一种基于CAN总线的煤矿数字化扩音电话系统的设计

1、第1期2010年1月工矿自动化Industry and Mine AutomationNo.1Jan.2010经验交流文章编号:1671-251X (201001-0066-04一种基于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 -L IB 实现对语音数据在1024kbit/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

2、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:T D655文献标识码:BDesign of Digital Broadcast Telep hone System of Coal Mine Based on CAN BusDIN G En 2jie ,M IAO Shu 2guang ,ZHU Wei 2wei ,ZHAO Zheng 2fang ,L I

3、Yan 2wei (School of Information and Elect rical Engineering of CUM T.,Xuzhou 221008,China Abstract :The paper analyzed disadvantages of existing dispatching telep hone system in coal mine ,int roduced a design scheme of broadcast telep hone system based on Sunplus SPCE061A single 2chip microcomp ute

4、r and CAN bus.The system uses Sunplus audio compression coding algorit hm library to realize a voice co mp ression coding in 1024kbit/s ,so as to get voice data wit h middle and low rate which fit s t ransmissio n in CAN bus.For received voice data ,t he system uses relevant voice decoding algorit h

5、m to decode real 2timely and t hen sends t hem to amplifier module to drive loudspeakers.The testing result showed t hat t he system is reliable and stable wit h long t ransmission distance and high voice quality.It supplies a new solution to t he p roblem of real 2time in existing voice communicati

6、on system in coal mine.K ey w ords :coal mine ,broadcast telep hone ,digitalization ,CAN bus ,SPCE061A 收稿日期:2009-09-033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。E 2mail :cumt sieemsg 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

7、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

8、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

9、、M IC 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5V 电源供电,SPCE061A 的内核为3.3V 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5V 电压输出。WRB2405-2W 具有I/O 隔离1500DVC 、短路保护、输出可关断、功率密度、输出最大电流为400mA 等特点;选用凌阳公司SP Y0029型号的3.3V 稳压电源模块,它具有宽电压输入、最大输出电流为100mA 等特点。另外,电源模块采用三洋公司2200mA h 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

10、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2K B 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(A GC 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 -L IB ,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

11、CAN 总线通信部分,包括CAN 控制器S J A1000和CAN 收发器C TM8251T 。其中SJ A1000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。SJ A1000特有的接收栈(RXFIFO 总长为64B 。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。SJ A1000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CA

12、N 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16M Hz 。SJ A1000的复用地址/数据总线AD7AD0和SPCE061A 的IOA7IOA0直接相连。SJ A1000地址锁存引脚AL E 、读引脚WR 、写引脚RD 、片选引脚CS 、中断输出脚IN T 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。SJ A1000的MODE

13、管脚接高电平,这里选用的是IN TEL 模式,所以SJ A1000的读写时序对应地也应当选择IN TEL 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SJ A1000的读写时序图,用SPCE061A 编写专门对SJ A1000的读写函数程序,分别记作Read_SJ A1000(、Write_SJ A1000(,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 2500V ,电磁抗干扰EM I 性很强,电磁辐射EM E 低。与传统的需要隔离电

14、源模块、高速光耦、TJ A1050收发器等方案相比,C TM8251T 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120的终端电阻。2.3M IC 模块M IC 模块电路如图3所示 。图3MIC 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(A GC 的麦克风输入通道(M IC_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A GC 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,A GC 电路自动减小放大器

15、的增益;当输入信号减小时,A GC 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10W ,选用8、10W 的扬声器,实测分贝值可达到117dB ,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

16、储。网关装置通过MAX232芯片实现T TL 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 -L IB 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200Hz 3.4k Hz 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A PI 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

17、括SACM _A1600、SACM _DV R1600、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 _DV R1600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10kbp s 、12kbp s 、14kbit/s 、16kbit/s 、20kbit/s 和24kbit/s 六种可选的码率,可将8k Hz 、16bit 的音频以12.815.31的压缩比进行编码。系统软件程序流程如图5

18、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3km 左右,且要保证平均见得分MOS (Meant Opinion Score 在3.5分以上5,系统选用语音压缩编码的速率为16kbit/s 。考虑到干扰和系统冗余,CAN 总线位速率为20kbit/s 时传输的语音质量较好。由于SPCE061A 是1

19、6位的语音处理模块,S J A1000是8位的总线结构,1次最多存放8B 的数据,因此,S J A1000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16kbit/s ,1帧语音数据长度为16个字长,转换成字节为32B ,因此,CAN 总线采用查询发送方式,分4次发送,每次发送8B 。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Mirco soft 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