矿山井下架空人车监控通讯系统毕业论文.doc

中文题目：矿山井下架空人车通讯监控系统的设计外文题目：DESIGN OF COMMUNICATION MONITORING SYSTEM FOR MINE UNDERGROUND AERIAL VEHICLE 毕业设计（论文）共 73 页（其中：外文文献及译文23页） 图纸共3张 完成日期 2015年6月 答辩日期 2015年6月摘要在我国有大部分矿井采用斜井的开采方式，随着矿井的不断延伸，越来越多的矿井采用架空人车来输送人员作业，以降低人员的体力和时间消耗。但现有的缆车运人系统中，多采用状态信号触发方式，当有情况发生时，井上监控人员不能很好的了解现场情况，这样不但存在严重的安全隐患而且不方便控制决策的实施。本设计矿山井下架空人车通讯监控系统主要分为：轿厢机、中继站和控制台三个部分。轿厢机即为原有的矿井架空人车，在车内安装轿厢机系统使其能与中继站通过NRF24L01+无线模块通讯。中继站则安装在架空人车运行的巷道内，以一定距离分布用于接收或发送轿厢机与控制台数据。控制台安装在地面，配有显示模块，通过CAN总线与中继站通讯，在与指定轿厢机语音通话的同时实时监控其余轿厢的运行状况。关键词：无线通讯；架空人车；NRF24L01+；CAN总线IAbstractIn our country have most of the mine slope mining method, with the continuous extension of the mine, more and more vehicles to transport the overhead mine personnel assignment, to reduce the consumption of energy and time for staff. But the existing cable car transport system, how uses the state signal trigger mode, when there occurs, inoue monitoring personnel can not understand the situation very well, so that not only there are serious security hidden danger and is not convenient to the implementation of the control decisions. This design underground aerial mancar communication monitoring system mainly divides into: capsules machine, relay station and console three parts. Capsules machine for mine overhead man car, in capsules capsules machine system installed in the machine can make it with relay station by module NRF24L01+ communication. Relay is installed on the overhead of vehicle running tunnel, namely capsules machine orbit, to a certain distance distribution is used for receiving and sending the car machine and control data. Console is installed on the ground, a display and voice module, through CAN bus and relay communication, in the specified capsules machine voice calls and real-time monitoring of running state of the rest of the capsules. Key words: wireless communication; aerial ropeways; NRF24L01+; CAN bus I目录0 前言11 矿山井下架空人车及无线通讯技术概述21.1 矿山井下架空人车简介21.2 矿山井下无线通讯技术概述31.2.1 无线通讯技术的发展历程31.2.2 常用无线通讯技术原理及应用42 架空人车通讯监控系统整体方案设计82.1 整体系统结构及功能的设计82.2 轿厢机系统设计92.3 中继站系统设计92.4 控制台系统设计103 轿厢机系统设计113.1 轿厢机结构设计113.2 轿厢机的硬件设计113.2.1 轿厢机主控制器电路113.2.2 轿厢机无线通讯模块设计133.2.3 轿厢机语音模块设计163.2.4 轿厢机键盘电路213.2.5 轿厢机人员检测电路的设计243.2.6 轿厢机电源电路设计243.3 轿厢机系统软件的设计263.3.1 轿厢机系统主程序设计263.3.2 轿厢机无线通讯子程序的设计273.3.3 轿厢机语音通讯的软件设计284 中继站系统设计324.1 中继站结构设计324.2 中继站系统硬件的设计324.2.1 中继站CAN总线模块电路324.2.2 中继站无线通讯模块电路344.2.3 中继站电源电路354.3 中继站系统主程序设计354.3.1 中继站无线通讯模块软件设计365控制台系统设计385.1 控制台系统结构设计385.2 控制台系统硬件设计395.2.1 控制台主控制器电路395.2.2 控制台语音处理模块电路395.2.3 控制台显示模块405.2.4 控制台键盘模块设计415.2.5 控制台CAN总线模块电路425.2.6 控制台电源模块电路425.3 控制台系统软件设计435.3.1 控制台软件主程序设计435.3.2 控制台数据处理子程序446 硬件抗干扰设计456.1 抗干扰设计基本原则456.2 干扰种类及解决方法456.3 提高敏感器件的抗干扰性能467 技术与经济分析478结论48致谢49参考文献50附录A 译文 AMBE1000 用户手册51附录B 外文文献 原文62附录C 实物图片0 前言煤矿生产不仅关乎国家财产和人民生命安全，还关乎整个社会和谐稳定。随着我国经济的不断发展和人民生活水平的不断提高,“安全”这个词汇已经深入人心，人们已经对生活和生产中的安全问题加大了重视，生产安全也一度被定为最热的话题。本系统就是应生产生活的需要，本着“安全第一”的原则，对矿井中实际遇到的问题和难题而设计的系统。在过去的很长一段时间内，矿山井下的巷道是没有可以载人通行的车辆的，工人需要徒步上下矿井，这大大的增加了工人的体力消耗，也降低了生产效率，给生产工作带来了很大的不便。为了提高工作效率，减少工人的体力消耗，在矿山井下建设架空人车系统是非常重要的。河南省耿村煤矿斜井人车运输存在巷道底板因矿压变形的问题，解决问题需要大量的工作，因此，采用架空运输人车系统对原运输车进行改造是一个最为理想的方案。井下运输设备主要有斜井机和架空人车两种。架空人车与斜井机相比较，架空人车系统的电机功率远远小于斜井机的电机功率，可节约大量的电能与生产成本，也大大地降低了运行的成本。架空人车系统的结构简单、维护方便、能够连续工作、可多轿厢同时工作，运输效率更高。架空人车系统的安全性能远高于斜井机，功率远小于斜井机，对电能的节省效果非常明显，在矿山井下人员运输领域，具有前景非常好的应用前景，架空人车系统也会给企业带来良好的经济效益和社会效益。架空人车系统安装的适应性强，可以在大倾角、长距离及复杂变坡巷道环境的安装使用，具有上下人员方便、载人量大、操作简单、维护方便、一次性投资低、动力消耗小、可节约运行成本等优点。大量矿井采用的都是斜井机运输，不仅工作效率，更重要的是影响行车安全的因素多，运行和维护成本高。1 矿山井下架空人车及无线通讯技术概述1.1 矿山井下架空人车简介矿山井下架空人车系统，是煤矿井下人员运输设备，负责运输煤矿工作人员上下矿井或远距离运输人员使用。矿山架空人车系统由驱动电机设备、牵引绳索、拖拽绳索装置、人员乘坐的轿厢机、变坡点装置、迂回轮装置、张紧绳索装置及电机控制装置等部件组成。架空人车系统的工作原理为：牵引绳索安装在驱动轮、拖拽绳轮、压绳轮、迂回轮、张紧绳索轮上，呈无极封闭系统，经载重锤拉紧后，由驱动设备带动电动机输出动力带动减速电机上的驱动轮转动，输出大的力矩，利用牵引绳索和驱动轮之间的摩擦力带牵引绳索做循环运动，沿一定的轨迹运行，轿厢机由抱索器与牵引绳索锁紧，随牵引绳索运行来运输工作人员。井下运输设备主要有斜井机和架空人车两种。架空人车与斜井机相比较，架空人车系统的电机功率远远小于斜井机的电机功率，可节约大量的电能与生产成本，也大大地降低了运行的成本。架空人车系统的结构简单、维护方便、能够连续工作、可多轿厢同时工作，运输效率更高。架空人车系统的安全性能远高于斜井机，功率远小于斜井机，对电能的节省效果非常明显，在矿山井下人员运输领域，具有前景非常好的应用前景，架空人车系统也会给企业带来良好的经济效益和社会效益。架空人车系统安装的适应性强，可以在大倾角、长距离及复杂变坡巷道环境的安装使用，具有上下人员方便、载人量大、操作简单、维护方便、一次性投资低、动力消耗小、可节约运行成本等优点。架空人车系统的电机与轿厢实景图如图1-1所示。图1-1 矿山井下架空人车实景图Fig.1-1 Underground aerial vehicle Virtual Map但是架空人车系统在运行中还存在一些危险问题，例如制动闸失效，引起的飞车事故、牵引绳索意外脱落等事故。架空人车一般只有机头司机，机尾不设置信号工人，而事故多发生在司机视野盲区的地方，事故发生时的紧急解决方法主要靠轿厢内人员身体探出轿厢，拉动巷道内预设的紧急停车控制线来完成停车，但是此方法难以及时停车，从而造成事故的进一步恶化。另一方面，由于员工下班时身体疲惫，精神萎靡或进入睡眠状态的情况，容易在乘坐架空人车的时候出现坐车越位或与巷道发生摩擦擦伤皮肤，甚至会从车上掉落等严重后果。目前架空人车的控制系统主要是对其运行进行控制，主要涉及启停控制、速度控制、紧急停车保护控制、过速欠速保护控制等方面。而很少有对轿厢内人员进行监控和语音通信的控制系统。在架空人车系统工作过程中，设计一个通讯监控系统让控制台人员和轿厢内人员保持实时联系。通过监控控制系统实时了解轿厢内部的情况，以方便做出相应的调整，保证架空人车的正常运行。1.2 矿山井下无线通讯技术概述1.2.1 无线通讯技术的发展历程远距离无线通信已经有一百多年的历史，可以追溯到1901年马可尼将电报信息发送到一千八百英里外的大西洋彼岸。无线传输技术在20世纪经历了无线电、雷达扫描、电视信号、卫星和移动电话等不同的发展和应用阶段。在20世纪70年代末期，蜂窝无线通讯和个人通讯系统进入快速的发展阶段，这个时期是无线通讯技术发展的黄金时期，相继成功达到了第一代蜂窝系统（1G）、第二代蜂窝系统（2G）和第三代蜂窝系统（3G），到目前为止，无线通讯技术已经在现代社会中为人们提供了无处不在的移动通讯服务，能够满足人们语音通讯、数据传输、图像传送等诸多的需求。无线通讯网络，顾名思义是利用无线电磁波而非线缆来实现与设备位置无关的网络数据传输系统，是现代数据通讯系统发展的一个非常重要方向。随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了新型基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。这种基于无线技术的新型智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线线路直接在网络上传输、发布和共享。无线通讯技术能够在工厂、野外等环境下，为各种智能控制设备、移动机器人控制以及各种自动化设备之间的通讯提供高带宽的无线数据线路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下能够充分的弥补有线网络的不足，进一步完善了工业控制的通讯性能。无线通讯技术尤中移动通讯技术的发展，给无线通讯技术在工业控制领域的应用提供了坚实的技术基础，从上世纪80年代就普遍应用的电台与远程RTU，到近几年开始崛起的各种国际标准的中、短程无线通讯技术，此项技术已经逐渐渗透入工业控制领域中了。无线通讯技术已经成为现场总线、工业以太网技术后工业控制领域的又一个全新领域，国际主流自动化供应商与专业生产厂商所推出的无线通讯产品层出不穷，而近几年来的工业重点是无线局域网技术与中、短程无线通讯网络。无线通讯进入工业控制领域的前景毋庸置疑。目前主流无线通讯技术与标准主要含有WLAN、Bluetooth、Zigbee、WiMax、GSM/GPRS/CDMA等。1.2.2 常用无线通讯技术原理及应用目前，在工业自动化领域中无线通讯技术协议主要内容是：对于可用于现场设备层的无线短程网络，采用的主流协议是IEEE 802.15.4（例如ZigBee）；对于大数据容量的短程无线通讯，则是IEEE 802.15.3；而对于适应较大传输覆盖面积和较大量信息传输的无线局域网络，采用的是IEEE 802.11系列。其应用的重点是无线短程网络、无线局域网络及GPRS/CDMA网络3。（1）无线通讯传感器网络（Sensor Networks）现场设备层无线通讯技术迅速进入工业控制领域，其中一个技术核心是现场总线和无线通讯技术的结合。以Zigbee无限网络为例，其特点是：1）功耗低：由于工作周期短、收发信息功耗较低且可以采用休眠模式节约功耗。2）数据传输可靠性高：采用了避免碰撞机制技术，同时为需要固定带宽的通讯业务预留了专用通道，避免了发送数据时的竞争和冲突，减少了错误和乱码的几率。3）网络容量大：一个Zigbee网络可以容纳一个主机设备和最多65536个从机设备，一个区域内最多可以同时存在100个Zigbee网络。4）时延小：针对延时敏感的控制做了优化，通讯延时和休眠激活的延时都非常短。设备搜索延时典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入延时为15ms。5）兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全面的握手协议。6）安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。7）实现成本低：模块的硬件成本较低。典型的产品和应用为：2004年Honeywell推出的基于ZigBee协议的无线变送器XYR 5000系列；OMRON的无线链接Device Net现场总线主机WD30-ME和从机WD30-SE；德国schild knecht公司推出的无线Profibus-DP产品DE 3000系列；ABB在瑞典的Boliden加工厂利用Ember协议的无线技术进行的无线通信评估试验。（2）无线局域网WLAN(Wireless LAN)自从1977年第一个民用网络系统ARCnet投入运营以来，无线局域网以其广泛的适用性和价格较低等方面的优势，获得了成功并得到了快速的发展。然而，在天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究现场，一些工业环境限制了使用电缆进行通讯，有线局域网络很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了进一步的发展和应用。随着近年来微电子技术的不断革新和发展，无线局域网络技术将在工业控制的网络中发挥不可替代的作用。在工业自动化控制领域，有成千上万的测量元件、感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要相互连接在一个控制网络上，通常这些设备提供的都是RS-232或RS-485通讯协议的借接口。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口通讯信号与无线局域网及以太网络信号之间进行相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通讯协议，高效的解决了工业设备的联网通讯问题。无线网通讯协议可采用IEEE802.3来实现点一对一的无线传输方式或采用IEEE802.11实现多对一的无线传输方式，也可以在普通局域网的基础上，通过无线Hub、无线接入站、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，在这些方法中，工业现场以无线网卡使用最为普遍。有线固定网络与无线局域网相比之下，无线局域网组建自动化工业网络更有优势：1.无线网络拓扑更适合工业控制网络的应用：支持RS-232工业设备一对一的连接。2.支持广播的拓扑：多个RS-232工业设备可组成对等的网络，互相通讯。(RS-232通讯协议无法支持多对一通讯)。客户机/服务器的拓扑，每个RS-232工业设备都可以简单、快捷的接入无线网络中，极大程度的提高了信息分析处理能力。3.无需重新布线，省去了施工造成的成本：无线局域网利用无线电波传输信号，解决了于难于布线的环境中搭建数据传输网络的技术性难题。4.稳定安全性提升：在工业控制现场，铺设的线缆及其容易受到外界的接触导致破损，无线网络则保证了网络的安全性与稳定性。5.覆盖范围较广：无线局域网在开放空间覆盖半径可达达550米，室内一般覆盖半径为300-400米，通过室外无线设备传输距离可以达到几十公里，可是同样存在着缺点，那就是无限信号的穿墙能力弱。无线局域网现主要应用在远程视频传输、安防管理系统、生产设备联网自动化、医疗/实验仪器联网自动化、工业/流程联网控管等领域。（3）蓝牙无线技术(Bluetooth)蓝牙无线通讯技术是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年，共同提出的近距离无线数字通讯的技术标准。从提出该技术至今，蓝牙技术的发展极其迅速。蓝牙作为一种新生的，短距离无线通讯技术标准，受到全世界范围内的越来越多的工业生产厂家与研究机构的重点关注。近几年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在考虑蓝牙技术的标准是否有缺陷。例如，IEEE的标准化机构，已经成立了802.15工作组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容性问题和未来的发展方向等问题。IEEE 802.15.2 TG2是探讨蓝牙如何与IEEE 80211b无线局域网技术共存的问题；而IEEE 802.15.3 TG3则是研究未来蓝牙技术，向着更高速(如10-20Mbits/s)传输发展的问题。国内的一些生产厂家与研究部门也准备开始组织蓝牙技术产品的研发。蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通讯技术，工作频段是全球开放的民用的2.4GHz频段，可以同时进行数据、语音、图像等传输，传输速率可达到10Mb/s，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。蓝牙技术的应用极其广泛且富有潜力。它可以应用于无线设备、图像处理设备、安全设备、娱乐设备、汽车产品设备、家用电器、医疗健身、建筑、玩具等领域。（4）GPRS技术GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线通讯业务）是一个叠加在GSM上专为高速数据通讯而设计的新型网络，属于分组交换数据的承载和传输的一种方式，称为2.5G数字移动通讯技术，是GSM向3G移动通讯发展的必经阶段。它充分利用了现有的移动通讯网络的设备，通过在GSM网络上增加一些硬件设备和软件算法上的升级形成的一个新型的网络逻辑实体，手机通话继续使用GSM，而数据传输则使用GPRS。它采用分组交换方式传输数据，理论上最高数据速率可达170Kbps，客户可以在移动状态通话的同时使用各种高速数据传输业务。通俗的说，GPRS是一项高速数据处理的科技，它是以分组交换技术作为技术基础，将移动用户和数据网络之间建立起来联系，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务。GPRS目前支持TCP/IP和X.25业务、GPRS空中接口加密、GPRS附加业务、增强型短信业务、GPRS分组数据计费等等，其中最显著的是TCP/IP和X.25功能，可以通过TCP/IP和X.25提供电子邮件、WWW浏览、专用数据、LAN接入等业务。GPRS采用分组交换技术，在数据业务的承载和支持上具有显著的优势，每个用户可同时占用多个无线传输通道，同一无线传输通道又可支持由多个用户互相共享，能将无线网络上的信息资源利用的更加充分，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；支持的数据传输速率更高，理论最快速度可达170Kbps；按数据流量计费的计算方式更加灵活；GPRS还支持在进行数据传输的同时进行语音通话。本次系统设计根据应用的实际情况采用Zigbee无线通讯技术，并以此为基础实现架空人车系统的监控、控制、语音通讯等功能。2 架空人车通讯监控系统整体方案设计2.1 整体系统结构及功能的设计矿山井下架空人车通讯监控系统的主要功能是地面控制室人员对架空车厢进行实现监控，架空车厢内的人员可以在意外事故发生时按下紧急按钮，及时的通知地面控制室采取有效的安全措施，阻止事故的发生。由于架空人车在工作中不停的移动，传统的有线传输无法在架空人车上进行安装，因此本设计采用无线通讯模块作为架空人车和地面控制室人员进行信息交换和语音传输的传输工具。但是井下和地面间的距离太远，而且线路不是直线，单纯的只用无线模块无法将数据完好的传输至地面的控制台，由于这种现实情况的限制，我们在井下和地面间设立了中继站，中继站通过无线模块和架空人车通讯，再通过CAN总线将数据传输至控制台，进而间接地实现了架空人车和控制台的通讯。综上所述，可将整个系统主要分为三个部分：架空人车的轿厢通讯机（以下简称轿厢机），中继站和控制台（地面的总控制室）。轿厢机安装在架空人车的轿厢内，控制台安装在地面的控制室内，控制室的人员通过控制台监控轿厢的运行状况并与轿厢内的人员通讯。中继站安装在轿厢运行的巷道内，将轿厢机的数据通过无线接收到中继站，再将接收到的数据通过CAN总线传输到控制台。在地面控制室安装控制台，地面人员通过控制台和轿厢内人员进行语音通讯，并监控各个轿厢运行状况。系统设计的整体框图如图2-1所示。图2-1 系统设计整体框图Fig.2-1 All system block diagram车厢与上控制台通过中继站收发无线信号进行语音通信，轿厢中的工人可以随时向地面控制室报告车厢的运行状态并请求相关指令，控制台也可以随时询问各个车厢的运行状态以便做出相应的调整。如果地面控制台距离较远，可以在矿井和控制台间增加中继站以确语音保通讯的质量和轿厢的信息指令准确。系统设计完成以后，控制台可以一对一选择不同的车厢进行通讯，也可以以广播的方式对各车厢播报一些信息，每个车厢中工人也可主动要求与控制室进行通讯，实现双向通讯。系统的各部分功能及实现方案如图2-2所示。图2-2 系统功能结构图Fig.2-2 System function structure chart2.2 轿厢机系统设计轿厢机是本系统被监控的主要部分，是整个设计的核心。在这部分中主要分为无线通讯模块，语音编解码模块，电源模块以及主控制器。另外，为了提供更好的人机交互界面和方便的可操作性，轿厢内部还设有有按键部分。图2-3为轿厢机系统的组成。图2-3 轿厢机系统组成Fig.2-3 Subsystems of cable car2.3 中继站系统设计中继站作为控制台和轿厢机间的纽带，用于传输控制台和轿厢机的数据，主要工作方式是通过无线模块接收轿厢机的信号并读出其中的数据，然后再经CAN总线将接收的数据发送给控制台。其主要由电源模块，无线通讯模块，CAN总线接口以及主控制器组成。其结构框图如图2-4所示。图2-4 中继站系统组成Fig.2-4 Node machine subsystems2.4 控制台系统设计控制台主要完成与轿厢机系统的通讯，确保监控功能与语音通讯的实现。在控制台的工作人员可以通过按键来设置通讯方式，选择是以广播方式发布消息，还是一对一的方式和某一个车厢进行通话这时需要通过按键来选择通讯的对象，同时在显示屏上可以实时显示当前控制器所处的工作模式和通话轿厢的编号，如图2-5所示为控制台系统的结构框图，其中包括语音通讯与处理模块，键盘控制模块，主控制器模块、显示模块以及CAN总线接口。图2-5 控制台系统组成Fig.2-5 Control room system components上述为系统的总体结构的设计，下面主要对轿厢机，中继站和控制台三部分进行介绍。3 轿厢机系统设计3.1 轿厢机结构设计轿厢机系统安装在架空的乘人轿厢中，车内的人员通过轿厢机系统与井上控制台人员通讯。轿厢作为被监控的对象，是整个系统设计的主要组成部分。工作人员在乘轿厢下井的过程中，需要随时和地面上的控制台保持联系，为了确保轿厢正常运行和工作人员的人身安全。如图3-1所示，在轿厢机系统中，装有主控芯片，无线通讯模块，语音编解码模块等。工人可以随时向控制台发出通话请求建立通讯，同时也可以在没有通话时接收控制台的广播信息，方便执行任务。图3-1 轿厢机系统Fig. 3-1 cable car system components3.2 轿厢机的硬件设计3.2.1 轿厢机主控制器电路主控制器是整个设计的控制核心，无线通讯和语音的编解码都由单片机的控制来完成。考虑到整个系统对单片机的运算速度和资源的要求，本设计中采用的主控制器芯片是MK60DN512ZVLQ10（简称 K60）。MK60DN512ZVLQ10单片机是Freescale半导体公司自主设计并制造的32位高性能通用嵌入式微处理器。MK60DN512ZVLQ10是Cortex-M4系列的ARM，内部的数据是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32位的。MK60DN512ZVLQ10采用哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行进行，大大提高运算速度。K60芯片使用多组电源引脚分别为内部电压调节器、I/O引脚驱动、A/D转换电路等电路供电，内部电压调节器位内核和振荡器等供电。K60控制器技术成熟，可靠性强，抗干扰与电磁兼容性非常强，内部资源非常多，接口模块包括SPI、SCI、I2C、UART、CAN、A/D、PWM、Flash等等。主频晶振为50MHz，可以通过锁相环电路，将单片机的工作频率倍频到200MHz，且稳定工作，大大提升单片机的运算速度。它不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域中具有广泛的应用，而且在Flash存储控制及加密方面也有很强的功能，片内具有512kb的Flash模块，可以存储大量数据，无需外加EEPROM芯片。主控芯片电路图如图3-2所示。图3-2 主控芯片MK60DN512ZVLQ10Fig.3-2 Master chip MK60DN512ZVLQ10虽然MK60DN512ZVLQ10将CPU、ROM、RAM以及IO统统集成在一个集成电路芯片中，但仍然需要一些匹配的外部电路。主控制器模块外围电路如图3-3所示。包括电源供电指示灯电路，晶振时钟电路，复位电路以及JTAG程序下载电路。JTAG程序下载端口结合机载软件IAR可实现程序的单步或同步调试功能，可以在线仿真同步看变量动态数值等人性化的功能。复位电路的作用是当系统处于不稳定工作时或跑飞时，可按下复位键使程序从头重新运行。晶振时钟电路主要给主控芯片提供工作时钟，它决定着系统工作速率的快慢，输出端分别接K60的EXTAL和XTAL引脚，MK60DN512ZVLQ10有内置的RTC时钟芯片，可以在EXTAL32和XTAL32引脚外接一个32.768M晶振，来实现时间计时功能，功耗低，计时准，可以当万年历使用。电源指示LED灯用来显示是否正常供电，LED灯亮表示K60正常供电，开始工作，LED灯功耗小，是稳定的冷光源，不易故障，稳定时间可达10年之久。 图3-3 K60外围电路Fig.3-3 K60 peripheral circuits3.2.2 轿厢机无线通讯模块设计无线模块作为轿厢机和中继站间的通讯工具，其通讯质量的好坏直接决定了整个系统的通讯质量。本设计无线通讯模块采用nRF24L01+模块。nRF24L01+是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置了频率合成器部分、功率放大器部分、晶体振荡器部分和调制器部分等功能模块，输出功率和通讯通道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF24L01+可以使用同一天线，同时接收两个不同通道的数据。nRF24L01+适用于多种无线通讯的场合，例如无线数据通讯系统、遥控开锁等。图3-4 无线通讯模块电路Fig.3-4 Wireless communication module circuit无线通讯模块nRF24L01+主要有以下几个特点：宽电压工作范围，1.9V3.6V工作温度范围，-40+80工作频率范围，2.400GHz2.524GHz数据传输速率，250Kbps、1Mbps低功耗设计，接收时工作电流18mA，0dBm功率发射时13mA，掉电模式时仅为400uA多通道工作模式，125个数据通道，通道切换时间200us，满足多点通讯和调频需要硬件的CRC校验和点对多点的地址控制SPI通讯端口，适合与各种MCU连接，编程简单可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度MCU可通过接收完成引脚快判断是否完成数据接收图3-5 无线通讯模块Fig.3-5 Wireless communication modulenRF24L01+的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF24L01+工作模式的介绍，我们可以知道，nRF24L01+一般工作于ShockBurstTM收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，接下来重介绍把nRF24L01+配置为ShockBurstTM收发模式的器件配置方法。ShockBurstTM的配置字使nRF24L01+能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF24L01+工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分：（1）数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF24L01+能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码；（2）地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF24L01+能够区分地址和数据；（3）地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址；（4）CRC：使nRF24L01+能够生成CRC校验码和解码。当使用nRF24L01+片内的CRC技术时，要确保在配置字中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。在配置模式下，注意保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入nRF24L01+。在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。通过以上了解到无线通讯模块的操作主要是与主控制芯片之间的交流，所以要取得无线通讯的良好效果，最主要是实现主控制芯片程序的初始化，使接收和发送数据的时候不出现错帧现象，同时采用一定的滤波电路，可减少恶劣环境的电磁干扰。nRF24L01+无线模块的模式介绍：（1）直接收发模式在直接收发模式下，nRF24L01+如传统的射频收发器一样工作。当微控制器有数据要发送时，把CE置高；nRF24L01+射频前端被激活；所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和CRC校验码)。直接接收模式一旦nRF24L01+被配置为直接接收模式，DATA引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在)；CLK1引脚也开始工作；一旦接收到有效的字头，CLK1引脚和DATA引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器；这头必须是8位；DR引脚没用上，所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。（3）配置模式在配置模式，15字节的配置字被送到nRF24L01+，这通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。（4）空闲模式nRF24L01+的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF24L01+片内。（5）关机模式在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF24L01+片内，这是该模式与断电状态最大的区别。3.2.3 轿厢机语音模块设计语音处理模块的框图如图3-6所示，其中AMBE-1000是语音处理模块的核心，是数字化语音通讯的主要模块。当压缩语音数据时，它可以通过话筒采集语音信息，将语音信息压缩，然后被主控制芯片K60读取并储存。当处于解压语音数据时，主控制芯片K60将语音压缩后的数据发送给语音芯片，语音芯片解压语音压缩数据，然后通过D/A转换器，接下来将语音的模拟信号放大，再通过喇叭播放出去。图3-6 语音通讯模块结构框图图3-6 语音通讯模块框图Fig.3-6 Voice communications block diagram1）语音处理模块根据对语音构成的分析，应运而生了多种针对音频信号的压缩编码算法，如CELP、RELP、VSELP、MP-MLQ、LPC-10、MBE等，它们通过不同的算法，实现对音频信号的编码。这些压缩编码算法的压缩速率、语音清晰度各有所长，其中美国DVSI（Digital Voice System Inc）公司提出的AMBE（Advanced Multi-Band Excitation）压缩编码算法较为杰出。AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有音质好且编码速率较低等优点，编码速率低可以减轻单片机的负担。AMBE-1000是一款高性能、多速率的语音编码/解码芯片，语音编码/解码速率可以在24009600bps之间以50bps的间隔变化，即使在2400bps的时候，仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。在芯片内部有相互独立的语音编码/解码单元，可实现同时编码与解码，并且所有的编码/解码操作都能在AMBE-1000内部完成，不需要额外的存储器。AMBE-1000的这些特性使它非常适合于语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合，也正是这款芯片被广大产品应用的原因。 图3-7 AMBE1000芯片Fig.3-7 AMBE1000 chipAMBE1000是 Digital Voice Systems公司的语音编/解码芯片，用来实现双工的语音编码/解码等功能，能实现较低传输速率要求下的高质量通话。它采用先进的 AMBE压缩算法，压缩速率最低可达2.4Kb/s。目前，这种算法因其能实现低速率传输与高音质的优点，在世界范围内得到了广泛应用。AMBE-1000具有很多优秀的独特之处： 低硬件成本与高音质，无需外部设备，具有比特差错低与背景噪声效果良好的特性，可变传输速率范围在2.4Kb/s9.6Kb/s，可自动插入舒适噪声，也可以认为插入舒适噪声，可选的串行与并行接口，自带回声抑制功能，DTMF信号的检测与产生，低功耗。AMBE-1000最基本的组成部分就是两个独立的编码器与解码器。编码器接收8KHZ采样的语音数据（16bit线性，8bit A律，8bit U律）并以一定的速率输出数据。同理，解码器接收数据并合成语音数据。编码器与解码器接口的时序是完全异步的，完全独立。AMBE-1000读写一帧数据所需的时间远小于 20ms，在20ms间隔内，单片机除了能够读取1帧或写入1帧数据外，还有大量的时间处理其他的事件。这种特性可以大大地减轻单片机的负荷，也可能使得单片机在半双工的低速通道内实现全双工的语音通话。AMBE-1000采用A/D-D/A芯片CSP-1027S作为语音信号的接收。输入输出的语音数据流的格式是相同的（16bit线性的，8bit A律，8bit U律）。AMBE-1000芯片如图3-7所示。 图3-8 CSP-1027S电路Fig.3-8 Voice processing circuit after2）A/D-D/A转换芯片CSP-1027SCSP-1027S是A/D-D/A转换芯片，其外接电路如图3-8所示。CSP-1027S芯片有回声抵消、VAD（语音激活检测）、睡眠模式、数据/前向纠错速率等功能，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧数来决定，并且送往解码器用于控制的数据和语音数据是不同的。A/D-D/A芯片的选择对本系统的语音通讯的音质有着极为重要的影响。用A律与U律在采样时对数据做压缩可以减少压缩后的数据位数，为了提高声音音质，采用了16 bit线性的芯片。选择芯片时要特别注意信号与噪声的比例，以及滤波器的频率响应是否够快。 A/D-D/A的接口可以通过软硬件对其进行操作，时钟和激励信号可以由外部高低电平送入，也可以由单片机产生。由于D/A转换输出的模拟信号电流很低，功率很小，不能直接驱动扩音器，所以在D/A芯片的输出还需要添加一个功率放大芯片，在这个系统中功率放大芯片采用AB类功放芯片。该芯片的驱动功率可达2W，也可以通过放大比例调节输出的音量，所以特别试用于嘈杂的场所。信道接口使芯片易于与设计的系统相连接。基本的信道接口有串行口和并行口，有两种工作模式，主动模式和被动模式，模式选择的信号可以在芯片内部进行设定也可以通过外部电平输入。AMBE-1000正常工作时，每20ms输出一帧压缩数据，压缩后的数据送给AMBE-1000的进行解码操作。AMBE-1000的编码器和解码器的数据有固定的格式，固定格式的目的就是为压缩数据提供对齐信息，防止乱码。AMBE-1000的格式有帧格式和非帧格式。并口模式只在帧格式时工作，串口模式在帧格式和非帧格式皆可以工作。帧格式和非帧格式都为了实现相同的功能：为压缩语音数据提供定位信息。在帧格式模式时，每20ms编码器输出一帧固定格式数据数据，其中包含了10位控制位。实际上就是按一定的波特率压缩数据，将这些数据信道间传输。在帧格式下，系统需要在传送编码数据的同时传送足够的信息，这些信息可以使解码器解压缩语音数据。 非帧格式下，编码器的输出数据实际是连续的声音压缩数据，这些压缩数据中不仅包含了语音数据，还包含了帧的数据信息。这种非帧格式会减轻信道的带宽负荷。缺点是解码器在解码语音数据前需要接收10-12帧的数据才能达到与数据同步的目的。非帧格式下，每帧只指定一位数据用于语音数据的对齐，在更高误码率的信道中，需要增加更多的对齐位才使数据更好的还原（用帧格式就能很容易实现）。当工作于帧格式时，信道数据的接口可以是串行或并行。而非帧格式只可以工作于串行。帧格式可以工作在主动模式和被动模式，非帧格式却只能工作在被动模式。压缩数据由两部分组成：语音数据和前向纠错数据。前向纠错数据加到语音数据中，可以使解码器能够纠正一定量的错误数据，而使数据能够使用。如果信道传输时误码率较多，那么就应该增加前向纠错数据的位数。当然要提高声音音质，就必须有更多的语音数据位。2） 音频放大电路图3-9 LM4890音频放大电路Fig.3-9 LM4890 audio amplifier circuit语音处理模块图片如图3-10所示。AMBE-1000是一款非常优秀的语音处理芯片；其能达到的最低压缩速率和音质来看，已经达到了极为先进的水平。这使得它得到了广泛应用与良好的使用前景；但是其压缩算法为非标准语音压缩算法，致使由AMBE-1000构成的语音处理系统只能用在某些专用网上。即便如此，它仍不失为在语音处理领域一款优秀的处理器。图3-10 语音处理模块Fig.3-10 Voice processing module3.2.4 轿厢机键盘电路相对普通的矩阵键盘，由硬件进行译码是编码键盘的优点，减轻了CPU的负荷，软件简单，但是电路相对普通矩阵键盘要复杂一些。在工作过程中，微处理器既要接收和处理CAN总线上的数据，还要对大量的语音数据进行处理和播放，工作量比较大，所以为了减少CPU的时间和资源占用，决定了采用编码键盘，如图3-11所示。编码键盘的硬件图如图3-11所示，由16个按键，两片74LS148编码器，4个PNP三极管和电阻组成。图3-11 编码键盘原理图Fig.3-11 Schematic coding keyboard74LS148是8线-3线