一种基于CAN总线的煤矿数字化扩音电话系统的设计.pdf

第1期 2010年1月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 1 Jan. 2010 经验交流 文章编号1671 - 251X201001 - 0066 - 04 一种基于CAN总线的煤矿数字化 扩音电话系统的设计 3 丁恩杰, 苗曙光, 朱微维, 赵正芳, 李彦玮 中国矿业大学信电学院,江苏 徐州 221008 摘要文章分析了现有的煤矿调度电话系统的弊端,介绍了一种基于凌阳SPCE061A单片机和CAN总 线的矿用扩音电话系统的设计方案。该系统利用凌阳音频压缩编码算法库SACM - LIB实现对语音数据 在10～24 kbit/ s范围内的压缩编码,从而得到适合在CAN总线中传输的中低速率的语音数据;对于接收到 的语音数据,利用语音解码算法,实时解码后送入功放模块,驱动扬声器播放。测试结果表明,该系统稳定可 靠,传输距离远,语音质量高,为解决现有煤矿语音通信系统实时性不足的问题提供了一种新的解决方案。 关键词煤矿;扩音电话;数字化; CAN总线; SPCE061A 中图分类号TD655 文献标识码B Design of Digital Broadcast Telephone System of Coal Mine Based on CAN Bus DING En2jie , MIAO Shu2guang , ZHU Wei2wei , ZHAO Zheng2fang , LI Yan2wei School of Ination and Electrical Engineering of CUMT. , Xuzhou 221008 , China Abstract The paper analyzed disadvantages of existing dispatching telephone system in coal mine , introduced a design scheme of broadcast telephone system based on Sunplus SPCE061A single2chip microcomputer and CAN bus.The system uses Sunplus audio compression coding algorithm library to realize a voice compression coding in 10～24 kbit/ s , so as to get voice data with middle and low rate which fits transmission in CAN bus. For received voice data , the system uses relevant voice decoding algorithm to decode real2timely and then sends them to amplifier module to drive loudspeakers. The testing result showed that the system is reliable and stable with long transmission distance and high voice quality. It supplies a new solution to the problem of real2time in existing voice communication system in coal mine. Key wordscoal mine , broadcast telephone , digitalization , CAN bus , SPCE061A 收稿日期2009 - 09 - 03 3 基金项目国家自然科学基金项目60972059 作者简介丁恩杰1962 - ,男,山东青岛人,教授,博士研究生 导师,研究方向为现场总线及煤矿自动化。E2mail cumtsieemsg 0 引言 调度电话系统是煤矿语音通信系统的重要组成 部分。但目前调度电话存在实时性差、 需振铃接通、 音量小等问题,直接影响着煤矿安全生产调度系统 的时效性,特别是在发现重大险情的情况下,现场人 员无法及时通知井下所有工作人员撤离,导致发生 重大人员伤亡事故,影响安全生产的正常进行[1]。 因此,设计一种适用于煤矿生产调度和救灾的扩音 电话通信系统,对解决现有煤矿语音通信不足具有 重要的现实意义。 本文设计了一种基于CAN总线的数字扩音电 话系统。该系统以凌阳公司生产的16位语音处理 芯片SPCE061A单片机为主控制芯片,采用凌阳专 用的音频压缩算法实现对语音数据的压缩编码,并 通过CAN总线传输,接收解码数据并送入功放单 元播放,具有操作简单、 无需振铃接听、 输出音量大 等特点。 1 系统整体构成 基于CAN总线的煤矿数字化扩音电话系统的 整体结构如图1所示。 图1 基于CAN总线的煤矿数字化扩音电话系统的 整体结构图 该系统由工控机PC、 网关装置、 警示装置、 通信 电缆、 终端、 中继分支器等构成,采用总线型网络、 多主访问机制。地面可以通过工控机PC对网关装 置进行操作,实现对井下各个警示装置的任意呼叫 即选呼方式或全部呼叫即广播方式功能,同时 可以用工控机软件对实时发布的语音信息进行存储 和查询,并且井下各个警示装置可与其它所有的警 示装置广播通信。井下装置的按钮被按下就可以进 行全网通报,包括地面网关装置也能收到语音。网 络协议保证了在同一时刻只有1个警示装置是播报 装置,其它装置操作无效,避免冲突。 2 井下工作站装置硬件结构 扩音电话系统的各个工作站装置主要由电源模 块、 功放模块、 语音处理模块、 通信模块、MIC模块 和按键指示灯模块组成。 2. 1 电源模块 该系统外围电路由5 V电源供电,SPCE061A 的内核为3. 3 V供电,因此,笔者选用金升阳公司生 产的隔离电源模块WRB2405 - 2W得到5 V电压 输出。WRB2405 - 2W具有I/ O隔离1 500 DVC、 短路保护、 输出可关断、 功率密度、 输出最大电流为 400 mA等特点;选用凌阳公司SPY0029型号的 3. 3 V稳压电源模块,它具有宽电压输入、 最大输出 电流为100 mA等特点。 另外,电源模块采用三洋公司2 200 mAh电 池组作为系统备用电源,待机时对其充电,系统断电 后由其维持系统正常工作。 2. 2 语音处理和通信模块 语音处理和通信模块是系统核心模块,其电路 原理如图2所示。 图2 语音处理和通信模块电路图 SPCE061A是以μ ′nSP TM16位微控制器及信 号处理器芯片为内核的16位单片机,采用模块式集 成结构,将语音信号处理模块和微控制器模块集成 在一个小芯片上,方便与外围通信模块连接。 SPCE061A片内集成了2 KB RAM ,具有10位的 ADC、DAC模块及32个并行I/ O等,且具有可编程 音频处理及麦克风放大器和自动增益AGC功 能[2],特别适用于语音信号处理领域。同时凌阳公 司专门开发了针对SPCE061A的音频编码算法库 SACM - LIB ,对语音处理的各个部分作了模块化 处理,方便编程处理。 图2中虚线部分为CAN总线通信部分,包括 CAN控制器SJA1000和CAN收发器CTM8251T。 其中SJA1000是一个独立的CAN控制器,具有 BasicCAN 符 合CAN2. 0A 规 范和PeliCAN CAN2. 0B技术规范 2 种模式。SJA1000特有的 接收栈RXFIFO总长为64 B。在PeliCAN模式 下,接收缓冲区最多可以存放21条报文在数据长 度为0的情况下 [3] 。 SJA1000的这种设计方式,使其特别适用于数 据量大的语音数据的通信,接收的语音数据被存储 在FIFO ,大大降低了数据超载的可能性,用户能够 有充足的时间进行中断处理。笔者曾用过不带这种 FIFO接收栈的CAN控制器,很难满足语音通信的 762010年第1期丁恩杰等一种基于CAN总线的煤矿数字化扩音电话系统的设计 要求,语音数据丢包率严重,语音质量很低。 图2中,晶振频率为16 MHz。SJA1000的复 用地址/数据总线AD7～AD0和SPCE061A的 IOA7～IOA0直接相连。SJA1000地址锁存引脚 ALE、 读引脚WR、 写引脚RD、 片选引脚CS、 中断输 出脚INT连接到SPCE061A的IOB12、IOB13、 IOB14、IOB15、IOB1外部中断1输入脚。这里特 别要注意的是要在中断输出脚上接一个上拉电阻, 否则无法正常检测到下降沿的中断信号。SJA1000 的MODE管脚接高电平,这里选用的是IN TEL模 式,所以SJA1000的读写时序对应地也应当选择 INTEL模式的时序图。复位引脚接的是RC上电 复位电路。 由于SPCE061A没有专门的AL E、WR、RD、 CS管脚,因此,必须根据SJA1000的读写时序图, 用SPCE061A编写专门对SJA1000的读写函数程 序,分别记作Read_SJA1000、Write_SJA1000 , 源程序略。 广州致远公司生产的CTM8251T具有ESD保 护功能,完全符合ISO11898标准,隔离电压高达 DC 2 500 V ,电磁抗干扰EMI性很强,电磁辐射 EME低。与传统的需要隔离电源模块、 高速光耦、 TJA1050收发器等方案相比,CTM8251T将所有器 件整合到一体,具有稳定可靠、 外围电路简单等优 点。具体应用时应考虑阻抗匹配的问题,即在终端 节点上接120Ω的终端电阻。 2. 3 MIC模块 MIC模块电路如图3所示。 图3 MIC模块电路图 SPCE061A内置专门用于语音信号采集的自动 增益控制放大器AGC的麦克风输入通道MIC_ IN 。语音信号经过麦克风转换成电信号,由隔直 电容隔掉直流成分,然后输入至内部前置放大器。 SPCE061A内部自动增益控制AGC电路能随时跟 踪、 监视前置放大器输出的音频信号电平,当输入信 号增大时,AGC电路自动减小放大器的增益;当输 入信号减小时,AGC电路自动增大放大器的增益, 以便进入A/ D模块的信号保持最佳电平,又可以使 谐波最小[4]。 2. 4 功放模块 功放模块主要是由2片TDA2003构成的两级 功率放大器,其电路如图4所示。该模块的输出功 率大于10 W ,选用8 Ω、 10 W的扬声器,实测分贝 值可达到117 dB ,保证了输出话音的覆盖范围,避 免了通信盲区的存在。 图4 功放模块电路图 2. 5 按键指示灯模块 按键指示灯模块主要由通话控制的按键、 通话 指示灯和电源指示灯构成,具体电路不予详述。 3 网关装置 网关装置是工控机和各个井下装置进行通信控 制的关口。通过工控软件控制全网装置,实现广播 和选播的功能,同时对通话的内容进行录音存储。 网关装置通过MAX232芯片实现TTL电平到 工控机RS232电平的双向转换,从而建立通信 连接。 4 系统软件设计 系统软件设计的重点是利用凌阳的音频压缩算 法库SACM - LIB设计语音信号的采样、 量化、 压 缩编码、 打包成CAN的数据帧格式的语音数据发 送,并实时接收解码播放的算法流程。 凌阳公司为SPCE061A提供了专用的语音函 数库 SACM - D10 ,其处 理语音信号范 围是 200 Hz～3. 4 kHz的电话话音,并将A/ D、 编/解 码、 存储及D/ A做成相应的模块,每个模块都有应 用程序接口API子函数。SACM_D10是凌阳公司 针对SPCE061A推出的语音录制和播放解决方案, 包括SACM _ A1600、SACM _ DVR1600、SACM _ S720和SACM_MS01等4套语音编解码软件包, 86工矿自动化2010年1月 适合语音播放、 语音录制、 音乐播放等用途。 本系统选用的是具有录音播放功能的SACM_ DVR1600语音编解码软件包。SACM_DVR1600 采用A1600算法,除可播放语音外,还可以在单片 机上进行实时的压缩编码录音 , 具有10 kbps、 12 kbps、14 kbit/ s、16 kbit/ s、20 kbit/ s和24 kbit/ s 六种可选的码率,可将8 kHz、16 bit的音频以 12. 8∶1～5. 3∶1的压缩比进行编码。 系统软件程序流程如图5所示。系统初始化主 要包括对I/ O口初始化、 定时器初始化、 串口初始 化和CAN控制器的初始化等。网关通过串口实现 语音的实时传输和语音数据的上位机存储,并通过 上位机软件控制整个装置的工作;而井下装置通过 工人按住按键进行控制操作,程序流程基本相同。 a工作站程序流程图 b网关装置程序流程图 图5 系统软件程序流程图 考虑到CAN总线的传输距离为3 km左右,且 要保证平均见得分MOSMeant Opinion Score在 3. 5分以上[5],系统选用语音压缩编码的速率为 16 kbit/ s。 考虑到干扰和系统冗余,CAN总线位速 率为20 kbit/ s时传输的语音质量较好。由于 SPCE061A是16位的语音处理模块, SJA1000是 8位的总线结构,1次最多存放8 B的数据,因此, SJA1000在得到编码后的语音数据后需要先经过 1次字到字节的转换由WordtoByte函数实现。 由于传输码率为16 kbit/ s ,1帧语音数据长度为 16个字长,转换成字节为32 B ,因此,CAN总线采 用查询发送方式,分4次发送,每次发送8 B。接收 过程与之相反,需要重新组合成字型数据,主要采用 中断实时接收方式。 5 工控机PC软件设计 工控机PC软件使用Mircosoft公司的VC 6. 0以及SQL工具开发。上位机软件通过RS232 与下位机装置通信,在主界面上可实现多种呼叫方 式控制、 通话记录的存储及查询以及实现语音数据 的采集等功能。工控机PC与网关之间的数据通信 通过CMSComm类实现,查询方式与中断方式交替 使用;通话记录的存储与查询采用ADO方式与数 据库连接,查询时使用报表方式,方便打印或导出; 语音数据的存储使用Chile类实现文件的操作;对 于串口采集到的A16格式语音文件,采用凌阳公司 提供的系统文件转换为WAV格式文件,直接在工 控机PC上播放。 6 结语 本文提出的煤矿数字化扩音电话系统以CAN 总线为传输控制协议,采用内嵌16位微控制器的语 音处理芯片SPCE061A实现煤矿数字语音的通信, 有效解决了调度电话需振铃接听的不足、 实时性不 好的问题,具有传输距离远、 抗干扰能力强、 成本低 廉、 话音质量较高、 性能可靠、 方便录音存储等特点。 该系统目前已投入使用,运行状态良好,达到了国内 同行业先进水平,为煤矿安全生产提供了有力保障。 参考文献 [1] 孙继平.煤矿移动通信的特点及现有系统分析[J ]. 煤矿自动化,19974 21224. 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