煤礦數字通信系統設計

摘要 針對煤礦井下安全，提供了一種數字語(yǔ)音通信解決方案。該方案采用MBE壓縮技術(shù)實(shí)現語(yǔ)音數據的壓縮，并使用了STM32F107作為主控芯片，用主控芯片自帶的CAN總線(xiàn)控制器實(shí)現遠距離實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸。文中介紹了該系統的軟硬件設計，經(jīng)測試，該系統在實(shí)際環(huán)境中具有良好的穩定性和實(shí)時(shí)性。

中國作為產(chǎn)煤大國，煤礦安全一直都是重中之重。如何保證井下和井上之間可靠的實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信，越來(lái)越受到關(guān)注和重視。目前煤礦通信系統主要分為兩種：一種是調度電話(huà)，包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)電話(huà);另一種是井下局部擴音電話(huà)系統。對于數字通信方式，目前許多公司仍采用模擬信號來(lái)實(shí)現煤礦語(yǔ)音系統，與數字語(yǔ)音通信系統相比，其存在不穩定、不靈活等缺點(diǎn)，而現階段模擬通信系統已逐漸被代替。目前，現場(chǎng)總線(xiàn)已發(fā)展成為集計算機網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)控制、生產(chǎn)管理等內容為一體的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。由于現場(chǎng)總線(xiàn)分布在自動(dòng)化應用的各個(gè)角落，給設計者和使用者提供了方便，但這些應用均被限制于數據傳輸。本設計基于CAN總線(xiàn)構建井下對講系統，與其他通信方式相比，其具有較好的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性。

1 系統總體設計

系統結構框圖如圖1所示，一語(yǔ)音節點(diǎn)經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)采集聲音信號，以8 kHz采樣進(jìn)行A/D量化成16位數據，然后經(jīng)語(yǔ)音壓縮芯片進(jìn)行數據壓縮，并傳輸給STM32處理器，處理器經(jīng)CAN收發(fā)器傳輸至井下語(yǔ)音CAN總線(xiàn)上。其他語(yǔ)音節點(diǎn)通過(guò)CAN收發(fā)器接收井下語(yǔ)音CAN總線(xiàn)上的壓縮數據，經(jīng)語(yǔ)音解碼芯片進(jìn)行解碼后通過(guò)D/A轉換，再由擴音器播出。

1.1 硬件設計

本系統應用于井下皮帶保護系統，具有采集井下皮帶工作狀態(tài)信息和控制井下皮帶運作，同時(shí)還具有語(yǔ)音通信系統。處理器作為系統核心，需對語(yǔ)音信息、皮帶工作信息及其通信協(xié)議進(jìn)行處理、整合、儲存、調度，因此處理器的選擇是關(guān)鍵。系統采用ST公司的互聯(lián)性系列控制器STM32F107作為模塊處理器，此芯片具有較強的工業(yè)性能，系統時(shí)鐘最高可達72 MHz，標準外設有10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12位1-Msample/s AD、兩個(gè)12位D/A、兩個(gè)I2C接口、5個(gè)USART接口和3個(gè)SPI端口以及高質(zhì)量數字音頻接口IIS。另外STM32F107擁有全速USB(OTG)接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊，以此滿(mǎn)足皮帶保護系統。系統使用其中一路用來(lái)實(shí)現語(yǔ)音通信;另一路用來(lái)實(shí)現現場(chǎng)管理及現場(chǎng)控制。處理器部分電路如圖2所示。主控芯片除了必須的復位、晶振、電源等電路外，還包括了與CAN總線(xiàn)收發(fā)增強器以及與AMBE-1000語(yǔ)音編碼芯片的連接。主控芯片STM32F107與AMBE-1000之間采用SPI同步出口連接，而AlMBE-1000與CSP-1027S之間采用了專(zhuān)用的同步接口連接，該種接口無(wú)需增加額外的單片機驅動(dòng)便可進(jìn)行通信。最后將CSP-1027S與麥克風(fēng)、揚聲器之間進(jìn)行連接。

CAN總線(xiàn)傳輸距離是以犧牲帶寬為代價(jià)，因此需在保證良好語(yǔ)音質(zhì)量的條件下，采用較低語(yǔ)音比特率傳輸，表1為CAN總線(xiàn)傳輸距離與波特率關(guān)系。

為保證高保真、低帶寬語(yǔ)音通信，系統采用MBE技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)音壓縮。數字語(yǔ)音壓縮目前在多媒體信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中應用廣泛，而壓縮技術(shù)也較為成熟。由于采用DSP進(jìn)行數字語(yǔ)音壓縮，算法復雜且價(jià)格昂貴，故本系統采用單片集成芯片AMBE-1000進(jìn)行語(yǔ)音壓縮。AMBE-1000是一款高性能多速率語(yǔ)音編解碼芯片，采用MBE技術(shù)的語(yǔ)音壓縮算法，具有語(yǔ)音音質(zhì)好和編碼速率低等優(yōu)點(diǎn)，語(yǔ)音編解碼速率可在2.4～9.6 kbit·s-1之間以50 kbit·s-1的間隔變化，即使在2.4 kbit·s-1時(shí)，仍可保持自然的語(yǔ)音質(zhì)量和可懂度。所有編碼和解碼操作均在芯片內部完成，無(wú)需額外的存儲器。這些特性使其適用于本系統設計。系統中CAN波特率設為18 kbit·s-1，傳輸距離≥2 km。

AMBE-1000集成編碼器和解碼器，兩者相互獨立。編碼器接收8 kHz采樣的語(yǔ)音數據流并以一定的速率輸出信道數據。相反，解碼器接收信道數據并合成語(yǔ)音數據流。編碼器和解碼器接口的時(shí)序是完全異步的，其工作信道結構如圖3所示。語(yǔ)音信息經(jīng)過(guò)發(fā)送方的AMBE-1000編碼器被壓縮為數字語(yǔ)言編碼，經(jīng)CAN總線(xiàn)傳入接收方的AMBE-1000解碼器，再經(jīng)由解碼器得到發(fā)送方的語(yǔ)音信息。同樣，原接收方也可由相同的方式將自身的語(yǔ)言信息傳遞至原發(fā)送方。

AMBE-1000采用A/D-D/A芯片作為語(yǔ)音信號的接口。為滿(mǎn)足要求與性能，系統選用A/D-D/A芯片CSP1027S與AMBE-1000作為接口連接。芯片集成16位串行A/D和D/A，由低功耗的CMOS技術(shù)和低電壓數字系統設計而成，其模擬接口處內置了前置放大器，因此可以輸入較小的語(yǔ)音信號。符合G.712語(yǔ)音頻帶響應和信噪比規范，最高采樣率可達24 kHz，滿(mǎn)足AMBE-1000編碼要求。其與AMBE接口電路如圖4所示。

為提高處理器CAN總線(xiàn)的驅動(dòng)能力，需在處理器與現場(chǎng)總線(xiàn)間增加CAN收發(fā)器。系統選用周立功的CTM8251，該芯片內部集成了CAN所必需的隔離及收發(fā)器件。該芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線(xiàn)所必需的差分電平，并具有DC-DC隔離功能，其接口電路如圖5所示。

1.2 軟件設計

系統軟件在Keil4開(kāi)發(fā)環(huán)境完成設計，同時(shí)該開(kāi)發(fā)環(huán)境與Jlink-v8配合可實(shí)現在線(xiàn)調試功能，為本系統的完成提供了方便。

軟件基于模塊化設計，不同模塊完成相應功能。首先，開(kāi)機進(jìn)入設備初始化功能，其中包括系統時(shí)鐘配置、管腳配置、CAN控制器配置、AMBE-1000初始化等。系統時(shí)鐘配置為72 MHz，這是主控芯片STM32F107所能達到的最高工作頻率，在該頻率下?lián)碛凶銐蚋叩男蕘?lái)處理各外設信息。對管腳的配置包括對按鍵和部分外設I/O口的配置，對CAN總線(xiàn)控制器的配置主要為傳輸速度配置。因井下一般兩節點(diǎn)距離3 km，且語(yǔ)音經(jīng)過(guò)壓縮后為8 kbit·s-1，所以將CAN總線(xiàn)傳輸速率配置為9 kbit·s-1，這便滿(mǎn)足了3 km的傳輸要求。AMBE-1000的初始化主要為通信接口的初始化，其通信接口為SPI同步串口，可直接與主控芯片的SPI接口連接。

系統啟動(dòng)后進(jìn)入正常工作模式，當有語(yǔ)音按鈕按下時(shí)，處理器進(jìn)入語(yǔ)音采集模式，并通過(guò)SPI使能AMBE-1000，AMBE-1000將話(huà)音數據每20 ms壓縮為一個(gè)語(yǔ)音數據包，再經(jīng)由STM32主控芯片將壓縮包上傳至CAN總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)接收端配置成中斷模式，當有語(yǔ)音數據接收時(shí)，觸發(fā)中斷并將該數據壓縮包經(jīng)過(guò)SPI同步串口傳入AMBE-1000，并控制其進(jìn)行解壓縮并播放。在解碼器部分，當其檢測到丟失一幀語(yǔ)音數據時(shí)，能依據上一幀數據盡量真實(shí)地預測下一幀語(yǔ)音數據，同時(shí)給出適當的語(yǔ)音信號。系統流程如圖6所示，中斷程序流程如圖7所示。

1.3 實(shí)驗結果

系統在實(shí)驗室的測試方法如圖8所示。

測試系統由兩個(gè)語(yǔ)音節點(diǎn)組成，兩節點(diǎn)之間由20 m線(xiàn)長(cháng)相連接，并在一號節點(diǎn)放置信號發(fā)生器，二號節點(diǎn)放置示波器與分貝計。因人聲頻率范圍為300～3 400 Hz之間，所以信號發(fā)生器分別取在該范圍內的5個(gè)點(diǎn)作為測試點(diǎn)，測試結果如表2所示。

對應這5個(gè)頻率點(diǎn)由信號發(fā)生器發(fā)出響應頻率的正弦波，再由分貝計從節點(diǎn)2的揚聲器聲響中測得分貝值，而失真度可通過(guò)示波器觀(guān)察出正弦波的失真情況。測試結果說(shuō)明，揚聲器聲響≥80 dB，失真度≤12%，基本滿(mǎn)足人聲的辨識度。

通過(guò)實(shí)際測試證明了將語(yǔ)音信號進(jìn)行壓縮并通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行傳輸工作良好，實(shí)現了低速率數字遠程傳播。同時(shí)本系統具有較好的靈活性，可實(shí)現廣播、組播、點(diǎn)對點(diǎn)等多種通信方式，并具有較好的實(shí)時(shí)性和抗干擾性。

2 結束語(yǔ)

文中介紹了一種應用于煤礦的井下語(yǔ)音傳輸系統，該系統基于MBE語(yǔ)音壓縮技術(shù)，且以CAN總線(xiàn)為傳輸方式。本系統應用于井下皮帶保護系統中的語(yǔ)音擴音系統內，主要用以實(shí)現井上與井下，以及井下各部分進(jìn)行的相互實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信，為確保煤礦安全提供保障。文中設計成本較低，便于維護和修改，且實(shí)用性較強。