煤礦數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)煤礦井下安全，提供了一種數(shù)字語(yǔ)音通信解決方案。該方案采用MBE壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的壓縮，并使用了STM32F107作為主控芯片，用主控芯片自帶的CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸。文中介紹了該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

中國(guó)作為產(chǎn)煤大國(guó)，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(tǒng)主要分為兩種：一種是調(diào)度電話，包括有線和無(wú)線電話;另一種是井下局部擴(kuò)音電話系統(tǒng)。對(duì)于數(shù)字通信方式，目前許多公司仍采用模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)煤礦語(yǔ)音系統(tǒng)，與數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)相比，其存在不穩(wěn)定、不靈活等缺點(diǎn)，而現(xiàn)階段模擬通信系統(tǒng)已逐漸被代替。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線已發(fā)展成為集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)控制、生產(chǎn)管理等內(nèi)容為一體的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線分布在自動(dòng)化應(yīng)用的各個(gè)角落，給設(shè)計(jì)者和使用者提供了方便，但這些應(yīng)用均被限制于數(shù)據(jù)傳輸。本設(shè)計(jì)基于CAN總線構(gòu)建井下對(duì)講系統(tǒng)，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(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，一語(yǔ)音節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，以8 kHz采樣進(jìn)行A/D量化成16位數(shù)據(jù)，然后經(jīng)語(yǔ)音壓縮芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)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總線上。其他語(yǔ)音節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN收發(fā)器接收井下語(yǔ)音CAN總線上的壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)語(yǔ)音解碼芯片進(jìn)行解碼后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，再由擴(kuò)音器播出。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用于井下皮帶保護(hù)系統(tǒng)，具有采集井下皮帶工作狀態(tài)信息和控制井下皮帶運(yùn)作，同時(shí)還具有語(yǔ)音通信系統(tǒng)。處理器作為系統(tǒng)核心，需對(duì)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(chǔ)存、調(diào)度，因此處理器的選擇是關(guān)鍵。系統(tǒng)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(qiáng)的工業(yè)性能，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可達(dá)72 MHz，標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)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(shù)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，以此滿足皮帶保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)使用其中一路用來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信;另一路用來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)管理及現(xiàn)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(fù)位、晶振、電源等電路外，還包括了與CAN總線收發(fā)增強(qiáng)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之間采用了專用的同步接口連接，該種接口無(wú)需增加額外的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)便可進(jìn)行通信。最后將CSP-1027S與麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器之間進(jìn)行連接。

CAN總線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(tǒng)采用MBE技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)音壓縮。數(shù)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(yīng)用廣泛，而壓縮技術(shù)也較為成熟。由于采用DSP進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音壓縮，算法復(fù)雜且價(jià)格昂貴，故本系統(tǒng)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(nèi)部完成，無(wú)需額外的存儲(chǔ)器。這些特性使其適用于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中CAN波特率設(shè)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(dú)立。編碼器接收8 kHz采樣的語(yǔ)音數(shù)據(jù)流并以一定的速率輸出信道數(shù)據(jù)。相反，解碼器接收信道數(shù)據(jù)并合成語(yǔ)音數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)字語(yǔ)言編碼，經(jīng)CAN總線傳入接收方的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(hào)的接口。為滿足要求與性能，系統(tǒng)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(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成，其模擬接口處內(nèi)置了前置放大器，因此可以輸入較小的語(yǔ)音信號(hào)。符合G.712語(yǔ)音頻帶響應(yīng)和信噪比規(guī)范，最高采樣率可達(dá)24 kHz，滿足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總線的驅(qū)動(dòng)能力，需在處理器與現(xiàn)場(chǎng)總線間增加CAN收發(fā)器。系統(tǒng)選用周立功的CTM8251，該芯片內(nèi)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(zhuǎn)換為CAN總線所必需的差分電平，并具有DC-DC隔離功能，其接口電路如圖5所示。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在Keil4開發(fā)環(huán)境完成設(shè)計(jì)，同時(shí)該開發(fā)環(huán)境與Jlink-v8配合可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試功能，為本系統(tǒng)的完成提供了方便。

軟件基于模塊化設(shè)計(jì)，不同模塊完成相應(yīng)功能。首先，開機(jī)進(jìn)入設(shè)備初始化功能，其中包括系統(tǒng)時(shí)鐘配置、管腳配置、CAN控制器配置、AMBE-1000初始化等。系統(tǒng)時(shí)鐘配置為72 MHz，這是主控芯片STM32F107所能達(dá)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(shè)信息。對(duì)管腳的配置包括對(duì)按鍵和部分外設(shè)I/O口的配置，對(duì)CAN總線控制器的配置主要為傳輸速度配置。因井下一般兩節(jié)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總線傳輸速率配置為9 kbit·s-1，這便滿足了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(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入正常工作模式，當(dāng)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將話音數(shù)據(jù)每20 ms壓縮為一個(gè)語(yǔ)音數(shù)據(jù)包，再經(jīng)由STM32主控芯片將壓縮包上傳至CAN總線。CAN總線接收端配置成中斷模式，當(dāng)有語(yǔ)音數(shù)據(jù)接收時(shí)，觸發(fā)中斷并將該數(shù)據(jù)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(dāng)其檢測(cè)到丟失一幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，能依據(jù)上一幀數(shù)據(jù)盡量真實(shí)地預(yù)測(cè)下一幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)，同時(shí)給出適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)。系統(tǒng)流程如圖6所示，中斷程序流程如圖7所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試方法如圖8所示。

測(cè)試系統(tǒng)由兩個(gè)語(yǔ)音節(jié)點(diǎn)組成，兩節(jié)點(diǎn)之間由20 m線長(zhǎng)相連接，并在一號(hào)節(jié)點(diǎn)放置信號(hào)發(fā)生器，二號(hào)節(jié)點(diǎn)放置示波器與分貝計(jì)。因人聲頻率范圍為300～3 400 Hz之間，所以信號(hào)發(fā)生器分別取在該范圍內(nèi)的5個(gè)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

對(duì)應(yīng)這5個(gè)頻率點(diǎn)由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出響應(yīng)頻率的正弦波，再由分貝計(jì)從節(jié)點(diǎn)2的揚(yáng)聲器聲響中測(cè)得分貝值，而失真度可通過(guò)示波器觀察出正弦波的失真情況。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，揚(yáng)聲器聲響≥80 dB，失真度≤12%，基本滿足人聲的辨識(shí)度。

通過(guò)實(shí)際測(cè)試證明了將語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮并通過(guò)CAN總線進(jìn)行傳輸工作良好，實(shí)現(xiàn)了低速率數(shù)字遠(yuǎn)程傳播。同時(shí)本系統(tǒng)具有較好的靈活性，可實(shí)現(xiàn)廣播、組播、點(diǎn)對(duì)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(jié)束語(yǔ)

文中介紹了一種應(yīng)用于煤礦的井下語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于MBE語(yǔ)音壓縮技術(shù)，且以CAN總線為傳輸方式。本系統(tǒng)應(yīng)用于井下皮帶保護(hù)系統(tǒng)中的語(yǔ)音擴(kuò)音系統(tǒng)內(nèi)，主要用以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)成本較低，便于維護(hù)和修改，且實(shí)用性較強(qiáng)。