王俊現(xiàn)

（上海自動(dòng)化儀表股份有限公司上海200092）

核電報(bào)警系統(tǒng)是核電廠控制室重要的人機(jī)接口之一[1]。電子音響報(bào)警器是核電報(bào)警系統(tǒng)的重要組成部分。傳統(tǒng)的音響報(bào)警器一般采用專用音樂芯片來存儲(chǔ)報(bào)警聲音文件，電路構(gòu)成復(fù)雜，且通用性不好，若想更改音樂文件很麻煩。本文中的報(bào)警音響器是一個(gè)具有4個(gè)輸入通道的報(bào)警發(fā)聲裝置。它采用單片機(jī)控制，把4個(gè)輸入通道分成不同的報(bào)警等級(jí)，每個(gè)通道經(jīng)編碼開關(guān)可選擇十種不同的報(bào)警音調(diào)，以便區(qū)分不同的報(bào)警等級(jí)。當(dāng)有兩種或者以上的報(bào)警音時(shí)，遵循高報(bào)警級(jí)的報(bào)警音優(yōu)先級(jí)高于低報(bào)警級(jí)音，報(bào)警音高于恢復(fù)報(bào)警音。如系統(tǒng)中，既有一級(jí)報(bào)警信息，也有二級(jí)報(bào)警信息，則此時(shí)報(bào)警音為一級(jí)報(bào)警音[2]。音樂文件存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中，更改起來很方便，重新燒寫程序即可。且電路實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單。

一般說來，單片機(jī)演奏音樂基本都是單音頻率，它不包含相應(yīng)幅度的諧波頻率，也就是說不能象電子琴那樣能奏出多種音色的聲音。因此單片機(jī)奏樂只需弄清楚兩個(gè)概念即可，也就是“音調(diào)”和“節(jié)拍”。音調(diào)表示一個(gè)音符唱多高的頻率，節(jié)拍表示一個(gè)音符唱多長(zhǎng)的時(shí)間。音符決定該音調(diào)的高低，節(jié)拍則決定了該音調(diào)是多少拍。因此，一個(gè)音調(diào)是由兩個(gè)字節(jié)組成的。根據(jù)音符字節(jié)產(chǎn)生該大小次數(shù)的延時(shí)，聲音輸出口取反，就可以得到該音調(diào)的高低音。根據(jù)設(shè)置單位節(jié)拍的延時(shí)大小，可以控制音樂演唱速度。因此算法很簡(jiǎn)單：定義單片機(jī)的一個(gè)I/O端腳為聲音輸出口，在規(guī)定的節(jié)拍內(nèi)，根據(jù)音符字節(jié)的大小產(chǎn)生延時(shí)，將聲音輸出口不斷的置高置低（即取反），就可以得到該音調(diào)。只要選取合適的單位節(jié)拍延時(shí)，就可以輸出動(dòng)聽的音樂[3]。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

音頻功放部分電路使用24 V直流電壓供電。使用7805可以將24 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓，給單片機(jī)電路供電。單片機(jī)使用STC公司的單時(shí)鐘單片機(jī)STC12C5608AD，具有超強(qiáng)抗干擾能力，且速度很快。4路具有優(yōu)先級(jí)的報(bào)警輸入信號(hào)經(jīng)光耦隔離后輸入單片機(jī)。單片機(jī)使用8個(gè)IO口對(duì)編碼開關(guān)電路進(jìn)行定時(shí)掃描，獲得各個(gè)編碼開關(guān)的狀態(tài)。單片機(jī)P3.7端口輸出一個(gè)PWM波形，驅(qū)動(dòng)功放芯片，使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。下面分別介紹電源電路，單片機(jī)電路，報(bào)警輸入選擇電路，報(bào)警音樂選擇電路和功放電路。

1.2 電源電路

電源電路如圖2所示。24 V直流電壓通過接插件X6輸入。V19為防反接二極管。24 V電壓主要用于給音頻功放部分供電。24 V通過7805后，轉(zhuǎn)換為5 V電壓，主要用于給單片機(jī)部分供電。X4為發(fā)光二極管，用作電源指示燈。24 V通過R25和V1后，也可以提供給外部供電，用于提供報(bào)警輸入信號(hào)的正電壓。

圖1 報(bào)警音響器硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Hardware structure of the audio alarmer

圖2 電源電路Fig.2 The power circuit

1.3 單片機(jī)電路

如圖3所示，單片機(jī)采用宏晶公司的單時(shí)鐘單片機(jī)STC 12C5608AD。具有超強(qiáng)抗干擾，超強(qiáng)抗靜電能力?？梢杂肐SP功能使用電腦串口下載程序，無需編程器，使用起來非常方便[4]。雖然單片機(jī)內(nèi)部也有振蕩器電路，但精度不高。因?yàn)檩敵鲆魳肪幋a需要比較精確的定時(shí)，所以這里采用了外部6 M晶振。使用外部看門狗IMP813LCSA，程序跑飛時(shí)可以使單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)共有15個(gè)I/O口。這里用到了其中的14個(gè)，未用的P3.5端口接地。

圖3 單片機(jī)電路Fig.3 The microcontroller circuit

1.4 報(bào)警輸入選擇電路

如圖4所示，共有4路報(bào)警信號(hào)CH1～CH4，代表4路不同優(yōu)先級(jí)的報(bào)警信號(hào)。COM為信號(hào)輸入的公共端，接輸入信號(hào)低電平。輸入信號(hào)經(jīng)光耦隔離后，輸入單片機(jī)的IO口。4個(gè)輸入通道的報(bào)警等級(jí)是通道1為最高優(yōu)選等級(jí)，優(yōu)選于其他通道，如4個(gè)通道都有信號(hào)時(shí)只發(fā)出通道1設(shè)定的報(bào)警音調(diào)；通道2優(yōu)選于通道3和4；通道3優(yōu)選于通道4。當(dāng)接通電源后，在輸入信號(hào)的觸發(fā)下喇叭只發(fā)出報(bào)警等級(jí)高的報(bào)警聲響。

1.5 報(bào)警音樂選擇電路

圖4 報(bào)警輸入選擇電路Fig.4 The alarminput selection circuit

如圖5所示，每路報(bào)警輸入信號(hào)播放的音樂，可以由一個(gè)十進(jìn)制的編碼開關(guān)來設(shè)定。每路報(bào)警信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)十進(jìn)制的編碼開關(guān)。單片機(jī)對(duì)音樂選擇電路進(jìn)行定時(shí)掃描。每次P3.0，P3.1，P3.2，P3.44個(gè)信號(hào)只有一個(gè)為低電平，然后讀取P1.0～P1.3的狀態(tài)，可以得到對(duì)應(yīng)的編碼開關(guān)的編碼。使用的編碼開關(guān)有0～9 10種狀態(tài)，如圖6所示。因此，每個(gè)通道的報(bào)警信號(hào)最多可以有10種報(bào)警音樂可以選擇。

圖5 報(bào)警音樂選擇電路Fig.5 Alarm music selection circuit

圖6 編碼開關(guān)內(nèi)部連接狀態(tài)Fig.6 The internal status of the rotary encoder switch

1.6 音頻功放電路

音頻功放主要有AB類和D類兩大類。AB類音頻功放比D類的音頻性能更好，THD+N低，PSRR的絕對(duì)數(shù)值高。D類功放工作在非線性區(qū)，會(huì)產(chǎn)生某些高頻諧波[5]?？紤]到這里功率比較小，以及D類運(yùn)放噪聲比較大，所以這里選用了AB類的運(yùn)放TDA1013B。

TDA1013B是帶有直流音量控制的集成音頻功率放大器。SIL9塑料封裝。供電電壓范圍很寬（10～40 V）。直流音量控制端可調(diào)音量范圍可達(dá)80 dB，控制電壓2～6.5 V[6]。芯片外部只需要很少的元器件，性能和穩(wěn)定性都很好。如圖7所示。

圖7 音頻功放電路Fig.7 Audio amplifier circuit

1，9腳是地。24 V電壓經(jīng)LC濾波后輸入3腳。單片機(jī)輸出的音樂信號(hào)經(jīng)R23，R24分壓和C8隔直后輸入芯片第8腳。芯片第7腳接可變電阻，音量可以調(diào)節(jié)。

2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件流程圖如圖8所示。程序開始后，先進(jìn)行變量，寄存器，中斷等的初始化。然后進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)。在無限循環(huán)內(nèi)部，先讀取報(bào)警通道輸入信號(hào)，看是否有報(bào)警信號(hào)輸入，以及是哪路報(bào)警信號(hào)輸入。如果同時(shí)有多個(gè)報(bào)警信號(hào)輸入，則優(yōu)先級(jí)高的輸入得到響應(yīng)。然后讀取編碼開關(guān)的狀態(tài)，看需要播放哪首樂曲。然后進(jìn)行樂曲的播放。播完，重新循環(huán)。

圖8 軟件流程圖Fig.8 Software flowchart

3 測(cè)試波形

圖9所示為揚(yáng)聲器的波形。波形的幅度代表了聲音音量的大小，可以用可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)。音量較小時(shí)，幅度會(huì)變小?？梢姡瑩P(yáng)聲器的波形是一個(gè)幅度可調(diào)的交流波形。

圖9 揚(yáng)聲器波形Fig.9 Waveform of the speaker

4 結(jié)束語

使用PHILIPS公司的TDA1013B芯片，設(shè)計(jì)了一種電子音響報(bào)警器的解決方案，并給出了相應(yīng)的硬件電路和軟件流程圖。該報(bào)警器，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，各方面表現(xiàn)良好，音量可調(diào)，可靠性較高，現(xiàn)該報(bào)警器已在核電站的報(bào)警系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

[1] 鄭明光，張琴舜，徐濟(jì)鋆，等.核電站先進(jìn)報(bào)警系統(tǒng)[J].核動(dòng)力工程，2001，22（4）:354-359.ZHENG Ming-guang，ZHANG Qin-shun，XU Ji-jun，et al.The advanced alarm system for nuclear power station[J].Nuclear Power Engineering，2001，22（4）:354-359.

[2] 余佳，劉偉，石桂連，等.核電站報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化博覽，2009（3）:78-80.YU Jia，LIU Wei，SHI Gui-lian，et al.The alarm system designs for nuclear power station[J].Automation Panorama，2009（3）:78-80.

[3] 單片機(jī)演奏音樂時(shí)音調(diào)和節(jié)拍的確定方法[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/fc6aaed333d4b14e852468e6.html

[4] STC.STC12C5620AD series microcontroller user mannal[EB/OL].（2010）.http://www.mcu-memory.com/datasheet/stc/STCAD-PDF/STC12C5628AD.pdf.

[5] 薛智.便攜電子設(shè)備中音頻功放的發(fā)展[J].電子技術(shù)，2010，37（11）:86-87.XUE Zhi.Audio power amplifier in portable electronic devices[J].Electronic Technology，2010，37（11）:86-87.

[6] PHILIPS.Datasheet TDA1013B 4W audio power amplifier with DC volume control[EB/OL].（1994）.http://www.nxp.com/documents/data_sheet/TDA1013B.pdf.