具備對講功能的礦用廣播終端系統設計

摘要：本文針對現有廣播終端存在的不足，設計了一種既能支持實(shí)時(shí)廣播、點(diǎn)對點(diǎn)對講，還能實(shí)現本地和在線(xiàn)高品質(zhì)音樂(lè )播放的廣播終端。該廣播終端采用集成高性能DSP的模擬電話(huà)適配器KSZ8342作為核心部件，利用MP3編解碼芯片、音頻功放設備、本地SD存儲卡，實(shí)現實(shí)時(shí)廣播、本地和在線(xiàn)音樂(lè )播放功能;另外，利用用戶(hù)線(xiàn)接口電路芯片、外掛話(huà)柄、撥號鍵盤(pán)和顯示屏實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)對講功能。

關(guān)鍵詞：礦用廣播;音頻功放;用戶(hù)線(xiàn)接口電路;模擬電話(huà)適配器

引言

礦用廣播系統是煤礦進(jìn)行生產(chǎn)指揮調度、安全避險和應急救援的重要工具。廣播系統應具備播放通知、音樂(lè )、對講等多種功能?，F有礦用廣播終端大多數功能單一，只支持單向廣播，或支持對講但功能不完善，不支持本地和在線(xiàn)高品質(zhì)音樂(lè )播放的功能。

本文根據現有廣播終端存在的缺點(diǎn)，設計了一種支持實(shí)時(shí)廣播、本地和在線(xiàn)高品質(zhì)音樂(lè )播放、支持點(diǎn)對點(diǎn)對講的廣播終端。

1 礦用廣播終端的設計方案

礦用廣播終端的主要功能是將廣播通信服務(wù)器下發(fā)的音頻數據或本地音頻數據通過(guò)揚聲器對外播放;同時(shí)支持外掛話(huà)柄，實(shí)現各個(gè)終端之問(wèn)的點(diǎn)對點(diǎn)通信。

廣播通信服務(wù)器通過(guò)光纖將音頻數據傳輸到廣播終端。廣播終端采用光電轉換將音頻數據傳輸給模擬電話(huà)適配器KSZ8342進(jìn)行處理。KSZ8 342將處理完畢后的音頻數據通過(guò)并口數據線(xiàn)傳輸到MCU—STM32F103，再通過(guò)SPI總線(xiàn)傳輸到音頻解碼芯片VS1003B進(jìn)行處理，最后通過(guò)音頻放大器驅動(dòng)喇叭播放在線(xiàn)音樂(lè )或語(yǔ)音。

如需要播放本地音樂(lè )，廣播通信服務(wù)器會(huì )下發(fā)相應的控制命令，廣播終端通過(guò)STM32F103讀取本地SD存儲卡中的音樂(lè )，利用VS1003B解碼后通過(guò)功放驅動(dòng)喇叭播放本地音樂(lè )。

廣播終端采用類(lèi)似電話(huà)撥號的方式來(lái)實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)對講功能。廣播終端外掛電話(huà)話(huà)柄，當話(huà)柄摘機并撥號后，STM32F103將獲取到的號碼上傳到KSZ8342，然后通過(guò)光纖上傳到服務(wù)器進(jìn)行處理。本地用戶(hù)的語(yǔ)音數據通過(guò)用戶(hù)線(xiàn)接口電路(SLIC)芯片SI32260進(jìn)行PCM編碼并通過(guò)光纖傳輸到目的廣播終端上，同時(shí)將對方用戶(hù)的語(yǔ)音數據進(jìn)行PCM解碼后通過(guò)話(huà)柄聽(tīng)筒還原，從而實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)對講功能。

廣播終端的原理框圖如圖1所示。

2 礦用廣播終端硬件設計

礦用廣播終端硬件主要包括模擬電話(huà)適配器電路、微控制器單元、音頻放大器和用戶(hù)線(xiàn)接口電路等。

2.1 模擬電話(huà)適配器電路

KSZ8342是一個(gè)高度集成的模擬電話(huà)適配器，內部集成了一個(gè)MIPS32 RISC CPU、一個(gè)ZSP、標準編解碼器、語(yǔ)音優(yōu)化器，并支持兩路PCM和以太網(wǎng)接口。

KSZ8342采用RISC CPU和DSP構成的嵌入式多處理器體系結構，通過(guò)ZSP400 DSP處理器，提供PCM、G729語(yǔ)音編解碼算法，以提供卓越的語(yǔ)音質(zhì)量。

2.2 微控制器單元

廣播終端采用STM32F103芯片微控制器，主要是用于擴展KSZ8342的GPIO口，以支持多種外部設備的接入。STM32F103采用8位并口數據線(xiàn)和3位控制數據線(xiàn)與KSZ8342進(jìn)行數據交換。KSZ8342結構框圖如圖2所示。

STM32F103外接SD存儲卡，用于存儲本地音樂(lè );外接音頻解碼芯片VS1003B，用于播放高品質(zhì)的MP3音樂(lè );外接顯示屏、撥號鍵盤(pán)、摘機檢測等外設，用于實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)對講功能;外接RS485通信接口，用于井下無(wú)光網(wǎng)絡(luò )環(huán)境時(shí)的通信。

2.3 音頻放大器

本廣播終端中的音頻放大器是其重要組成部分。音頻放大器需要有較大的功率輸出，滿(mǎn)足井下巷道200 m以上的聲強要求。同時(shí)本廣播終端采用本安電源供電，供電電流峰值電流受限，因此需選用效率高、電流小的D類(lèi)功放。

選用PAM8403型D類(lèi)芯片作為音頻放大器，該音頻放大器具有低EMI調制方式，可以省去傳統D類(lèi)放大器輸出低通濾波器，同時(shí)能提供3 W的立體聲輸出(4Ω、THD+N=1%)，效率高達90%。礦用廣播終端音頻放大器電路如圖3所示。

在揚聲器輸出端需增加TVS管限制輸出電壓。

2.4 用戶(hù)線(xiàn)接口電路

SI32260是一款雙通道ProSLIC芯片，支持兩路電話(huà)接入。該芯片采用3.3 V供電，具備標準的SPI接口、靜態(tài)功耗低(小于0.1 W)、尺寸小(8 mm×8 mm)。

在SI32260的一路電話(huà)接口上集成了一個(gè)簡(jiǎn)單電話(huà)機電路，再通過(guò)外接話(huà)柄、撥號鍵盤(pán)、顯示屏和摘機檢測來(lái)實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)功能。礦用廣播終端用戶(hù)線(xiàn)接口電路如圖4所示。

3 廣播終端結構

廣播終端尺寸為390 mm×270 mm×160 mm，外形結構如圖5所示。

礦用廣播終端上左右各放置一個(gè)喇叭，分別與功放左右聲道相連。外面板上放置一個(gè)話(huà)柄、一個(gè)撥號鍵盤(pán)以及一個(gè)顯示屏，用于實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)對講。8個(gè)防水喇叭接口支持2路光纖、1路電源、1路話(huà)柄、1路RS485通信線(xiàn)接入，備用3個(gè)接口用于以后擴展使用。

結語(yǔ)

本文展示了一種礦用廣播終端的系統架構以及設計思路，并詳細地闡述了廣播終端中重要功能模塊的硬件電路設計。本礦用廣播終端采用光網(wǎng)絡(luò )接入，可在線(xiàn)實(shí)時(shí)播放高品質(zhì)音樂(lè )，也可實(shí)時(shí)更新本地SD存儲卡上的音樂(lè )。在網(wǎng)絡(luò )中斷的情況下，可切換播放本地SD存儲卡上存儲的音樂(lè )。

經(jīng)測試，音頻信號最大不失真輸出電壓高達5 V，在1 mm處的聲強不低于90 dB。

同時(shí)，還支持點(diǎn)對點(diǎn)對講功能，可實(shí)現各個(gè)廣播終端之間實(shí)時(shí)對講，完全滿(mǎn)足煤礦廣播的要求。