基于SD卡的文字聲光警示系統的研究

摘 要：以鐵路道口應用為例，設計了一種基于SD卡的信息數據存儲警示系統。該系統可在需要警示的情況下，通過(guò)人工操作或自動(dòng)觸發(fā)發(fā)出相應的警示信息，包括LED顯示屏顯示文字警示信息、語(yǔ)音系統播放警示語(yǔ)音、警燈閃爍進(jìn)行燈光警示。

　　文字及語(yǔ)音警示信息的原始數據存儲在SD卡中，針對不同的應用需求，只需修改SD卡中的內容，可適用于多種應用場(chǎng)所。

　　0 引 言

　　在安防、交通、建設等現場(chǎng)經(jīng)常需要進(jìn)行語(yǔ)音或文字信息的警示，比如安防禁區、道路交通路口或施工現場(chǎng)，本警示系統以鐵路道口應用為例進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)，可進(jìn)行預警信息提示，避免事故發(fā)生。

　　隨著(zhù)鐵路行車(chē)速度、密度的不斷提高和公路車(chē)輛的急速增多，鐵路平交道口的安全問(wèn)題已經(jīng)變得非常突出。平交道口有區間和站內之分，以及有人看守和無(wú)人看守之分。站內道口由于多是地處人口稠密、經(jīng)濟活動(dòng)頻繁的市鎮地區，公路交通車(chē)輛日益增多，很多的站內道口附近的鐵路行車(chē)作業(yè)非常復雜，正線(xiàn)、專(zhuān)用線(xiàn)、調車(chē)線(xiàn)等四通八達，通向道口的線(xiàn)路很多，與車(chē)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道口在今后相當長(cháng)的一個(gè)時(shí)期內仍將繼續存在，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(gè)涉及多個(gè)管理部門(mén)（鐵路、公路、地方等），由人（駕駛員、交通參與者）、車(chē)（機車(chē)、汽車(chē)等）、設備（道口特性、安全裝置、公路幾何線(xiàn)形等）、環(huán)境（天氣、視距、車(chē)速等）組成的復雜系統。道口交通是鐵路運輸安全生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節，也是道路運輸的危險地段，它直接威脅著(zhù)交通參與者的人身安全。在鐵路平交道口設置警示系統，可在列車(chē)接近道口前發(fā)出警示信息，提示道口值守人員及行人、過(guò)往的車(chē)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

　　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的合理位置設置LED等文字顯示設備，E為號角喇叭，K1、K4為火車(chē)到來(lái)檢測傳感器，K2、K3是火車(chē)離開(kāi)檢測傳感器。根據鐵路道口的控制要求，必須將火車(chē)到與離開(kāi)轉變?yōu)殡娦盘?，利用傳感器即可完成此要求；然后將檢測到的電信號送給相應的電路進(jìn)行處理，使之產(chǎn)生輸出信號；再利用輸出信號驅動(dòng)執行機構完成道口欄桿起降及語(yǔ)音播報和文字顯示等相應的功能，達到警示路人和車(chē)輛的目的。

　　鐵路道口警示系統采用圖2所示的總體方案設計，主要由觸發(fā)源、控制系統、系統功能實(shí)現模塊組成。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)信號送至控制系統進(jìn)行相應的處理?？刂葡到y是整個(gè)系統的中央處理系統，可將得到的檢測信號進(jìn)行相應的處理，通過(guò)硬件與軟件的結合來(lái)控制各個(gè)部分的工作，實(shí)現系統的各項功能。功能實(shí)現模塊包括文字顯示、燈光警示、語(yǔ)音播放和被控設備動(dòng)作等四個(gè)功能。

　　2 警示系統設計方案

　　根據鐵路道口警示系統的設計要求， 采用單片機C8051F340作為核心主控芯片。該芯片外設接口豐富，低功耗，性?xún)r(jià)比高，可以滿(mǎn)足道口警示系統的需求。

　　警示系統的設計方案如圖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(chē)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，值班人員可以根據具體的情況來(lái)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，當路人強行通過(guò)時(shí)會(huì )觸發(fā)，此時(shí)將觸發(fā)信號送入控制電路中，將會(huì )有相應的語(yǔ)音播報及文字信息顯示；列車(chē)行進(jìn)檢測電路主要作用是檢測列車(chē)的到來(lái)和離開(kāi)，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(chē)的行進(jìn)信息，將檢測信號送至單片機進(jìn)行處理；串行接口主要連接文字顯示設備，文字顯示設備可以是LED顯示器或者是視頻顯示設備（可在視頻上疊加文字）；閃爍警示燈可進(jìn)行燈光警示，尤其是夜晚對遠處的行人和車(chē)輛進(jìn)行有效警示；SD卡主要存放警示的文字和語(yǔ)音內容，以便于系統進(jìn)行調用；道口欄桿升降電路是控制道口欄桿升降，火車(chē)到來(lái)時(shí)阻止行人和車(chē)輛的通行；語(yǔ)音解碼芯片采用VS1003B,可對單片機讀出的語(yǔ)音文件進(jìn)行解碼，以語(yǔ)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(yǔ)音內容進(jìn)行放大，再送至號角喇叭進(jìn)行播放；話(huà)筒安置在道口房?jì)?，供值班人員進(jìn)行緊急情況的語(yǔ)音喊話(huà)。

　　警示系統的功能實(shí)現如下：沒(méi)有列車(chē)通過(guò)時(shí)，道口的閃光燈不工作，道口欄桿抬起，文字顯示設備上可顯示列車(chē)的通行時(shí)間以及提醒通行車(chē)輛和行人安全通過(guò)的提示信息；當有火車(chē)到來(lái)時(shí)，傳感器K1或K4檢測到來(lái)車(chē)信號，單片機控制電路接收來(lái)到自傳感器的火車(chē)到來(lái)信號，此時(shí)通過(guò)控制電路將道口欄桿降下，同時(shí)單片機從SD卡中調用相關(guān)文字警示及語(yǔ)音文件，語(yǔ)音文件為MP3的格式，警示文字信息為T(mén)XT文件格式?？紤]到語(yǔ)音文件的播放時(shí)間較長(cháng)，因此單片機首先讀取SD卡中的相應的TXT文件，并將該文件內存儲的16進(jìn)制文件通過(guò)串口送至LED或視頻字符顯示設備，之后單片機打開(kāi)SD卡中存儲的相關(guān)MP3格式的音頻文件，音頻數據通過(guò)SPI總線(xiàn)傳輸到音頻解碼芯片VS1003B進(jìn)行解碼，解碼之后會(huì )通過(guò)功放電路送至號角喇叭進(jìn)行播放，同時(shí)打開(kāi)閃爍警示燈，從而實(shí)現了文字及聲光警示行人和過(guò)往車(chē)輛有列車(chē)通過(guò)。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(huì )觸發(fā)紅外探測器，觸發(fā)信號就會(huì )驅動(dòng)單片機從SD卡中調用與之相關(guān)的警示內容進(jìn)行文字和聲光警示，以警示行人禁止前行。如果行人還是繼續前行，此時(shí)道口房?jì)鹊闹蛋嗳藛T可按下相應的按鍵，使系統顯示預制的文字警示信息和播放預存的語(yǔ)音警示信息，再則還可以通過(guò)話(huà)筒進(jìn)行嚴厲的語(yǔ)音警示。當火車(chē)離開(kāi)后，傳感器K2或K3檢測到火車(chē)離開(kāi)，檢測信號驅動(dòng)單片機進(jìn)行相應的動(dòng)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(yǔ)音播報、文字顯示設備上顯示列車(chē)的通行時(shí)間以及運行車(chē)輛和行人通過(guò)的信息。如果有突發(fā)事件發(fā)生，值班人員也可以通過(guò)話(huà)筒進(jìn)行語(yǔ)音播報來(lái)警示行人和過(guò)往的車(chē)輛。

　　3 SD 卡中文件的命名規則

　　SD 卡中寫(xiě)入了兩種格式的文件。一種是MP3 格式的音頻文件，每個(gè)音頻文件的命名和文件內容均不相同，語(yǔ)音文件的內容可根據具體應用場(chǎng)合來(lái)錄制，這里要注意的是該語(yǔ)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(xiě)入了報警信息的相關(guān)16 進(jìn)制代碼，每個(gè)文本文件的命名編碼規則和內容也不相同，用于在文字顯示設備上顯示火車(chē)到來(lái)或離開(kāi)或警示信息的具體內容。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(chēng)的其他位對應同一種警示事件時(shí)可采用相同的命名規則。

　　3.1 MP3 文件命名規則

　　當有事件發(fā)生時(shí)，播放器就會(huì )播放警示語(yǔ)音，但是，不同的事件播放的內容不相同，各個(gè)音頻文件的命名也不相同。

　　在對音頻文件命名時(shí)，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)的相應信息位，第3 位代表火車(chē)到來(lái)和離開(kāi)信息位，如果此位為1,則代表有火車(chē)到來(lái)，第4 位代表紅外探測器觸發(fā)信息位。例如A010.MP3的語(yǔ)音內容為“火車(chē)就要開(kāi)過(guò)來(lái)了，行人車(chē)輛注意安全，不要穿越欄桿”.

　　3.2 字符文件名的命名規則

　　當有事件發(fā)生時(shí)，文字顯示設備上就會(huì )用文字顯示具體的警示內容，不同的事件顯示的警示信息也不相同，各個(gè)文本文件的編碼也不相同，每個(gè)文本文件中寫(xiě)入了文字顯示設備要顯示文字的16進(jìn)制代碼。在對文本文件命名時(shí)，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(chē)即將到來(lái)車(chē)輛行人禁止通行”.

　　4 文字警示信息的傳輸與顯示

　　文字顯示設備主要為L(cháng)ED顯示設備，也可采用視頻（字符疊加）顯示設備。LED顯示設備安裝在圖1所示的D-1 和D-2處，視頻顯示設備主要安裝在值班室內部，為值班人員提供文字信息顯示，這里主要以L(fǎng)ED設備為例來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。

　　SD 卡中用于文字警示的文本文件要遵照LED 文字顯示設備的要求來(lái)制作，按照本系統的要求制作的C010.TXT 的顯示文字為“火車(chē)即將到來(lái)車(chē)輛行人禁止通行”,其TXT 文件的內容為“01D60400000000007F001F000101000A0100020002BB02F002B302B502BC02B402BD02AB02B502BD02C002B40200020002B302B502C102BE02D002D002C802CB02BD01FB01D601B901CD01A801D001D001AA”, 共82 個(gè)字節。其中，前21個(gè)字節為顯示參數設置；第22 ~ 81字節為被顯示文字的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(gè)字節AA為結束標志字節。

　　由于存儲在SD卡中的字符文件的內容是以16進(jìn)制的形式存放的,當有事件發(fā)生時(shí)，單片機接收到相應的觸發(fā)信號后去調用SD卡中相對應的TXT格式的文本文件。這里要注意的是，單片機讀出的文本文件中的16進(jìn)制代碼實(shí)際上是該代碼的ASCII形式，需要單片機將該ASCII代碼轉換為16進(jìn)制后，再通過(guò)串口發(fā)送給LED顯示模塊。本系統選用的LED設備在單片機與其通信時(shí)需要先進(jìn)行握手，其過(guò)程為單片機通過(guò)串口先向LED模塊發(fā)0101,然后接收LED發(fā)送回來(lái)的確認數據01,之后需要在3s內將顯示數據一次發(fā)送完成，最后在LED顯示模塊上顯示警示內容。在使用串口調試助手連接LED設備時(shí)，一定要注意3s內這個(gè)時(shí)間限制。LED顯示的流程圖如圖4 所示。

　　5 結語(yǔ)

　　本文以鐵路道口應用為例設計了一個(gè)基于SD卡的文字聲光警示系統。由于警示系統的語(yǔ)音文字信息采用的是SD卡存儲，文字及語(yǔ)音內容修改方便，因此可以使用于其他的場(chǎng)合，例如安防、普通十字路口、施工現場(chǎng)、學(xué)校、博物館等，只需要將SD卡中的警示內容更改為現場(chǎng)相對應的警示內容即可，無(wú)需改變軟件程序及硬件電路。同時(shí)，本系統可擴充以太網(wǎng)等電路模塊，實(shí)現遠程控制。