李垚，毛起帆，唐學(xué)智，李海豐

（天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134）

1 引言

鐵路彎道接近告警系統(tǒng)用于鐵路設(shè)施維護(hù)施工過(guò)程中路上施工人員安全保護(hù)。該設(shè)備在路上由施工人員作業(yè)前開(kāi)啟，系統(tǒng)采用微處理器從鐵路信號(hào)信息系統(tǒng)獲取列車(chē)接近信息，判斷接近列車(chē)來(lái)向，根據(jù)來(lái)向調(diào)取提前錄制的語(yǔ)音信息，經(jīng)定壓功放放大后，在施工現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)播放，直至列車(chē)全車(chē)通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)，以便工人決定是否下線避讓?zhuān)撓到y(tǒng)能視接近列車(chē)車(chē)速為施工人員爭(zhēng)取3～5min的撤離時(shí)間，保障作業(yè)人員安全，同時(shí)避免不必要的施工中斷，提高作業(yè)效率。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電路由供電電源、信息處理控制模塊和定壓功放三部分構(gòu)成[1]：供電電源來(lái)自220V市電，提供信息處理控制板所需+5V、+12V直流電壓以及定壓功放所需220V交流電壓；信息處理控制板以微控制器為核心，包括錄音電路、放音電路、信息采集和通道選擇電路、顯示指示電路。(圖1)

2.1 信息處理控制模塊

信息處理控制模塊包括模擬語(yǔ)音信號(hào)、列車(chē)進(jìn)入信號(hào)以及控制電路三部分。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 模擬語(yǔ)言信號(hào)

圖2 模擬語(yǔ)音信號(hào)模塊

錄音過(guò)程中，系統(tǒng)從MIC采集到所要錄制的語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)圖2（a）中電路進(jìn)行放大，再由AUIN口接入圖2（b）所示ISD4002語(yǔ)音芯片，該芯片在單片機(jī)控制下將語(yǔ)音信號(hào)存入相應(yīng)地址，當(dāng)檢測(cè)到有來(lái)車(chē)信息時(shí)，語(yǔ)音芯片調(diào)取相應(yīng)路徑的語(yǔ)音信號(hào)并通過(guò)AUOUT口將語(yǔ)音信號(hào)送入圖2（c）所示的放大電路中，經(jīng)過(guò)放大后，在APOUT處，將信號(hào)接入功放電路中進(jìn)行告警，也可通過(guò)耳機(jī)試聽(tīng)存儲(chǔ)的語(yǔ)音信號(hào)。

ISD4002語(yǔ)音芯片是美國(guó)ISD公司出品的新型優(yōu)質(zhì)單片錄放音電路，不需經(jīng)過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換便可完成語(yǔ)音的錄入、存儲(chǔ)及分段輸出，因而失真小，使用方便，不需專(zhuān)用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具；芯片內(nèi)部集成了大容量的EEPROM，不再需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器,信息也可長(zhǎng)久保存；其具有的自動(dòng)降噪功能，能較好地再現(xiàn)語(yǔ)音的自然效果，減小量化噪聲和失真現(xiàn)象；而且成本低廉、控制簡(jiǎn)單，此外，該芯片可通過(guò)SPI總線與單片機(jī)進(jìn)行通信。因此，該告警系統(tǒng)選用ISD4002語(yǔ)音芯片來(lái)完成語(yǔ)音信號(hào)的存儲(chǔ)和調(diào)用。

2.1.2 列車(chē)進(jìn)入信號(hào)

列車(chē)進(jìn)入信號(hào)為來(lái)源于鐵路系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)由圖3中的光電隔離器TLP521-1將來(lái)車(chē)線路信息傳遞給單片機(jī)。光電隔離器既可以傳遞來(lái)車(chē)線路信息，又可以隔絕其他信號(hào)干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，同時(shí)具有保護(hù)控制電路的作用。

圖3 數(shù)字信號(hào)控制模塊

2.1.3 控制電路

單片機(jī)接收到列車(chē)進(jìn)入信號(hào)之后開(kāi)始工作，通過(guò)圖4（b）中光電隔離器控制開(kāi)關(guān)K1接通定壓功放的交流電源，同時(shí)通過(guò)SPI總線將來(lái)車(chē)線路信息傳遞給ISD4002語(yǔ)音芯片，從芯片中的相應(yīng)路徑調(diào)取已經(jīng)錄制好的語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)過(guò)圖1（c）初級(jí)放大后將語(yǔ)音信號(hào)送入定壓功放進(jìn)行放大，將語(yǔ)音文件播放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音告警。

圖4 單片機(jī)模塊

2.2 系統(tǒng)供電

供電電源來(lái)自220V市電，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路提供信息處理控制板所需+5V、+12V直流電壓，定壓功放所需220V交流電源由開(kāi)關(guān)K1控制。

2.3 功放電路

由于該系統(tǒng)工作在室外，為了能確保放音有效覆蓋范圍，定壓功放采用國(guó)標(biāo)120W設(shè)備，并與信息處理控制板音頻輸出做阻抗匹配，以100V定壓輸出，確保放音有效覆蓋距離達(dá)到500m。

3 操作流程

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化、關(guān)閉中斷，然后判斷其工作狀態(tài)，若需要進(jìn)行錄音，則將撥碼開(kāi)關(guān)撥到錄音側(cè)，然后通過(guò)控制與單片機(jī)相連的按鈕從而依次將所需要播放語(yǔ)音信號(hào)錄入到ISD4002語(yǔ)音芯片的相應(yīng)存儲(chǔ)路徑中，完成錄制后還可進(jìn)行試聽(tīng)，確保錄制的語(yǔ)音信號(hào)無(wú)誤；若已經(jīng)完成錄音，則將撥碼開(kāi)關(guān)撥到運(yùn)行側(cè)，等待從單片機(jī)傳來(lái)的來(lái)車(chē)信息，當(dāng)收到來(lái)車(chē)信息后，播報(bào)相應(yīng)的語(yǔ)音提示信息。

圖5 錄音及運(yùn)行流程框圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

為保證系統(tǒng)在鐵路現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電氣環(huán)境使用的可靠性，系統(tǒng)采取抗干擾設(shè)計(jì)；考慮到信號(hào)線路長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米且布設(shè)于郊外空曠處，為防止雷擊和線路損害等突發(fā)性破壞，系統(tǒng)額外增加了電路保護(hù)設(shè)計(jì)和損害告警觸發(fā)機(jī)制，方便故障排查和檢修。

鐵路彎道接近報(bào)警系統(tǒng)樣機(jī)完成后，經(jīng)鐵路電務(wù)部門(mén)施工現(xiàn)場(chǎng)試用，效果明顯，無(wú)錯(cuò)報(bào)漏報(bào)，提示音清晰明亮，且安裝簡(jiǎn)單，使用方便，大大提高了施工效率與進(jìn)度，節(jié)省了大量資源。