基于CAN總線的煤礦語音廣播系統(tǒng)設(shè)計

李華

摘 要：基于傳統(tǒng)語音廣播的局限性，以以太網(wǎng)和CAN總線等技術(shù)為支撐的雙向廣播調(diào)度系統(tǒng)在煤礦廣播中的作用越來越突出。文章以以太網(wǎng)和CAN總線等技術(shù)為支撐，從系統(tǒng)總體架構(gòu)、硬件、軟件等方面進行煤礦廣播系統(tǒng)設(shè)計，為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障。

關(guān)鍵詞：煤礦語音廣播系統(tǒng)；CAN總線；音頻編解碼

我國是人口大國，能源需求量較大，煤炭作為傳統(tǒng)的能源在新能源崛起過程中仍占較大比例。我國煤炭資源開采主要在地下進行作業(yè)，不安全因素較多，人員和財產(chǎn)安全得不到有效的保障。隨著國家對煤炭安全的重視，煤礦廣播系統(tǒng)等煤礦通信系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中的作用越來越突出，是井上井下間相互交流的重要保障，有助于調(diào)度中心在危機情況下進行人員調(diào)度，進而保障人員安全[1～3]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，煤礦各個領(lǐng)域與現(xiàn)代化信息技術(shù)的結(jié)合越來越密切，煤礦廣播系統(tǒng)已經(jīng)朝著網(wǎng)絡(luò)集成、智能化等方向發(fā)展，為及時防止煤礦危險事故的發(fā)生、安全事故中有效指揮人員撤離提供了保障。傳統(tǒng)語音廣播已經(jīng)退出歷史舞臺，以太網(wǎng)和CAN總線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字語音傳播系統(tǒng)在煤礦廣播中的作用不斷凸顯[1～3]。文章以以太網(wǎng)和CAN總線等技術(shù)為支撐，從系統(tǒng)總體架構(gòu)、硬件、軟件等方面進行煤礦廣播系統(tǒng)設(shè)計，為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障。

1 關(guān)鍵技術(shù)

煤礦廣播系統(tǒng)在井上井下的交流中起著重要作用，是調(diào)度中心進行井下指揮的重要方式。IP網(wǎng)絡(luò)廣播等廣播技術(shù)具有資源占用大、布線存在盲區(qū)等缺點，使得這部分廣播技術(shù)在實際中逐漸被

CAN總線等通訊方式取代。以太網(wǎng)和CAN總線等關(guān)鍵技術(shù)是煤礦

廣播系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵[1，3]。

1.1 工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)作為一種分組交換局域網(wǎng)技術(shù)在20世紀(jì)70年代后迅速發(fā)展，以太網(wǎng)與光線技術(shù)的結(jié)合使“光以太網(wǎng)”出現(xiàn)在人們的眼前，提升了數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。工業(yè)以太網(wǎng)是以太網(wǎng)在管理領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，是通信中的重要方式。工業(yè)以太網(wǎng)是面向生產(chǎn)過程的，因此，工業(yè)以太網(wǎng)作為一種全開放性和數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，具有成本低、支持多種語言、信息共享能力強、通信率高、發(fā)展?jié)摿Υ蟮忍攸c，在工業(yè)企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)中的執(zhí)行制造層、管理決策層以及現(xiàn)場設(shè)備層都有應(yīng)用。工業(yè)以太網(wǎng)的特點打破了遠程監(jiān)控等的時空限制，具有較大的靈活性。但工業(yè)以太網(wǎng)在基層現(xiàn)場設(shè)備中的應(yīng)用與現(xiàn)場總線相比還有一定的差距，因此，應(yīng)加大力度進行基層設(shè)備的工業(yè)以太網(wǎng)建設(shè)[1，3]。

1.2 CAN總線

CAN總線全稱為控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork），來源于德國的Bosch公司，是一種多主機局部串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有功能完善、性價比高等特點，其功能是通過測試與控制間實時和可靠數(shù)據(jù)的交換的方式實現(xiàn)低層控制，在廣播系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。CAN總線具有節(jié)點數(shù)目由總線驅(qū)動電路決定（節(jié)點數(shù)目可達110個）、報文采用短幀結(jié)構(gòu)、通信方式靈活、傳輸方式多樣、可靠的錯誤檢測和出錯處理功能等特性，在廣播系統(tǒng)中具有較大的優(yōu)勢。此外，光纖或雙絞線均可以作為CAN總線介質(zhì)，速率在5kbps以下時，最遠傳輸距離可達10km，總線長度在40米以下時，傳輸速率可達1Mbps[1，3]。

1.3 PCM和OggVorbis編碼算法原理

PCM編碼算法包括采樣、量化、編碼三個基本過程（如圖1），該算法原理比較簡單，具有延時與復(fù)雜度極小、語音質(zhì)量高、錄音文件較大、碼率較高等特點。當(dāng)采樣率、雙聲道分別為8KHz、16bit時，碼率為256Kbps，若對音質(zhì)沒有太大的要求，則可以將碼率降低到128Kbps或64Kbps[2]。

OggVorbis編碼算法的編碼過程如圖2所示，通過將PCM音頻信號進行快速傅里葉變化（FFT）和改進離散余弦變換（256/2048MDCT）轉(zhuǎn)化為頻譜系數(shù)，然后將頻譜系數(shù)輸入心理聲學(xué)模型，心理聲學(xué)模型分析包括兩個方面，一是利用線性預(yù)測對頻譜系數(shù)進行分析，以LPC為頻譜包絡(luò)的表示形式；二是總的掩蔽曲線通過音調(diào)、噪聲掩蔽計算的方式得到，再將總的掩蔽曲線進行線性分段逼近方式分析，從而得到基底曲線。白化殘差頻譜通過聲道耦合技術(shù)進行冗余度降低，再利用矢量化作用于白化的殘差信號，最終形成OggVorbis碼流。其中，白化殘差頻譜是通過從MDCT系數(shù)中去掉頻譜包絡(luò)的方式得到的[2]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示，是基于以太網(wǎng)和CAN總線的雙向廣播調(diào)度系統(tǒng)，分為井上和井下兩部分，PC機、本安調(diào)度主機、礦用交換機是井上廣播調(diào)度系統(tǒng)的組成本分，其中，PC機、本安調(diào)度主機通過礦用交換機與井下部分進行信息交流。井下部分包括廣播主站、廣播分站，廣播主站和分站在采掘工作面、避難室、井下大巷以及皮帶沿線等地方均有分布，其中，以太網(wǎng)和CAN總線是系統(tǒng)的物理架構(gòu)，以主/從式為邏輯結(jié)構(gòu)，采用光、電結(jié)合的形式作為傳輸連接方式[2]。

3 硬件設(shè)計

本安調(diào)度主機、廣播主站和廣播分站是整個系統(tǒng)的重要組成部分，硬件電路設(shè)計涉及以太網(wǎng)、CAN總線等多方面技術(shù)。主站硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括Ethernet傳輸控制模塊、微控制器、CAN總線傳輸控制模塊、音頻編解碼模塊、RS485接口模塊等模塊組成[2]。井上與井下部分連接使用光纜進行連接，主站與各分站、音箱等間的連接則采用屏蔽雙絞線和電纜連接[3]。

3.1 MCU模塊

MCU模塊中處理器選用STM32F103VET6型號的微處理器，這個型號的微處理器是基于32bitRISC內(nèi)核的增強型系列，由5個串口、3個SPI接口、8個定時器、1個CAN控制器、3路12bitADC模塊、64KBSRAM、512KBFLASH等組成。MCU模塊電路由3.3V電壓供電，電路設(shè)計相對簡單。該模塊、無源晶振、內(nèi)部程序倍頻分別為8MHz、72MHz，采用阻容式結(jié)構(gòu)作為復(fù)位電路，為信號的高速處理提供了可能[2]。

3.2 以太網(wǎng)和CAN通信模塊

該系統(tǒng)采用W5200型Ethernet控制器+輕型TCP/IP協(xié)議棧的方式進行傳輸控制，基于W5200支持80MHz的SPI接口間通信，該嵌入式系統(tǒng)的功能得到較大程度的提升。CAN總線采用的是STM32自帶的bxCAN控制器，支持CAN2.0A和CAN2.0B，其中，該控制器由2個3級深度的接收FIFO、3個發(fā)送郵箱等組成，使其具有優(yōu)先報文發(fā)送、時間觸發(fā)通信等功能[2]。

3.3 音頻編解碼模塊

該系統(tǒng)以VLSI的音頻編解碼芯片VS1063A作為音頻編解碼模塊，該芯片不僅能夠支持MP3、AAC、WMA、OGG等多種音頻格式的解碼，還能夠支持對MP3、PCM、OGG等格式的編碼。此外，該芯片還能夠支持PCM、G.711、G.712以及IMAADPCM全雙工編解碼模式。該系統(tǒng)中以VS1063A為從設(shè)備，利用SPI接口（SPI1）與MCU相連，基于該芯片內(nèi)嵌的微核，VS1063A也可以獨立使用[2]。

4 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)中廣播主站的流程圖如圖5所示，可通過“通話”、“播放”、“打點”和“停止”4個功能按鈕實現(xiàn)不同模式間的切換。在按鍵中斷的條件下，通過子任務(wù)進行按鍵的分析，進而執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)。通過W5200中斷接收處理子任務(wù)完成對數(shù)據(jù)的實時音頻文件報文的實時接收、解包以及重組，進而完成網(wǎng)絡(luò)音頻參數(shù)等的設(shè)置；通過CAN總線中斷接收處理子任務(wù)可以完成對音頻數(shù)據(jù)的進一步處理，這個任務(wù)的主要功能是實現(xiàn)對音頻數(shù)據(jù)的接收和功能指令解析；串口發(fā)送子任務(wù)則是廣播分站固件升級的重要方式；錄音發(fā)送子任務(wù)主要涉及對PCM、Ogg等格式的音頻數(shù)據(jù)的封裝及發(fā)送，在這個過程中依靠播放子任務(wù)還可以完成對音頻報文的解包、解碼以及播放；顯示子任務(wù)則是用于顯示終端工作狀態(tài)，供調(diào)度人員進行指揮[2]。

5 結(jié)束語

文章以以太網(wǎng)和CAN總線等技術(shù)為支撐，從系統(tǒng)總體架構(gòu)、硬件、軟件等方面進行煤礦廣播系統(tǒng)設(shè)計，為煤礦安全生產(chǎn)提供了保障。設(shè)計的系統(tǒng)是基于以太網(wǎng)和CAN總線的雙向廣播調(diào)度系統(tǒng)，分為井上和井下兩部分該系統(tǒng)以太網(wǎng)和CAN總線是系統(tǒng)的物理架構(gòu)，以主/從式為邏輯結(jié)構(gòu)，采用光、電結(jié)合的形式作為傳輸連接方式，MCU模塊中處理器選用STM32F103VET6型號的微處理器，采用W5200型Ethernet控制器+輕型TCP/IP協(xié)議棧的方式進行傳輸控制，以VLSI的音頻編解碼芯片VS1063A作為音頻編解碼模塊，通過W5200中斷接收處理子任務(wù)等子任務(wù)實現(xiàn)軟件編程。

參考文獻

[1]路小敏.基于CAN總線的煤礦廣播系統(tǒng)的研究[D].西安科技大學(xué)， 2015.

[2]魏免.基于以太網(wǎng)和CAN總線的煤礦數(shù)字語音廣播系統(tǒng)的研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

[3]衛(wèi)文慧，魏免.基于以太網(wǎng)和CAN總線的煤礦語音廣播系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2015，41（2）：103-106.