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智能工业广播对讲系统设计 摘要 目前使用的电话通信系统主要是采用星型拓扑结构，用户话机通过各自 的电话线路与主机相连的有主机系统。该系统存在着工程布线麻烦、费用高、 电话线路成本高且利用率低、系统可靠性差、呼叫速度慢、准确性差、振铃 声难以保证在大范围、强噪声的生产场所下的工作人员接听到等缺点，难以 满足现代工业的迅速发展的需求，因此需要研制新型的智能工业广播对讲系 统。 本文的主要内容包括系统硬件与软件的设计以及系统通信协议设计，并从 软、硬件两个方面采取多种抗干扰措施。硬件上整个硬件系统采用模块化设计， 可扩充性好。本系统主处理器采用了l p c 2 2 9 2 ，采用c a n 总线通信方式。系 统中各个话站以单片机为核心，作为分散的各个节点，通讯硬件接口简单，通 讯介质可以灵活选择，通讯速率最高可达1 m b p s ，最多可支持1 1o 个节点，所 有的节点都能以平等的地位挂接在总线上，从而极大地提高了通信的效率。综 合考虑实际应用情况和其它各方面的因素，根据c a n2 0 b 协议规范进行系统 通信协议的设计，满足本对讲系统中通信需求。最后对本文所做的工作做了总 结，指出了工作成果和需要进一步改进和完善之处。 本对讲系统具有拨号功能，拨号简便、快捷，对内部用户实现了单呼、 群呼、全呼三种呼叫方式，提高了呼叫的针对性，消除了对非被叫用户的干扰。 相对于有主机通信系统来说，这种无主机系统的通信过程不依赖主机，因此， 无主机系统具有更高的可靠性。 关键字：对讲系统，l p c 2 2 9 2 ，c a n 总线，通信协议，抗干扰 t h ed e s i g no fi n t e l l i g e n ti n d u s t r i a lb r o a d c a s ti n t e r c o ms y s t e m a b s t r a c t n o wt h em a i nk i n ds y s t e mo ft h et e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o nu s e ss t a rt o p o l o g y s t r u c t u r ea n di t su s e r su s et h e i ro w n t e l e p h o n el i n et oc o m m u n i c a t ew i t ht h eh o s t t h i sk i n d o fs y s t e mh a ss o m ed e f e c t ss u c ha sh a r dw i r i n gi n s t a l l a t i o n ，h i g he x p e n s e ，h i g hc o s to ft h e t e l e p h o n el i n ea n dl o we f f i c i e n c y , b a dr e l i a b i l i t y , l o ws p e e do fc o m m u n i c a t i o n ，l o w a c c u r a c y , w e a kb e l lf o rt h el o n gr a n g ea n ds t r o n gn o i s ef i e l da n d s oo n b yr e a s o no ft h e s e d e f e c t st h i ss y s t e mi sh a r dt om a t c ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to ft h em o d e mi n d u s t r y , t h e r e f o r ean e wk i n di n t e l l i g e n c ei n d u s t r yb r o a d c a s ti n t e r c o ms y s t e ms h o u l db em a d et o c h a n g eo v e r c o m et h e s ed e f e c t s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ed e s i g no f c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h ea n t i t u r b u l e n c em e a s u r e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o n t h eh a r d w a r et h es y s t e mi sam o d u l a r i t ys y s t e ma n di t sc o n v e n i e n tf o rt h ee x t e n d a b i l i t y t h i ss y s t e mu s e sl p c 2 2 9 2a si t sc p ua n dc a na si t sc o m m u n i c a t i o nm o d e t h ei n t e r c o m s t a t i o nw h i c hu s e sm c ua si t sc o r ei sd i s p e r s i v en o d e si nt h i ss y s t e m t h i ss y s t e mh a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l eh a r d w a r ei n t e r f a c e ，v a r i e t y c h o i c e si nc o m m u n i c a t i o n m e d i a t o r , h i g hc o m m u n i c a t i o nr a t et o1m b p s ，t h en u m b e ro fn o d e sm a x i m u m t o110 ，a l lo f t h en o d e sc a nb eh o l d e do nt h eb u se q u a l l ya n ds oo n b yr e a s o no ft h e s em e r i t st h i ss y s t e m h a sah i g he f f i c i e n c yc o m m u n i c a t i o n b a s e do nt h ea p p l i c a t i o ns t a t u sa n do t h e rc o n d i t i o n s a n dt h ec a n2 0 bp r o t o c o lt h i ss y s t e mi sm a d et os a t i s f yt h en e e do fc o m m u n i c a t i o n a t l a s taw o r ks u m m a r yi sm a d ew h i c hd i s p l a y st h eo u t c o m ea n dt h ea s p e c t sn e e d e dt o i m p r o v e t h i si n t e r c o ms y s t e mh a sas i m p l ea n df a s td i a lf u n c t i o na n dt h r e ec a l l i n gm o d e ss u c h a ss i n g l ec o m m u n i c a t i o n ，g r o u pc o m m u n i c a t i o na n de n t i r e t yc o m m u n i c a t i o nt ot h ei n n e r u s e r s t h e s em o d e si m p r o v et h ep e r t i n e n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o na n de l i m i n a t et h e t u r b u l e n c et ot h en o n - c a l l e du s e r s c o m p a r e dw i t ht h eh o s tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i s n o n h o s tc o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sah i g h e r r e l i a b i l i t yb e c a u s eo fi t si n d e p e n d e n t c o m m u n i c a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：i n t e r c o ms y s t e m ，l p c 2 2 9 2 ，c a nb u s ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n t i - j a m m i n g 插图清单 图2 1c a n 总线分层结构5 图2 2 对讲系统组成结构图8 图3 1 对讲系统硬件原理图1 0 图3 23 3 v 电源转换电路1 1 图3 3l p c 2 2 9 2 内部结构图1 2 图3 4 看门狗电路14 图3 5f m 3 1 2 5 6 存储器接口电路1 5 图3 7l m 3 5 8 管脚示意图16 图3 8 广播扩音电路原理图1 8 图3 9 信号音产生电路1 9 图3 1 0 信号音检测电路原理图2 1 图3 1 1 线内通话绳路选择原理图2 2 图3 1 24 x 4 矩阵开关原理模型图2 3 图3 13 液晶显示电路：2 4 图3 1 4 键盘电路原理图2 5 图4 1c a n 总线拓扑结构图j 2 7 图4 2c a n 节点硬件连接图2 8 图4 4 数据帧的结构3 4 图4 5i d 域结构图3 6 图5 1 主程序流程图4 0 图5 2c a n 初始化流程图4 1 图5 3 数据帧结构一4 2 图5 5c a n 数据发送流程图4 3 图5 6c a n 通信流程图4 5 图5 7 系统单呼流程图：4 6 图5 8 键盘处理流程图4 8 表格清单 表5 14 组键值表4 8 表5 2键盘去抖动处理流程4 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者擀绉夥签字嗍m 年鲈7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王、业太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒壁王业态堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 细密 签字日期：2 口p 年中月) 1 e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： p 了w 鸟 签字日期澎f d 甜胪7 日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谓 合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，并衷心 地感谢导师温阳东教授在我学习和论文写作过程中给予的关怀和帮助。导师渊博的学 识、严谨的治学、开阔的视野、认真的态度使我受益匪浅。研究生期间，导师在学习 和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励，在此学生表示衷心的感谢和深深的敬意。 此外论文工作得以顺利完成还要感谢实验室朱敏老师，毕锐老师以及金毅仁、高 震宇、刘思邦、陶晓丽、胡艳红、杨伟、王恒、黎明、张韬、张玉凤、余佳、石明刚 等全体同学给予我的支持和帮助，在此深表谢意。 在整个学习阶段，我的家人给予了我无微不至的照顾，在此对他们表示诚挚的谢 意和最深的感激! 作者：施勇 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 智能工业广播对讲系统现状 电话通信作为现在主要通讯方式之一，广泛引用于生产、生活中的各个领 域，在现代化工矿企业等生产场所也有着重要应用。应用在现代化工矿企业的 电话通信系统要求能够使主叫用户在大范围、强噪声干扰的生产场所中简便、 快速、准确地与被叫用户取得联系，从而实现生产调度、通话、电话会议、广 播找人和通信联络等功能，特别是在出现紧急情况或者发生险情时能够使主、 被叫用户迅速地取得联系，及时处理险情。由此可见，一般的电话系统不适于 在工业广播对讲系统中使用，工业广播对讲通信系统对电话系统有着特殊的要 求。 目前使用的工业广播对讲系统主要采用的是星型拓扑结构，这种结构是有 主机通信系统，用户话机通过各自的电话线路来与主机相连接。该系统的呼叫 过程是主叫用户通过拨号来呼叫被叫用户，由主机向用户话机发送振铃信号， 被叫用户听到振铃声后接听电话。这种系统往往存在以下几个缺点：工程布线 比较麻烦，费用高；各用户话机独自占用了一对电话线路，电话线路成本较高 而利用率很低：一旦主机发生了故障，会造成整个系统的完全瘫痪，可靠性差； 主叫用户需要知道被叫用户所在的位置以及电话号码，通过拨号呼叫被叫用户， 呼叫速度慢，当接听的用户不是要找的被叫用户时，主叫用户需要等待寻找被 叫用户。另外，需要系统能够在易燃、易爆、大范围、强噪音干扰的生产场所 中使主叫用户快捷、简便地与被叫用户取得联系，实现生产调度、电话会议、 广播找人和通信联络等功能，尤其在出现险情或发生紧急事件时能够使主，被 叫用户迅速取得联系，及时处理险情。由于系统难以满足上述的一些通信要求， 目前许多高校和企业都开始研制无主机防爆扩音对讲电话系统。但是这些系统 都存在防爆绳路多、人工选择绳路、使用不方便、在无扩音呼叫时也向扩音功 率放大电路供电等缺点。为此，需要研制新型的智能无主机防爆扩音对讲电话 系统。 1 2 设计研究内容 本智能广播对讲系统具有拨号功能，且拨号简单、快捷、方便，可对实现 对系统内的用户进行单呼、群呼和全呼三种呼叫方式，呼叫的针对性较强，并 消除了对非被叫用户的干扰。智能工业广播对讲系统采用c a n 总线通信方式 和语音信号通过通话信道模拟传输，用户扩展灵活、方便；满足了在大范围、 强噪声的生产场所下快速、简便的通信要求；使用较少通话信道来连接多个话 站，工程布线简单、工期短、费用低。 具体设计任务内容如下： 1 、制定总体的设计方案； 2 、智能广播对讲系统话站的硬件电路设计，包括单片机控制电路、广播扩 音电路、通话电路及c a n 总线通信电路等的设计； 3 、分析、制定系统的通信协议； 4 、编写系统软件； 5 、从硬件和软件两方面采取抗干扰措施； 6 、对整个系统进行调试、安装。 1 - 3 无主机防爆扩音对讲电话系统功能原理 1 3 1 对讲系统原理 当系统中话站有通话任务时，拿起话筒，这时磁簧开关启动前置放大电路， 此时前置放大电路工作。工作人员进行拨号，系统内的所有话站在一个通道上 都可以广播对讲。每个系统无数个话站，4 条通话绳路，通过c a n 总线通信信 道查询通话绳路状态并选择可用的通话绳路进行通话。 1 3 2 广播功能原理 当寻找现场流动人员时，按下听筒上的广播开关，呼叫对方，这时全系统 话站的功放全部会发出广播声音，因为每一部话站的功放是并联的，通过一对 线路和每部话站内的功放输入端并联来实现。对方听到后去就近的一部话站选 择空闲通道对讲。 1 3 3 系统内的设备 一个系统最少2 台话站组成，话站有话机和扬声器组成。话站线路距离超 过1 0 0 米或周围有电机磁场等环境的，需要加装一台线路平衡器，无论系统的 话站数量多少只需要一台平衡器，平衡器的原理是用相符合的电阻并联在每一 对通道上，广播线路上一个可调电位器，根据线路的阻抗调节电位器，3 3 欧为 基准。 1 3 4 警报音产生器 通过消防的感应器或者手动触发此设备，此设备可以发出多路语音，也可 以事先录音，比如a 车间发生火警，此时a 车间感应器启动消防设备，触发警 报音产生器a 路，此时警报音产生器会发出事先录好的语音( a 车间发生火警。 等火警信号循环播报) 直至人工解除警报。此设备发出的警报音信号和广播信 号线路相同，故此设备的音源输出端和系统广播线并联，系统即可听到警报音。 2 1 4 研究目的及意义 智能工业广播系统采用计算机技术、电子技术和通信技术实现扩音呼叫以 及电话对讲功能，可使用在石油、化工、煤炭、冶金、医药等易燃、易爆、大 范围、强噪声干扰等行业以及生产场所中，用于生产调度、电话会议、紧急呼 叫、通信联络、设各工作数据汇报和电话使用，可替代国内外的其他同类产品。 该系统具有防爆绳路利用率高、成本低、通信联系速度快、使用及维护简便、 扩音静音小、音量大、通话质量好等优点，可广泛使用于企业生产环境中，具 有良好的应用前景和使用价值。 第二章系统工作原理及设计实现 2 1 引言 根据总体设计方案，本系统主处理器采用l p c 2 2 9 2 ，语音通话信令传输采 用c a n 总线通信方式，系统中各个话站以单片机为核心，作为分散的各个节 点，通过c a n 总线连接来发送扩音开始信令、信令绳路占用码，收发号码信 令、释放信令绳路命令等信息，对各种数据进行采集处理，然后把数据传送到 微处理器l p c 2 2 9 2 。 2 2c a n 总线简介 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络。由于其具有高性能、 高可靠性以及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。c a n 最初是由德国 的b o s c h 公司为汽车监测、控制系统设计的，目前国内外许多大公司产品都 采用了这项技术。c a n 总线属于一种能够有效支持分布式控制或实时控制的总 线式串行通信网络，其通讯硬件接口简单，通讯介质可以灵活选择，通讯速率 最高可达1 m b p s ，所有的节点( 包括上位p c 机) 都能以平等的地位挂接在总线 上，极大地弥补了r s 4 8 5 总线的不足，从而极大地提高了通信的效率。 2 2 1c a n 总线特点 c a n 采用了许多新的技术以及独特的设计，具有其他许多通信总线所没有 的特点，最突出的是可靠性、实时性以及灵活性等。 ( 1 ) c a n 的工作方式为多主方式，即网络中的任何一个节点可以不分主 从的在不同时刻主动向其他的节点发送信息，而不需要节点地址等信息，通信 方式较为灵活。c a n 总线需要先对报文进行过滤后就能够实现点对点、一点对 多点及全局广播等几种方式的传送接收数据。 ( 2 ) c a n 网络上的节点信息具有不同的优先级，采用了非破坏性总线仲 裁技术，当不同优先级的节点向总线发送信息时，具有最高优先级的节点继续 传输数据，最多能在13 4 u s 内得到传输，而优先级较低的节点会主动地退出发 送，这样大大节省了总线冲突仲裁的时间。 ( 3 ) c a n 的直接通信最大传输能够达到1 0 k m ( 速率在5 k b p s 以下) ；通信 速率最高可达到1m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 ( 4 ) c a n 上的节点主要取决于总线驱动电路，目前最多可达1 1 0 个；报 文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不 受限制。 ( 5 ) c a n 总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率小，具有较好的 检错效果。 ( 6 ) c a n 的每帧信息都具有c r c 检验及其他检验措施，从而保证了数 4 据出错率极低。如果出现严重错误，c a n 节点会自动关闭输出功能，以保证其 他节点不会受其影响。 ( 7 ) c a n 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 2 2 3c a n 总线的分层结构 为了使设计更加透明和灵活，c a n 遵从i s o o s i 模型，c a n 划分为两层：数据链 路层和物理层，其中数据链路层又包括逻辑链路子层( l l c ) 和媒体访问控制子层 ( m a c ) 。如图2 1 所示： 数据链路层 媒体访问控制子层m a c 数据封装拆装 帧编码( 填充解除填充) 媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化解除串行化 物理层 位编码解码 位定时 同步 ( 驱动器接收器特性) 监控器 故障界定 总线故障管理 图2 lc a n 总线分层结构 l l c 子层的主要是为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子 层接收的报文已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。m a c 子层的功能 主要是传送规则，也就是控制帧的结构、执行仲裁、错误检测、出错标定以及 故障界定。物理层的功能是根据全部电气特性在不同节点间的实际传送。c a n 技术规范2 0 b 定义了数据链路的m a c 子层和l l c 子层中的一部分，并且 对c a n 有关的外层进行了描述。其中，物理层定义了信号如何进行发送，涉 及了位定时、位编码元和位同步的描述。在这个技术规范中，没有定义物理层 中的驱动器接收器的特点，便于根据具体实际情况，优化发送媒体和信号的电 平，使信号的传输更为方便。 m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文以及 对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检 cll 层波知理 子滤通管路收载复链接超恢 辑逻 测标定。m a c 子层有一个管理实时监控，它具有能够识别永久故障或短暂扰 动的自检机制。l l c 子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。 2 3c a n 总线通信原理 如果c a n 总线有空闲，c a n 控制器启动发送过程，总线上的所有的控制 器同步于帧起始的前沿。若有两个或更多的c a n 控制器同时开始发送，总线 访问如果发生冲突，可以通过仲裁场发送期间位仲裁处理方法来解决。在仲裁 期间，每个进行发送的c a n 控制器都会比较将要发送的位电平与监控总线的 电平，任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的c a n 控制器立即变成 总线上较高优先权报文的接收器，而不破坏总线上的任何信息。每段报文包括 一个唯一的标识符和在报文中含描述数据类型的r t r 位。标识符和r t r 位最 先发送。标识符和r t r 位对应二进制数值最低的报文具有最高的优先权。由 于数据帧的r t r 位为显性电平，因此数据帧比远程帧具有更高的优先权。对于 每个数据帧存在唯一的发送器。从与其他c a n 总线控制器兼容性的考虑，禁 止使用标识符。位模式i d = 1 111 111 x x x x ( 其中x 表示为任意电平位) ，这样在 b a s i cc a n 方式下，帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列使用位填 充技术来进行编码。 当正在发送的c a n 控制器检测到5 个连续的相同极性的位被发送，一个 互补( 填充) 位被插入到该发送位流中。当一个正在接收的c a n 控制器检测到接 收的上述五种位场的位流中，具有5 相同极性的连续位，它将会自动地删除下 一个接收( 填充) 位。删除的填充位电平必须与先前位的相反，否则一个填充错 误被检测到并被标注。其余的位场和帧具有固定的形式，因而不使用位填充方 法进行编码解码。当发生位错误，填充错误、形式错误或应答错误时，检测到 出错的c a n 控制器将发送一个出错标志。出错标志将在下一位开始发生。当 检测到c r c 错误时，出错标志在紧跟应答界定符后的一位开始发送，除非其他 一些出错条件的错误标志已经开始发送。出错标志将破坏位填充或损坏固定形 式的位场。位填充法则的破坏将影响检测出错条件的任何c a n 控制器。 一个c a n 控制器将检测出错条件并发送一个认可出错标志。认可出错标 志不会中断在不同c a n 控制器上的当前报文，但这类出错标志可能被其他控 制器忽略。检测到出错条件后，认可型出错c a n 控制器将等待具有相同极性 的6 个连续位，并在检测到它们时，将它们理解为出错标志。 发送出错标志后，每个c a n 控制器都对总线进行检测，直至检测到一个 显性电平到隐性电平的跳变。这时，每个c a n 控制器就完成了其出错标志发 送，并所有c a n 控制器开始发送7 个附加的隐性位。辨识数据帧或远程帧报 文格式的方法是所有可检测的错误均可在报文发送时间内被标识，因而使c a n 控制器很容易组成对应报文的出错帧，并且初始化被破坏报文的重新发送。如 果c a n 控制器监测到出错帧固定格式的任何偏离，它将发送一个新的出错帧。 6 一些c a n 控制器要求借助于发送一个或更多超载帧来延迟下一个数据帧 或远程帧的发送。超载帧的发送必须起始于所等待间歇场的第一位。在期望的 间歇场期间，重新激活位显性位的超载帧的发送应在该事件后开始。 虽然超载帧和出错帧的格式相同，但对它们的处理却大不相同。在间歇场 期间进行的超载帧的发送不能初始化任何先前的数据帧和远程帧的重新发送。 如果发送超载帧的c a n 控制器监测到其固定格式的任何偏离，它将发送一个 出错帧。 2 4 多信道共用技术 本对讲系统为了提高系统利用率采用了多信道共用技术，该技术是目前普 遍采用的技术，已经在卫星通信、移动通信等通信领域中得到广泛的应用。 在现代通信系统中，系统将一组n 个信道提供给用户共用的方式主要有专 用信道方式、单信道共用方式和多信道共用方式三种。 多信道共用是指将系统内的全部n 个信道同时提供给系统内的全部m ( m n ) 个用户共同使用。当其中k ( k n ) 个信道已经被占用之后，如果有其它需要通 信的用户可以使用剩下的( n k ) 个空闲信道中的任何一个来进行通信。系统最多 可以同时保障n 个用户进行通信，系统内用户呼叫是随机的，所有n 个信道同 时被占用的概率远小于信道专用或单信道共用时信道被占用的概率，因此使用 多信道共用技术可以提高系统容量以及信道的利用率。 2 5 系统设计研究方案 2 5 1 系统总体设计思想 智能型无主机防爆扩音对讲电话系统利用现代通信系统中的多信道共用原 理，实现多用户扩音呼叫和电话对讲共用少数防爆绳路。该系统为系统内的所 有用户指定了“专用”的扩音绳路，所有的用户话机在无通话对讲时均“锁定” 在扩音绳路上。当有用户要扩音呼叫时，由该用户话机先在扩音绳路上发送扩 音开始信令，其他用户话机接收到扩音开始信令后启动扩音电路并转入扩音状 态。当扩音呼叫完毕时，扩音用户话机先发送扩音结束信令，然后被分配到空 闲的通话绳路上，同时先在该绳路上发送绳路占用信令，然后等待被叫用户摘 机应答。当所有的通话绳路都被占用后，扩音绳路也可被当作通话绳路使用， 即当扩音用户扩音呼叫完毕后，扩音用户话机将自动地占用扩音绳路，然后等 待被叫用户应答。当扩音绳路也被通话占用后，这时系统将禁止所有用户的扩 音呼叫，直到扩音绳路被释放。 根据需求和设计任务，本系统不仅要实现呼叫显示和语音呼叫，还要实现 点对多点的数据传输。因此，综合考虑本系统的特点和应用范围，在总体设计 中应考虑以下几个主要问题，并据此进行后面的设计。 7 ( 1 ) 该系统主控制器采用菲利浦公司的l p c 2 2 9 2 ，通信的过程由l p c 2 2 9 2 控 制，并需要建立相应的通信协议。 ( 2 ) 由于该系统要实现多点的数据传输，可以采用c a n 总线来实现信令的传 输。 ( 3 ) 要求系统具有较高的实时性能和一定的可靠性，所以在设计中应综合考 虑这两方面的因素。 ( 4 ) 系统应具有一定的检错和纠错能力，并可以独立完成数据的传输和接收。 ( 5 ) 具有较好的人机界面，便于操作，并且具有较强的防爆和抗干扰能力。 2 5 2 系统组成及性能指标 工业对讲系统由主控话站、普通话站、扩音扬声器、广播扩音绳路、通话 绳路以及c a n 总线通信网络等组成，如图2 2 所示。各个话站之间通过c a n 总线 互连而组成一个独立的小型局域网络。系统初设4 条线路，每条线路上连接4 0 个话站。该系统每条线路设4 条通话信道，采用多信道共用技术实现了系统的绳 路为所有用户扩音呼叫和电话对讲所共用。 扩音扬声器 l 撑话站2 撑话站3 挣话站4 0 # 话站 l 舟 线 话 站 凹凹凹凹 撑话站2 f 话站3 话站4 0 # 话站 4 撑 线 话 站 信令绳路 广播绳路 通话绳路 图2 2 对讲系统组成结构图 2 5 3 系统主要工作过程 本对讲系统可通过系统设置实现单呼、群呼、全呼三种呼叫方式。 单呼指主叫用户对一个指定的被叫用户进行的呼叫，它是通过主叫用户拨 对方号码实现的；群呼是指主叫用户话站对一组被叫用户进行的呼叫，它是通 过主叫用户拨打群呼号码来实现的；全呼指主叫用户对所有被叫用户进行的呼 8 叫，它是通过主叫用户拨全呼号码实现的。单呼的工作过程：主叫用户摘机后， 主叫话机查询是否有空闲通话绳路，当没有空闲通话绳路时，主叫用户听忙音； 当有空闲通话绳路时，主叫话机占用信令绳路并发出通话绳路占用码，通知其 它所有话机与占用码对应的通话绳路己被占用，并且占用该通话绳路。然后主 叫用户开始拨号，主叫话机发送号码信令，拨号结束后，主叫话机会自动释放 信令绳路。当所有其它话机接收到号码信令以后，判断该号码是不是本机号码， 若是本机号码，那么本机为被叫话机，发送应答帧并开启扩音功能。此时主叫 用户开始扩音呼叫被叫用户，被叫用户摘机应答后，关闭扩音功能，主叫用户 和被叫被户即可进行通话。通话结束后，主叫和被叫用户任何一方先挂机都可 发出通话绳路拆线码，通知所有对讲话机与该拆线码对应的通话绳路被释放。 群呼和全呼的工作过程与单呼的区别主要是被叫话机多，还有通话结束时 只有主叫话机能发拆线码，被叫话机不能发拆线码。 9 第三章系统硬件设计 本文所设计的智能工业广播对讲系统主要由以下几部分组成：电源模块、 主控制器模块、语音通话模块、广播扩音模块、信号音产生模块及检测模块、 线路选择开关模块、人机接口模块和通信接口模块等。系统原理图如图3 1 所 示。 通话 图3 1 对讲系统硬件原理图 3 1 电源模块 电源模块是整个系统工作的前提和基础，负责提供系统中所有芯片的工作 电源。电源模块把外部提供的交流电源转换为系统所需的电压。输入为 a c 2 2 0 v ，经抗干扰滤波回路后，进入电源变换模块。输出为+ 5 v ，1 2 v 和+ 2 4 v 。 三组电压均不共地，且采用浮地方式，同外壳不相连。1 2 v 用于语音通话回 路和继电器驱动，+ 5 v 用于液晶显示模块，+ 3 3 v 用于l p c 2 2 9 2 、铁电存储器、 c a n 接收控制器等器件供电。3 3 v 电源转换芯片分别采用a s l l l 7 m 3 3 3 ，如 图3 2 所示。 1 0 图3 2 3 3 v 电源转换电路 3 2 主控制器模块 主控制器模块由l p c 2 2 9 2 、看门狗电路和外扩铁电存储器f m 31 2 5 6 等外围 器件组成，是整个扩音对讲话机硬件的核心。它将根据检测到的摘挂机状态、 扩音呼叫状态和各通话绳路及扩音绳路状态控制矩阵开关电路动作，完成呼叫、 扩音及通话对讲等任务处理。 3 2 1l p c 2 2 9 2 l p c 2 2 9 2 是一款由菲利浦公司推出的基于16 3 2 位a r m 7 t d m i s ，并支持实 时仿真和跟踪的c p u ，并带有2 5 6k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存 储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规 模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的 损失却很小。 l p c 2 2 9 2 主要特征： 采用1 6 3 2 位1 4 4 引脚a r m 7 t d m i s 微控制器。 1 6 k 字节静态r a m 。1 2 8 2 5 6 k 字节片内f l a s h 程序存储器。1 2 8 位宽度接口 加速器实现高达6 0 m h z 的操作频率。 片内b o o t 装载程序实现i s p 和l a p 。f l a s h 编程时间：l m s 可编程51 2 字节，扇 区擦除或整片擦除只需4 0 0 m s 。 e m b e d d e di c e r t 接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内r e a l m o n i t o r 软件调试时，中断服务程序可继续执行。嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。 包含2 个互连的带有先进的验收滤波器c a n 接口。4 路1 0 位a d 转换器，转换 时间低至2 4 4 u s 。2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元 ( 6 路输出) 、实时时钟和看门狗。多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 i 业标准 u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0k h z ) 和2 个s p i 接口。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。片内晶振频率可达到l 3 0m h z 。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达1 12 个( 14 4 脚封装) 通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，12 个独立外部中 断引脚( e 1 n 和c a p 功能) 。 双电源模式 c p u 操作电压范围为1 6 5 - 一1 9 5v ( 1 8 v 8 3 ) ；i o 操作电压范围为3 o 3 6 v ( 3 3v 1 0 ) 。2 个低功耗模式：空闲和掉电。另外，可通过外部中断将处 理器从掉电模式中唤醒以及通过个别使z 月1 匕l - , 禁止外部功能来优化功耗。 ( 1 ) l p c 2 2 9 2 结构概述 l p c 2 2 9 2 包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i sc p u 、与片内存储器控制器 接口的a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和 连接片内外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，a r ma m b a 总线的兼容超集) 。 l p c 2 2 9 2 将a r m 7 t d m i s 配置为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。 图3 3l p c 2 2 9 2 内部结构图 1 2 a h b 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 存储器空间 的最顶端。每个a h b 外设都分配了1 6 k 字节的地址空间。l p c 2 2 9 2 的外设功 能( 中断控制器除外) 都连接至i v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连。v p b 外设也分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。在 v p b 地址空间内都为每个v p b 夕b 设分配了1 6 k 字节地址空间。 片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行 控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。l p c 2 2 9 2 内部结构如图3 3 所示。 ( 2 ) a r m 7 t d m i s 处理器 a r m 7 t d m i s 是通用的3 2 位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。 a r m 结构是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理而设计的。指令集和相关的译码 机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就 可以实现很高的指令吞吐量以及实时的中断响应。 由于采用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续的工作。通 常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中 取出。另外，a r m 7 t d m i s 处理器还使用了一个被称为t h u m b 的独特结构化 策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品 的应用。 a r m 7 t d m i s 处理器具有两个指令集：标准3 2 位a r m 指令集和16 位 t h u m b 指令集。其中，t h u m b 是指“超精简指令集，t h u m b 代码和a r m 代码都是在相同的3 2 位寄存器上进行操作，但t h u m b 指令集的1 6 位指令长 度却能够达到标准a r m 代码两倍的密度，仍然保持了a r m 的大多数性能上的优 势，这些优势是使用1 6 位寄存器的1 6 位处理器所不具备的。t h u m b 代码虽 然规模仅为a r m 代码的6 5 ，但其性能却相当于连接到1 6 位存储器系统的相 同a r m 处理器性能的1 6 0 。 3 2 2 看门狗电路 本设计中采用专门的外接看门狗电路以保证对c p u 监控的可靠性。看门狗 电路的主要作用是监控c p u 以防止程序跑飞，提高系统工作的可靠性。本设计 采用看门狗芯片c a t l16 1 构成外部看门狗电路，其内部有2 k b 的e e p r o m ，可 用于对系统重要数据的存储。其接口电路如图3 4 所示。 1 3 图3 4 看门狗电路 3 2 3 存储器、实时时钟模块 铁电存储器( f r a m ) 利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，因此f r a m 保持数据不需要电压，也不需要像d r a m 样周期性刷新。具有读写速度快， 非易失性的特点。主要功能包含2 5 6 k b 的存储空间、实时时钟、低压复位、看 门狗计数器、非易失的事件记数器和一个通用比较器，用于电源失效中断输出 或其他用途。本设计采用r a m t r o n 公司生产的f m 3 1 2 5 6 集成芯片，该芯片采用 两线错j j l 2 c 接口，最高达1m 总线时钟频率，其中铁电存储器部分可用于主控话 站存放来电信息、通话记录等信息，实时时钟日历部分可为装置提供准确的实 时时钟和日历，其主要特点如下： 高集成度用于替换多个器件 铁电非易失性r a m 实时时钟日历 处理器辅助功能 快速的二线制串行接口 方便使用的构造 f m 31 2 5 6 使用两线制接口，该芯片非常独特，它在一个芯片中集成了两个 功能不同的部件，每个部件可以被独立访问。虽然是单片集成电路，但系统软 件把它当成两个独立产品，一个是存储器，它拥有从机地址1 0 10 b ，第二个是 实时时钟和处理器伴侣，它拥有唯一的从机地址1 1 0 1 b 。一般把数据传输到总 线上器件定义为发送器，接收数据的器件为接受器，控制总线的称为主机。这 里用l p c 2 2 9 2 为主机，并为所有操作产生时钟。f m 3 1 2 5 6 永远作为从机。 f m 3 1 2 5 6 提供的实时时钟采用电池作为后备电源，它包括一个晶振、时钟 分频器和供用户访问的寄存器系统。它分割3 2 7 6 8 k h z 的时基信号以提供一秒 1 4 ( 1 h z ) 的分辨率，静态寄存器为用户提供了对时间的读写访问，寄存器包括 秒、分钟、小时、星期、日期、月、年。接口电路如图3 5 所示，1 2 c 串口线接 l p c 2 2 9 2 的1 2 c 1 口，a r m e n i t 2 接a r m 外部中断2 号引脚。 3 3 语音通话模块 图3 5f m 31 2 5 6 存储器接口电路 图3 6 语音通话电路 语音通话模块主要由前端送话放大器l m 3 5 8 、后端受话放大器l m 3 8 6 以及 外围电路构成，从而实现语音信号的发送、接收以及消除侧音等功能。该电路 适应性强、频响好、工作稳定，特别是具有较强的抗电磁干扰能力等特点，能 够在工矿等较差的工作环境中稳定工作。其原理图如图3 - 6 所示。 3 3 1 前端送话放大电路 前端送话电路由l m 3 5 8 及外围电路组成。l m 3 5 8 内部包括有两个独立的、高增益、内 部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也可工作于双电源