具備對講功能的礦用廣播終端系統(tǒng)設計＊

唐麗均，吳畏

（1.重慶工程職業(yè)技術學院 信息工程學院，重慶402260；2.重慶城市管理職業(yè)學院）

引 言

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

本文根據(jù)現(xiàn)有廣播終端存在的缺點，設計了一種支持實時廣播、本地和在線高品質(zhì)音樂播放、支持點對點對講的廣播終端[1]。

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器下發(fā)的音頻數(shù)據(jù)或本地音頻數(shù)據(jù)通過揚聲器對外播放；同時支持外掛話柄，實現(xiàn)各個終端之間的點對點通信[2]。

廣播通信服務器通過光纖將音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇V播終端。廣播終端采用光電轉換將音頻數(shù)據(jù)傳輸給模擬電話適配器KSZ8342進行處理。KSZ8342將處理完畢后的音頻數(shù)據(jù)通過并口數(shù)據(jù)線傳輸?shù)?MCU-STM32F103，再通過SPI總線傳輸?shù)揭纛l解碼芯片VS1003B進行處理，最后通過音頻放大器驅動喇叭播放在線音樂或語音。

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

廣播終端采用類似電話撥號的方式來實現(xiàn)點對點對講功能。廣播終端外掛電話話柄，當話柄摘機并撥號后，STM32F103將獲取到的號碼上傳到KSZ8342，然后通過光纖上傳到服務器進行處理。本地用戶的語音數(shù)據(jù)通過用戶線接口電路（SLIC）芯片[3]SI32260進行PCM編碼并通過光纖傳輸?shù)侥康膹V播終端上，同時將對方用戶的語音數(shù)據(jù)進行PCM解碼后通過話柄聽筒還原，從而實現(xiàn)點對點對講功能。

廣播終端的原理框圖如圖1所示。

圖1 礦用廣播終端原理框圖

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適配器電路、微控制器單元、音頻放大器和用戶線接口電路等。

2.1 模擬電話適配器電路

KSZ8342是一個高度集成的模擬電話適配器，內(nèi)部集成了一個MIPS32 RISC CPU、一個ZSP、標準編解碼器、語音優(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ZSP400 DSP處理器，提供PCM、G729語音編解碼算法，以提供卓越的語音質(zhì)量。

2.2 微控制器單元

廣播終端采用STM32F103芯片[4]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(shù)據(jù)線和3位控制數(shù)據(jù)線與KSZ8342進行數(shù)據(jù)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；外接音頻解碼芯片VS1003B[5]，用于播放高品質(zhì)的MP3音樂；外接顯示屏、撥號鍵盤、摘機檢測等外設，用于實現(xiàn)點對點對講功能；外接RS485通信接口，用于井下無光網(wǎng)絡環(huán)境時的通信。

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，滿足井下巷道200 m以上的聲強要求。同時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類功放[6]。

圖2 KSZ8342結構框圖

選用PAM8403型D類芯片作為音頻放大器，該音頻放大器具有低EMI調(diào)制方式，可以省去傳統(tǒng)D類放大器輸出低通濾波器，同時能提供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 用戶線接口電路

SI32260是一款雙通道ProSLIC芯片，支持兩路電話接入。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?。? mm×8 mm）。

在SI32260的一路電話接口上集成了一個簡單電話機電路[7]，再通過外接話柄、撥號鍵盤、顯示屏和摘機檢測來實現(xiàn)點對點功能。礦用廣播終端用戶線接口電路如圖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。

圖3 礦用廣播終端音頻放大器電路

圖4 礦用廣播終端用戶線接口電路

圖5 礦用廣播終端外形結構

礦用廣播終端上左右各放置一個喇叭，分別與功放左右聲道相連。外面板上放置一個話柄、一個撥號鍵盤以及一個顯示屏，用于實現(xiàn)點對點對講。8個防水喇叭接口支持2路光纖、1路電源、1路話柄、1路RS485通信線接入，備用3個接口用于以后擴展使用。

結 語

本文展示了一種礦用廣播終端的系統(tǒng)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)絡接入，可在線實時播放高品質(zhì)音樂，也可實時更新本地SD存儲卡上的音樂。在網(wǎng)絡中斷的情況下，可切換播放本地SD存儲卡上存儲的音樂。

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，還支持點對點對講功能，可實現(xiàn)各個廣播終端之間實時對講，完全滿足煤礦廣播的要求。

[1]楊娟.礦用數(shù)字廣播系統(tǒng)設計[J].工礦自動化，2011（8）：44-47.

[2]徐煒.礦用IP網(wǎng)絡廣播終端硬件設計[J].工礦自動化，2014，40（7）：16-18.

[3]徐鼎.SLIC電路產(chǎn)品綜述[J].集成電路應用，2004（12）：52-54.

[4]ST.STM32F系列ARM內(nèi)核32位高性能微控制器參考手冊，2011.

[5]洪家平.基于VS1003解碼器的MP3播放器設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（11）：54-56.

[6]陳新國，程耕國.D類功放輸出功率與效率的分析[J].聲學技術，2004，24（4）：264-267.

[7]朱璇，陳達成，謝國雄.簡述ZX—2029型電話機的原理與制作[J].電腦知識與技術，2013，9（14）：3431-3435.