煤礦井下語音通信與廣播網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

陳春虎，蔡紅專，許 林

（西京學(xué)院 理學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引言

煤炭是我國具有戰(zhàn)略意義的最重要的不可再生能源之一，占到我國能源總量的60%以上。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，其消耗量也變得越來越大。根據(jù)五年煤炭生產(chǎn)計劃，目前市場對煤炭的高需求增加了煤炭安全生產(chǎn)的壓力。我國煤炭市場需求預(yù)計到2020年將達(dá)到70億噸。我國的煤炭資源豐富，但是在開發(fā)利用過程中存在一定風(fēng)險[1]。

國內(nèi)外在語音通信領(lǐng)域做出了大量的工作并取得了不少成果。美國的學(xué)者于20世紀(jì)20年代開始，最先發(fā)起了對應(yīng)用在礦井下的電磁波傳輸?shù)难芯亢陀懻?。早起的井下通信研究都集中在有線方面，直到20世紀(jì)20年代，美國的礦業(yè)工程部門最早開始對礦井下的有線通信進(jìn)行研究，而直到40年代末，礦井有線通信的研究才慢慢地廣泛開展起來。隨后在1968年，ESCS，USBM開始對礦井語音通信進(jìn)行研究，并取得了一些理論成果。我國現(xiàn)有的通信技術(shù)最主要的形式為感應(yīng)通信、動力線載波通信以及漏泄無線通信。但是這幾種通信方式都有很大的缺陷[2]。

基于上述背景，本文設(shè)計了一種基于光纖傳輸?shù)臄?shù)字信號傳輸?shù)拿旱V井下語音通信系統(tǒng)和廣播網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)充分考慮煤礦井下應(yīng)用環(huán)境，采用光纖對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，有效提高了系統(tǒng)的傳輸效率和抗干擾能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的語音通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)井下和井上的實時語音對講及廣播，成本低，效果好，采用光纖傳輸抗干擾能力強。其中終端由網(wǎng)絡(luò)對講模塊、網(wǎng)絡(luò)交換模塊、語音功率放大模塊以及音頻服務(wù)端軟件組成。語音對講終端的功能如圖1所示。

圖1 對講終端功能

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的總體思路，主要的硬件模塊包括主控模塊、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模塊、對講及音頻服務(wù)器、語音功率放大模塊和電源模塊。

2.1 主控模塊電路

主控模塊使用ST公司的ST M 32作為主控芯片。STM32是一款高性能、低成本、低功耗的微控制器。首先，STM32使用的ARM內(nèi)核包含了非常通用和豐富的接口，方便開發(fā)人員利用引腳功能進(jìn)行硬件開發(fā)。STM32尤其在功耗這方面控制得比較好，其次，實時性比較強，與語音通信系統(tǒng)開發(fā)的契合度高。與51單片機(jī)相比，STM32單片機(jī)對擁有更高的數(shù)據(jù)處理速度，與FPGA相比擁有更低的功耗。

2.2 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)模塊

以太網(wǎng)交換機(jī)是網(wǎng)橋技術(shù)跨時代的發(fā)展結(jié)果。本終端使用的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是航嘉光通的二光四電1 100M以太網(wǎng)光纖交換模塊，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)傳輸。用戶可以選擇全光端口配置，也可以選擇光電端口混合配置，訪問光纖介質(zhì)可以是單模光纖或多模光纖。

以太網(wǎng)卡使用的是RTL8201F，一種快速以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，48引腳單芯片。RTL8210F在安防，網(wǎng)絡(luò)播放器等行業(yè)中都有廣泛的運用，為語音系統(tǒng)的開發(fā)提供了很好的經(jīng)驗，目前廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)交換機(jī)。

2.3 對講及音頻服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)語音對講模塊是終端的核心，主要實現(xiàn)輸入語音數(shù)據(jù)的采集和壓縮編碼、語音數(shù)據(jù)的解碼輸出以及以太網(wǎng)通信功能，例如深圳銳科達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的2013C型網(wǎng)絡(luò)語音對講模塊（見圖2），該模塊由于有網(wǎng)絡(luò)功能，需配合上位機(jī)網(wǎng)管軟件對各個終端的IP地址進(jìn)行分配以及對對講、廣播、播放等功能進(jìn)行控制。

圖2 2013C型 網(wǎng)絡(luò)語音對講模塊

2.4 音頻功率放大模塊

D類功率放大器是一種體積小、效率高的新型功率放大器。這種功率放大器理論上非常高效，最大功率可以接近100%，實際電路中接近達(dá)到90%，可輕松實現(xiàn)大電壓和大電流的輸出。D類功率放大器輸出方波信號的頻率遠(yuǎn)高于實際輸入的信號頻率、晶體管開關(guān)的操作方式等對輸出功率管提出了較高的要求。這在很大程度上解釋了D類放大器在音頻放大領(lǐng)域沒有得到廣泛應(yīng)用的原因。未來功率放大元器件的發(fā)展趨勢是要求高效節(jié)能，因此D類元器件具有很大的研究潛力和實用價值。本文采用的就是PAM8610 D類音頻功率板，符合本文的設(shè)計理念。

PAM8610是雙聲道D類音頻功率放大模塊，內(nèi)含振蕩器、雙聲道驅(qū)動和功率輸出功率MOSFET開關(guān)管。內(nèi)部振蕩器250 kHZ，工作電壓范圍7～15V，推薦工作電壓13V時，負(fù)載電阻8Ω情況下，輸出功率10kW;工作效率達(dá)90%，設(shè)有過載保護(hù)、過熱保護(hù)、短路保護(hù)電路。

音頻解碼部分使用的VS1003，它是一個單片MP3/WMA/MIDI音頻解碼器和ADPCM編碼器。它包含一個高性能、自主產(chǎn)權(quán)的低功耗DSP處理器核VS_DSP，工作數(shù)據(jù)存儲器，為用戶應(yīng)用提供5KB的指令RAM和0.5KB的數(shù)據(jù)RAM。麥克風(fēng)輸入信息經(jīng)過單聲道解碼器VS1003處理后，再通過PAM8610功放板將語音信息傳輸至揚聲器部分。

3 光纖通信

光纖通信原理主要基于光纖、光源、光檢測，通過以光纖組成的光纜作為信息傳播的傳輸線來達(dá)到信息傳播。同傳統(tǒng)技術(shù)相比，一是光纖通信技術(shù)的優(yōu)點是通信容量大，二是通信損耗低，三是抗電磁干擾能力強，四是安全性高。光纖通信的優(yōu)點完全契合煤礦井上井下實時語音通信的要求[3]?；驹砣鐖D3所示。

圖3 光纖通信基本原理

4 廣播系統(tǒng)

礦井的廣播網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在設(shè)計上應(yīng)大體遵循3項原則：一是技術(shù)先進(jìn)，功能實用。在煤礦井下最重要的就是能夠及時高效地進(jìn)行通話，并且在井下惡劣的環(huán)境下，保障傳輸?shù)目煽啃允亲钪匾?；二是材料先進(jìn)，保質(zhì)保量，井下通信不同于普通通信，要求傳輸介質(zhì)能夠在井下平穩(wěn)有效地工作；三是界面清晰直觀，可高效進(jìn)行檢索信息，方便地面控制人員能夠及時地把信息傳送到特定的礦區(qū)[4]。礦區(qū)廣播網(wǎng)絡(luò)的流程如圖4所示。

圖4 廣播流程

5 結(jié)語

該系統(tǒng)充分結(jié)合STM32處理速度快和DSP處理信號強的特點，實現(xiàn)了煤井上下實時語音通信的功能，基本解決了當(dāng)前通信技術(shù)存在的單一和傳輸不穩(wěn)定的特點。使用光纖傳輸極大地提高了靈敏度，幾乎不會受到電磁噪聲干擾。同時該系統(tǒng)通過對對講模塊的優(yōu)化設(shè)計，使系統(tǒng)噪聲大幅度下降。但是由于光纖質(zhì)地脆，機(jī)械強度差，并且光線的切斷和接續(xù)需要一定的工具、設(shè)備和技術(shù)。該系統(tǒng)提高了煤礦井下的安全性，取得了顯著的社會效益。