基于SD卡的文字声光警示系统的研究

    摘 要：以铁路道口应用为例，设计了一种基于SD卡的信息数据存储警示系统。该系统可在需要警示的情况下，通过人工操作或自动触发发出相应的警示信息，包括LED显示屏显示文字警示信息、语音系统播放警示语音、警灯闪烁进行灯光警示。

　　文字及语音警示信息的原始数据存储在SD卡中，针对不同的应用需求，只需修改SD卡中的内容，可适用于多种应用场所。

　　0 引  言

　　在安防、交通、建设等现场经常需要进行语音或文字信息的警示，比如安防禁区、道路交通路口或施工现场，本警示系统以铁路道口应用为例进行研制开发，可进行预警信息提示，避免事故发生。

　　随着铁路行车速度、密度的不断提高和公路车辆的急速增多，铁路平交道口的安全问题已经变得非常突出。平交道口有区间和站内之分，以及有人看守和无人看守之分。站内道口由于多是地处人口稠密、经济活动频繁的市镇地区，公路交通车辆日益增多，很多的站内道口附近的铁路行车作业非常复杂，正线、专用线、调车线等四通八达，通向道口的线路很多，与车站信号连锁困难，所有的这些因素都制约了平交道口改为立交道口的进程，这就决定了平交站内道口在今后相当长的一个时期内仍将继续存在，服务于运输生产。

　　道口安全是铁路运输安全的重要组成部分，铁路道口是任何一条铁路与公路的平面交叉，它是一个涉及多个管理部门（铁路、公路、地方等），由人（驾驶员、交通参与者）、车（机车、汽车等）、设备（道口特性、安全装置、公路几何线形等）、环境（天气、视距、车速等）组成的复杂系统。道口交通是铁路运输安全生产中的薄弱环节，也是道路运输的危险地段，它直接威胁着交通参与者的人身安全。在铁路平交道口设置警示系统，可在列车接近道口前发出警示信息，提示道口值守人员及行人、过往的车辆注意，从而有效地避免道口交通事故的发生。

　　1 铁路道口警示系统

　　图1所示是铁路道口平面示意图。其中，A-1和A-2为红外探测器，B-1和B-2为道口栏杆，C-1 和C-2 为闪烁警示灯，在D-1和D-2的合理位置设置LED等文字显示设备，E为号角喇叭，K1、K4为火车到来检测传感器，K2、K3是火车离开检测传感器。根据铁路道口的控制要求，必须将火车到与离开转变为电信号，利用传感器即可完成此要求；然后将检测到的电信号送给相应的电路进行处理，使之产生输出信号；再利用输出信号驱动执行机构完成道口栏杆起降及语音播报和文字显示等相应的功能，达到警示路人和车辆的目的。

　　铁路道口警示系统采用图2所示的总体方案设计，主要由触发源、控制系统、系统功能实现模块组成。触发源由按键、红外探测器、传感器等组成，触发源将外部触发信号送至控制系统进行相应的处理。控制系统是整个系统的中央处理系统，可将得到的检测信号进行相应的处理，通过硬件与软件的结合来控制各个部分的工作，实现系统的各项功能。功能实现模块包括文字显示、灯光警示、语音播放和被控设备动作等四个功能。

　　2 警示系统设计方案

　　根据铁路道口警示系统的设计要求， 采用单片机C8051F340作为核心主控芯片。该芯片外设接口丰富，低功耗，性价比高，可以满足道口警示系统的需求。

　　警示系统的设计方案如图3所示，主要包括SD卡电路、MP3解码电路、功放电路、串口通信电路、列车行进检测电路和道口栏杆起降控制电路等。

　　按键主要受值班人员控制，值班人员可以根据具体的情况来触发按键起到警示的作用；红外探测器安装在道口栏杆之前，在需要警示的情况下，当路人强行通过时会触发，此时将触发信号送入控制电路中，将会有相应的语音播报及文字信息显示；列车行进检测电路主要作用是检测列车的到来和离开，其电路主要由传感器组成，可选用磁钢传感器，由传感器采集火车的行进信息，将检测信号送至单片机进行处理；串行接口主要连接文字显示设备，文字显示设备可以是LED显示器或者是视频显示设备（可在视频上叠加文字）；闪烁警示灯可进行灯光警示，尤其是夜晚对远处的行人和车辆进行有效警示；SD卡主要存放警示的文字和语音内容，以便于系统进行调用；道口栏杆升降电路是控制道口栏杆升降，火车到来时阻止行人和车辆的通行；语音解码芯片采用VS1003B,可对单片机读出的语音文件进行解码，以语音形式输出，该芯片支持MP3及WMA文件格式。功放电路对解码后的警示语音内容进行放大，再送至号角喇叭进行播放；话筒安置在道口房内，供值班人员进行紧急情况的语音喊话。

　　警示系统的功能实现如下：没有列车通过时，道口的闪光灯不工作，道口栏杆抬起，文字显示设备上可显示列车的通行时间以及提醒通行车辆和行人安全通过的提示信息；当有火车到来时，传感器K1或K4检测到来车信号，单片机控制电路接收来到自传感器的火车到来信号，此时通过控制电路将道口栏杆降下，同时单片机从SD卡中调用相关文字警示及语音文件，语音文件为MP3的格式，警示文字信息为TXT文件格式。考虑到语音文件的播放时间较长，因此单片机首先读取SD卡中的相应的TXT文件，并将该文件内存储的16进制文件通过串口送至LED或视频字符显示设备，之后单片机打开SD卡中存储的相关MP3格式的音频文件，音频数据通过SPI总线传输到音频解码芯片VS1003B进行解码，解码之后会通过功放电路送至号角喇叭进行播放，同时打开闪烁警示灯，从而实现了文字及声光警示行人和过往车辆有列车通过。红外探测器安装在道口栏杆之前的合适位置，在道口栏杆放下的情况下行人接近后会触发红外探测器，触发信号就会驱动单片机从SD卡中调用与之相关的警示内容进行文字和声光警示，以警示行人禁止前行。如果行人还是继续前行，此时道口房内的值班人员可按下相应的按键，使系统显示预制的文字警示信息和播放预存的语音警示信息，再则还可以通过话筒进行严厉的语音警示。当火车离开后，传感器K2或K3检测到火车离开，检测信号驱动单片机进行相应的动作，包括道口栏杆升起、闪光警示灯停止闪烁、号角喇叭停止警示语音播报、文字显示设备上显示列车的通行时间以及运行车辆和行人通过的信息。如果有突发事件发生，值班人员也可以通过话筒进行语音播报来警示行人和过往的车辆。

　　3 SD 卡中文件的命名规则

　　SD 卡中写入了两种格式的文件。一种是MP3 格式的音频文件，每个音频文件的命名和文件内容均不相同，语音文件的内容可根据具体应用场合来录制，这里要注意的是该语音文件的采样率不得高于128 Kb/s.另一种是TXT 格式的文本文件，文本文件中写入了报警信息的相关16 进制代码，每个文本文件的命名编码规则和内容也不相同，用于在文字显示设备上显示火车到来或离开或警示信息的具体内容。为了便于文件管理，将MP3 文件的第一位确定为A,TXT 文件的第一位确定为C,两种文件名称的其他位对应同一种警示事件时可采用相同的命名规则。

　　3.1 MP3 文件命名规则

　　当有事件发生时，播放器就会播放警示语音，但是，不同的事件播放的内容不相同，各个音频文件的命名也不相同。

　　在对音频文件命名时，采用4 位编码方式。其中，第1 位为A,代表Audio 音频文件，其余的3 位数字采用16 进制表示，每一位代表不同的含义。第 2 位代表按键触发的相应信息位，第3 位代表火车到来和离开信息位，如果此位为1,则代表有火车到来，第4 位代表红外探测器触发信息位。例如A010.MP3的语音内容为“火车就要开过来了，行人车辆注意安全，不要穿越栏杆”.

　　3.2 字符文件名的命名规则

　　当有事件发生时，文字显示设备上就会用文字显示具体的警示内容，不同的事件显示的警示信息也不相同，各个文本文件的编码也不相同，每个文本文件中写入了文字显示设备要显示文字的16进制代码。在对文本文件命名时，同样也采用4位编码格式，其命名和音频文件命名方式相同，例如， C010.TXT的文本文件中存储的就是“火车即将到来车辆行人禁止通行”.

　　4 文字警示信息的传输与显示

　　文字显示设备主要为LED显示设备，也可采用视频（字符叠加）显示设备。LED显示设备安装在图1所示的D-1 和D-2处，视频显示设备主要安装在值班室内部，为值班人员提供文字信息显示，这里主要以LED设备为例来说明其工作过程。

　　SD 卡中用于文字警示的文本文件要遵照LED 文字显示设备的要求来制作，按照本系统的要求制作的C010.TXT 的显示文字为“火车即将到来车辆行人禁止通行”,其TXT 文件的内容为“01D60400000000007F001F000101000A0100020002BB02F002B302B502BC02B402BD02AB02B502BD02C002B40200020002B302B502C102BE02D002D002C802CB02BD01FB01D601B901CD01A801D001D001AA”, 共82 个字节。其中，前21个字节为显示参数设置；第22 ~ 81字节为被显示文字的GB2312 代码与显示颜色的组合，比如“禁”字的GB2312的编码为“BDFB”,这里组合后为“BD01FB01”,其中“01”表示该字为红色显示，“02”为绿色显示；最后一个字节AA为结束标志字节。

　　由于存储在SD卡中的字符文件的内容是以16进制的形式存放的,当有事件发生时，单片机接收到相应的触发信号后去调用SD卡中相对应的TXT格式的文本文件。这里要注意的是，单片机读出的文本文件中的16进制代码实际上是该代码的ASCII形式，需要单片机将该ASCII代码转换为16进制后，再通过串口发送给LED显示模块。本系统选用的LED设备在单片机与其通信时需要先进行握手，其过程为单片机通过串口先向LED模块发0101,然后接收LED发送回来的确认数据01,之后需要在3s内将显示数据一次发送完成，最后在LED显示模块上显示警示内容。在使用串口调试助手连接LED设备时，一定要注意3s内这个时间限制。LED显示的流程图如图4 所示。

　　5 结语

　　本文以铁路道口应用为例设计了一个基于SD卡的文字声光警示系统。由于警示系统的语音文字信息采用的是SD卡存储，文字及语音内容修改方便，因此可以使用于其他的场合，例如安防、普通十字路口、施工现场、学校、博物馆等，只需要将SD卡中的警示内容更改为现场相对应的警示内容即可，无需改变软件程序及硬件电路。同时，本系统可扩充以太网等电路模块，实现远程控制。