功放模块设计 - 基于CAN总线的语音节点设计方案

功放模块设计块设计 基于 CAN 总线总线的的语语音音节节点点设计设计方方 案 关键词 关键词 语音 CAN 总线 文章针对现有的模拟广播系统存在抗干扰能力弱 传输距离短等不足 进行了基于 CAN 总 线的数字语音通信系统的研究 给出语音通信系统的总体构成 并对节点各模块进行详细 设计 核心部分采用内置 CAN 控制器 PIC18F458 单片机作为控制器 与独立的 CAN 收发 器 CTM8251 构成 CAN 收发模块 采用低传输速率和高通话质量的 AMBE 1000 芯片作为语音 编码器 测试表明 节点间可以实现可靠 语音质量高的实时性通信 引言 CAN 总线以其短帧 无损仲裁 多主工作方式 干扰能力强而应用于许多工业领域 如汽车行业 煤矿安监系统 智能仪表系统等 基于 CAN 总线的数字语音通信系统就是利 用 CAN 总线的特点而设计的 利用该系统调度室可以在同一时间内通知矿井中的所有工作 人员安全撤离 并按照矿井应急预案指挥抢险救灾 井下人员也可以及时与调度室联系 及 时通报情况 井下也具有局部通信功能 方便井下人员直接的联系和通报事情 1 语音通信系统的总体结构 基于 CAN 总线的语音通信系统的整体结构如图 1 所示 图 1 系统总体框架图 该系统由上位机 PC 网关节点 语音节点 通信电缆 终端等构成 采用总线型网络 多主访问机制 地面可以通过上位机 PC 对网关节点进行操作 实现对井下各个语音节点 的任意呼叫 即点播方式 各个组的语音节点的呼叫 即组播方式 或全部呼叫 即广播方式 功 能 井下各个语音节点也可以呼叫网关节点 网关节点将该语音节点的 ID 上传给上位机 PC 并 且井下各个语音节点可与其它同组的语音节点进行组内通话通信 在 CAN 总线结构中 节 点是可以灵活接入的 这是 CAN 总线网络最有优势的地方 同时 由于不分主从 因此 每一个节点都可以接收信息或者在总线空闲的时候发送信息 这是 CAN 总线的另外一个比 较重要的优势 2 语音节点硬件电路设计 语音数据通过麦克风输入 经过 MAX9814 进行放大 然后送到数模转换模块进行 A D 转换 再通过语音处理模块将数据压缩打包传送给微处理器 微处理器通过 CAN 收发器将 数据传到总线上 总线上的信息通过收发器传送给微处理器 通过微处理器传至语音处理模 块 对其解压缩 送到模数转换模块进行 D A 转换 输出模拟信号再经过功放模块进行功 率放大送到扬声器 最后由扬声器输出语音信号 语音节点总体结构如图 2 所示 图 2 语音节点总体结构图 2 1 处理器模块 处理器模块是语音通信节点的计算核心 所有的设备控制 任务调度 能量计算和功 能协调 通信协议 数据整合和数据存储程序都将在这个模块的支持下完成 所以处理器 的选择在语音通信节点设计中是至关重要的 本设计采用带有 CAN 控制模块的 PIC18F458 4 单片机作为微控制器 MCU 以实现对 AMBE 1000 CTM8251 MAX9814 MAX9736 等芯片的操作控制 同时 单片机还需要控制一些按键和指示灯 在语 音节点硬件设计中 PIC18F458 与各部分接口电路以及复位电路如图 3 所示 图 3 PIC18F458 与各部分接口 拨码开关部分电路如图 4 所示 用来设置语音节点的标识符 ID ID9 ID0 依次对应 拨码开关的 10 1 其中拨码开关上的 10 6 键为组号 5 1 键为节点号 且拨码开关处于 ON 的电平值为 0 反之为 1 每个节点根据标识符来判断自己是否需要接收报文 图 4 拨码开关 2 2 CAN 收发器模块 在实际应用中 PIC18F458 需要接一个 CAN 收发器 以提高总线驱动能力 CTM8251 是一款带隔离的通用 CAN 收发器芯片 该芯片内部集成了所有必需的 CAN 隔离及 CAN 收 发器件 这些都被集成在不到 3 平方厘米的芯片上 芯片的主要功能是将 CAN 控制器的逻 辑电平转换为 CAN 总线的差分电平并且具有 DC 2500V 的隔离功能 其接口电路如图 5 所 示 图 5 CTM8251 接口电路 2 3 语音处理模块设计 2 3 1 AMBE 1000 的主要特点 在语音处理中 编码芯片是核心部分 本设计采用的是 AMBE 编码 AMBE 1000 是美 国 DVSI 公司研制 Lucent 公司生产的一款成熟的双工声码器芯片 用来实现双工的语音 压缩 解压缩功能 能实现低传输速率下高质量的通话 它采用先进的 AMBE 压缩算法 压 缩速率最低可达 2 4Kbps 目前这种算法以其能实现的低传输速率和高通话质量而在世界 范围内得到了广泛应用 甚至用在下一代移动通信系统中 AMBE 1000 可看成由两个分开 的编码器和解码器组成 编码器接收 8kHz 的语音数据采样流 如 16 位线性的 8 位 A 律 的或 8 位 律的 和输出一个期望的波特率的信道数据流 反之 解码器接收一个信道数 据流并合成一个语音数据流 AMBE 1000 的编码器和解码器的接口时序是完全异步的 5 压缩数据从编码器出来要通过一个接口送到解码器 该接口就是信道接口 基本的信道接 口包括串口和并口 管脚 CH SEL 2 0 的配置将决定使用哪种接口 串口和并口都能工作 于主动模式和被动模式 主动和被动是指激励信号是由本芯片给出 还是由外部模块送入 2 3 2 AMBE 1000 与处理器模块接口电路 串行模式下 AMBE 1000 通过 CHS DI 和 CHS DO 输入 输出 16 位的数据字 声码器 AMBE 1000 工作在被动模式 与控制器之间采用串行方式传送数据 两者之间接口如图 6 所示 图 6 AMBE 1000 与控制器接口 AMBE 1000 中语音编码率和前向纠错编码率的选择可以是独立的 这些码率可以通过 命令帧的方法配置 也可以通过硬件管脚 BPS SEL 3 0 pin 3 4 5 6 来配置 本设计 中设定 AMBE 1000 的语音编码率为 2 4Kbps 故管脚 BPS SEL 3 0 均通过电阻接地 2 3 3 语音 A D D A 模块设计 对于一个高质量的语音通信系统 A D D A 芯片的选择至关重要 在选择 A D D A 芯 片时 需要考虑这些芯片的信噪比和滤波性能 一般应优先考虑那些 16 位线性 A D D A 芯 片 以获得较高的语音质量 对于任何一种与之相连接的 A D D A 芯片 AMBE 1000 都 采用 8kHz 语音数据采样率 这些 8 kHz 数据通过串行接口输入 或者输出 到 AMBE 1000 可以通过软件 发送命令帧 或者硬件方式 进行 A D D A 接口的选择和配置 本系 统采用的 A D D A 芯片是 CSP1027 这是一款带有 16 位串行 A D 和 D A 的芯片 符合 CCITT G 712 语音频带响应和信噪比规范 其采样频率可高达 24KHz 它采用低功耗全静态 逻辑设计 在数字电源 3 3V 模拟电源 5V 工作时 典型功耗 68mW 待机功耗 0 05mW CSP1027 与 AMBE 1000 之间采用串行工作方式 二者的接口电路如图 7 所示 经 MAX9814 放大后的麦克风语音信号由 45 号管脚 MICIN 送入 CSP1027 进行 A D 转换 然 后经 21 号管脚 DO 送入 AMBE 1000 进行压缩编码 相反地 AMBE 1000 解码之后的数字 语音数据要送入 CSP1027 芯片进行 D A 转换 TX DO 与 DI 相连接 恢复出的模拟语音信 号由 43 号管脚 AOUTP 输出 并通过此管脚将模拟语音信号送出 MAX9736 进行功率放大 最后通过扬声器播放出来 图 7 CSP1027 与 AMBE 1000 的接口 2 3 4 语音采集模块设计 本模块的作用是将麦克风微弱语音信号放大给 A D 转换器 本系统采用了具有自动增 益控制 AGC 功能的 MIC 放大芯片 MAX9814 该芯片是 Maxim 推出的低成本 高品质麦克 风放大器 器件具有低噪声前端放大器 可变增益放大器 VGA 输出放大器 麦克风偏置 电压发生器和 AGC 控制电路 MAX9814 的电路设计如图 8 所示 麦克风语音信号通过管脚 8 MICIN 输入 MAX9814 芯 片 进行语音信号放大 之后从管脚 6 MICOUT 输出 输出的信号送到模数转换模块即 CSP1027 进行 A D 转换 图 8 MAX9814 电路设计图 2 3 5 功放模块设计 由于井下语音节点使用环境比较嘈杂 因此需要配备功放来驱动井下的喇叭 本系统 采用的功放芯片为 Maxim 的 MAX9736 可以工作在 8V 至 28V 并具有高 PSRR 无需稳压 电源 MAX9736 采用 12V 供电时效率可达 88 语音数据经过解码 D A 转换等恢复为模拟信号 输出的模拟信号要在经过语音模块 进行功率放大送到扬声器 该模块电路设计如图 9 所示 图 9 功放模块电路设计图 3 语音节点软件流程设计 语音节点可以与网关节点和组内其他语音节点进行通信 当与网关通话按键按下后 Button Gate 0 打开本地 MIC 关闭本地功放 让 AMBE 1000 工作 修改发送缓冲器标识符 使仅网关节点能接收到该语音数据 等待编码器编码 完毕 EPR 1 从 AMBE 1000 中读取编码后的数据 然后将压缩编码后的语音数据发送到 CAN 总线上 发送完毕后需要关闭本地 MIC 使 AMBE 1000 休眠 当与组内其他节点通话按键按下后 Button Group 0 工作过程和与网关节点通话过 程基本相同 只是发送缓冲器标识符不同 语音节点主程序流程如图 10 所示 当作为接收节点