(jìn)檢測電路主要作用是檢測列車的到來和離開，其電路主要由傳感器組成，可選用磁鋼傳感器，由傳感器采集火車的行進(jìn)信息，將檢測信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理；串行接口主要連接文字顯示設(shè)備，文字顯示設(shè)備可以是LED顯示器或者是視頻顯示設(shè)備（可在視頻上疊加文字）；閃爍警示燈可進(jìn)行燈光警示，尤其是夜晚對遠(yuǎn)處的行人和車輛進(jìn)行有效警示；SD卡主要存放警示的文字和語音內(nèi)容，以便于系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用；道口欄桿升降電路是控制道口欄桿升降，火車到來時阻止行人和車輛的通行；語音解碼芯片采用VS1003B,可對單片機(jī)讀出的語音文件進(jìn)行解碼，以語音形式輸出，該芯片支持MP3及WMA文件格式。功放電路對解碼后的警示語音內(nèi)容進(jìn)行放大，再送至號角喇叭進(jìn)行播放；話筒安置在道口房內(nèi)，供值班人員進(jìn)行緊急情況的語音喊話。

　　警示系統(tǒng)的功能實現(xiàn)如下：沒有列車通過時，道口的閃光燈不工作，道口欄桿抬起，文字顯示設(shè)備上可顯示列車的通行時間以及提醒通行車輛和行人安全通過的提示信息；當(dāng)有火車到來時，傳感器K1或K4檢測到來車信號，單片機(jī)控制電路接收來到自傳感器的火車到來信號，此時通過控制電路將道口欄桿降下，同時單片機(jī)從SD卡中調(diào)用相關(guān)文字警示及語音文件，語音文件為MP3的格式，警示文字信息為TXT文件格式?？紤]到語音文件的播放時間較長，因此單片機(jī)首先讀取SD卡中的相應(yīng)的TXT文件，并將該文件內(nèi)存儲的16進(jìn)制文件通過串口送至LED或視頻字符顯示設(shè)備，之后單片機(jī)打開SD卡中存儲的相關(guān)MP3格式的音頻文件，音頻數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸?shù)揭纛l解碼芯片VS1003B進(jìn)行解碼，解碼之后會通過功放電路送至號角喇叭進(jìn)行播放，同時打開閃爍警示燈，從而實現(xiàn)了文字及聲光警示行人和過往車輛有列車通過。紅外探測器安裝在道口欄桿之前的合適位置，在道口欄桿放下的情況下行人接近后會觸發(fā)紅外探測器，觸發(fā)信號就會驅(qū)動單片機(jī)從SD卡中調(diào)用與之相關(guān)的警示內(nèi)容進(jìn)行文字和聲光警示，以警示行人禁止前行。如果行人還是繼續(xù)前行，此時道口房內(nèi)的值班人員可按下相應(yīng)的按鍵，使系統(tǒng)顯示預(yù)制的文字警示信息和播放預(yù)存的語音警示信息，再則還可以通過話筒進(jìn)行嚴(yán)厲的語音警示。當(dāng)火車離開后，傳感器K2或K3檢測到火車離開，檢測信號驅(qū)動單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作，包括道口欄桿升起、閃光警示燈停止閃爍、號角喇叭停止警示語音播報、文字顯示設(shè)備上顯示列車的通行時間以及運行車輛和行人通過的信息。如果有突發(fā)事件發(fā)生，值班人員也可以通過話筒進(jìn)行語音播報來警示行人和過往的車輛。

　　3 SD 卡中文件的命名規(guī)則

　　SD 卡中寫入了兩種格式的文件。一種是MP3 格式的音頻文件，每個音頻文件的命名和文件內(nèi)容均不相同，語音文件的內(nèi)容可根據(jù)具體應(yīng)用場合來錄制，這里要注意的是該語音文件的采樣率不得高于128 Kb/s.另一種是TXT 格式的文本文件，文本文件中寫入了報警信息的相關(guān)16 進(jìn)制代碼，每個文本文件的命名編碼規(guī)則和內(nèi)容也不相同，用于在文字顯示設(shè)備上顯示火車到來或離開或警示信息的具體內(nèi)容。為了便于文件管理，將MP3 文件的第一位確定為A,TXT 文件的第一位確定為C,兩種文件名稱的其他位對應(yīng)同一種警示事件時可采用相同的命名規(guī)則。

　　3.1 MP3 文件命名規(guī)則

　　當(dāng)有事件發(fā)生時，播放器就會播放警示語音，但是，不同的事件播放的內(nèi)容不相同，各個音頻文件的命名也不相同。

　　在對音頻文件命名時，采用4 位編碼方式。其中，第1 位為A,代表Audio 音頻文件，其余的3 位數(shù)字采用16 進(jìn)制表示，每一位代表不同的含義。第 2 位代表按鍵觸發(fā)的相應(yīng)信息位，第3 位代表火車到來和離開信息位，如果此位為1,則代表有火車到來，第4 位代表紅外探測器觸發(fā)信息位。例如A010.MP3的語音內(nèi)容為“火車就要開過來了，行人車輛注意安全，不要穿越欄桿”.

　　3.2 字符文件名的命名規(guī)則

　　當(dāng)有事件發(fā)生時，文字顯示設(shè)備上就會用文字顯示具體的警示內(nèi)容，不同的事件顯示的警示信息也不相同，各個文本文件的編碼也不相同，每個文本文件中寫入了文字顯示設(shè)備要顯示文字的16進(jìn)制代碼。在對文本文件命名時，同樣也采用4位編碼格式，其命名和音頻文件命名方式相同，例如， C010.TXT的文本文件中存儲的就是“火車即將到來車輛行人禁止通行”.

　　4 文字警示信息的傳輸與顯示

　　文字顯示設(shè)備主要為LED顯示設(shè)備，也可采用視頻（字符疊加）顯示設(shè)備。LED顯示設(shè)備安裝在圖1所示的D-1 和D-2處，視頻顯示設(shè)備主要安裝在值班室內(nèi)部，為值班人員提供文字信息顯示，這里主要以LED設(shè)備為例來說明其工作過程。

　　SD 卡中用于文字警示的文本文件要遵照LED 文字顯示設(shè)備的要求來制作，按照本系統(tǒng)的要求制作的C010.TXT 的顯示文字為“火車即將到來車輛行人禁止通行”,其TXT 文件的內(nèi)容為“01D60400000000007F001F000101000A0100020002BB02F002B302B502BC02B402BD02AB02B502BD02C002B40200020002B302B502C102BE02D002D002C802CB02BD01FB01D601B901CD01A801D001D001AA”, 共82 個字節(jié)。其中，前21個字節(jié)為顯示參數(shù)設(shè)置；第22 ~ 81字節(jié)為被顯示文字的GB2312 代碼與顯示顏色的組合，比如“禁”字的GB2312的編碼為“BDFB”,這里組合后為“BD01FB01”,其中“01”表示該字為紅色顯示，“02”為綠色顯示；最后一個字節(jié)AA為結(jié)束標(biāo)志字節(jié)。

　　由于存儲在SD卡中的字符文件的內(nèi)容是以16進(jìn)制的形式存放的,當(dāng)有事件發(fā)生時，單片機(jī)接收到相應(yīng)的觸發(fā)信號后去調(diào)用SD卡中相對應(yīng)的TXT格式的文本文件。這里要注意的是，單片機(jī)讀出的文本文件中的16進(jìn)制代碼實際上是該代碼的ASCII形式，需要單片機(jī)將該ASCII代碼轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制后，再通過串口發(fā)送給LED顯示模塊。本系統(tǒng)選用的LED設(shè)備在單片機(jī)與其通信時需要先進(jìn)行握手，其過程為單片機(jī)通過串口先向LED模塊發(fā)0101,然后接收LED發(fā)送回來的確認(rèn)數(shù)據(jù)01,之后需要在3s內(nèi)將顯示數(shù)據(jù)一次發(fā)送完成，最后在LED顯示模塊上顯示警示內(nèi)容。在使用串口調(diào)試助手連接LED設(shè)備時，一定要注意3s內(nèi)這個時間限制。LED顯示的流程圖如圖4 所示。

　　5 結(jié)語

　　本文以鐵路道口應(yīng)用為例設(shè)計了一個基于SD卡的文字聲光警示系統(tǒng)。由于警示系統(tǒng)的語音文字信息采用的是SD卡存儲，文字及語音內(nèi)容修改方便，因此可以使用于其他的場合，例如安防、普通十字路口、施工現(xiàn)場、學(xué)校、博物館等，只需要將SD卡中的警示內(nèi)容更改為現(xiàn)場相對應(yīng)的警示內(nèi)容即可，無需改變軟件程序及硬件電路。同時，本系統(tǒng)可擴(kuò)充以太網(wǎng)等電路模塊，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。