基于can总线的煤矿语音广播系统设计

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基于CAN总线的煤矿语音广播系统设计　　摘要：基于传统语音广播的局限性，以以太网和CAN总线等技术为支撑的双向广播调度系统在煤矿广播中的作用越来越突出。文章以以太网和CAN总线等技术为支撑，从系统总体架构、硬件、软件等方面进行煤矿广播系统设计，为煤矿安全生产提供了保障。　　关键词：煤矿语音广播系统；CAN总线；音频编解码　　我国是人口大国，能源需求量较大，煤炭作为传统的能源在新能源崛起过程中仍占较大比例。我国煤炭资源开采主要在地下进行作业，不安全因素较多，人员和财产安全得不到有效的保障。随着国家对煤炭安全的重视，煤矿广播系统等煤矿通信系统在煤矿安全生产中的作用越来越突出，是井上井下间相互交流的重要保障，有助于调度中心在危机情况下进行人员调度，进而保障人员安全[1～3]。　　随着科学技术的不断发展，煤矿各个领域与现代化信息技术的结合越来越密切，煤矿广播系统已经朝着网络集成、智能化等方向发展，为及时防止煤矿危险事故的发生、安全事故中有效指挥人员撤离提供了保障。传统语音广播已经退出历史舞台，以太网和CAN总线相结合的网络数字语音传播系统在煤矿广播中的作用不断凸显[1～3]。文章以以太网和CAN总线等技术为支撑，从系统总体架构、硬件、软件等方面进行煤矿广播系统设计，为煤矿安全生产提供了保障。　　1关键技术 　　煤矿广播系统在井上井下的交流中起着重要作用，是调度中心进行井下指挥的重要方式。IP网络广播等广播技术具有资源占用大、布线存在盲区等缺点，使得这部分广播技术在实际中逐渐被　　CAN总线等通讯方式取代。以太网和CAN总线等关键技术是煤矿　　广播系统设计的关键[1，3]。　　1.1工业以太网　　以太网作为一种分组交换局域网技术在20世纪70年代后迅速发展，以太网与光线技术的结合使“光以太网”出现在人们的眼前，提升了数据传输技术。工业以太网是以太网在管理领域和工业控制领域的应用，是通信中的重要方式。工业以太网是面向生产过程的，因此，工业以太网作为一种全开放性和数字化的网络，具有成本低、支持多种语言、信息共享能力强、通信率高、发展潜力大等特点，在工业企业综合自动化系统中的执行制造层、管理决策层以及现场设备层都有应用。工业以太网的特点打破了远程监控等的时空限制，具有较大的灵活性。但工业以太网在基层现场设备中的应用与现场总线相比还有一定的差距，因此，应加大力度进行基层设备的工业以太网建设[1，3]。　　1.2CAN总线 　　CAN总线全称为控制器局域网（ControllerAreaNetwork），来源于德国的Bosch公司，是一种多主机局部串行通信网络，具有功能完善、性价比高等特点，其功能是通过测试与控制间实时和可靠数据的交换的方式实现低层控制，在广播系统中广泛应用。CAN总线具有节点数目由总线驱动电路决定（节点数目可达110个）、报文采用短帧结构、通信方式?`活、传输方式多样、可靠的错误检测和出错处理功能等特性，在广播系统中具有较大的优势。此外，光纤或双绞线均可以作为CAN总线介质，速率在5kbps以下时，最远传输距离可达10km，总线长度在40米以下时，传输速率可达1Mbps[1，3]。　　1.3PCM和OggVorbis编码算法原理　　PCM编码算法包括采样、量化、编码三个基本过程（如图1），该算法原理比较简单，具有延时与复杂度极小、语音质量高、录音文件较大、码率较高等特点。当采样率、双声道分别为8KHz、16bit时，码率为256Kbps，若对音质没有太大的要求，则可以将码率降低到128Kbps或64Kbps[2]。　　OggVorbis编码算法的编码过程如图2所示，通过将PCM音频信号进行快速傅里叶变化（FFT）和改进离散余弦变换（256/2048MDCT）转化为频谱系数，然后将频谱系数输入心理声学模型，心理声学模型分析包括两个方面，一是利用线性预测对频谱系数进行分析，以LPC为频谱包络的表示形式；二是总的掩蔽曲线通过音调、噪声掩蔽计算的方式得到，再将总的掩蔽曲线进行线性分段逼近方式分析，从而得到基底曲线。白化残差频谱通过声道耦合技术进行冗余度降低，再利用矢量化作用于白化的残差信号，最终形成OggVorbis码流。其中，白化残差频谱是通过从MDCT系数中去掉频谱包络的方式得到的[2]。　　2系统总体架构 　　系统总体架构如图3所示，是基于以太网和CAN总线的双向广播调度系统，分为井上和井下两部分，PC机、本安调度主机、矿用交换机是井上广播调度系统的组成本分，其中，PC机、本安调度主机通过矿用交换机与井下部分进行信息交流。井下部分包括广播主站、广播分站，广播主站和分站在采掘工作面、避难室、井下大巷以及皮带沿线等地方均有分布，其中，以太网和CAN总线是系统的物理架构，以主/从式为逻辑结构，采用光、电结合的形式作为传输连接方式[2]。　　3硬件设计　　本安调度主机、广播主站和广播分站是整个系统的重要组成部分，硬件电路设计涉及以太网、CAN总线等多方面技术。主站硬件结构如图4所示，包括Ethernet传输控制模块、微控制器、CAN总线传输控制模块、音频编解码模块、RS485接口模块等模块组成[2]。井上与井下部分连接使用光缆进行连接，主站与各分站、音箱等间的连接则采用屏蔽双绞线和电缆连接[3]。　　3.1MCU模块　　MCU模块中处理器选用STM32F103VET6型号的微处理器，这个型号的微处理器是基于32bitRISC内核的增强型系列，由5个串口、3个SPI接口、8个定时器、1个CAN控制器、3路12bitADC模块、64KBSRAM、512KBFLASH等组成。MCU模块电路由3.3V电压供电，电路设计相对简单。该模块、无源晶振、内部程序倍频分别为8MHz、72MHz，采用阻容式结构作为复位电路，为信号的高速处理提供了可能[2]。　　3.2以太?W和CAN通信模块 　　该系统采用W5200型Ethernet控制器+轻型TCP/IP协议栈的方式进行传输控制，基于W5200支持80MHz的SPI接口间通信，该嵌入式系统的功能得到较大程度的提升。CAN总线采用的是STM32自带的bxCAN控制器，支持CAN2.0A和CAN2.0B，其中，该控制器由2个3级深度的接收FIFO、3个发送邮箱等组成，使其具有优先报文发送、时间触发通信等功能[2]。　　3.3音频编解码模块　　该系统以VLSI的音频编解码芯片VS1063A作为音频编解码模块，该芯片不仅能够支持MP3、AAC、WMA、OGG等多种音频格式的解码，还能够支持对MP3、PCM、OGG等格式的编码。此外，该芯片还能够支持PCM、G.711、G.712以及IMAADPCM全双工编解码模式。该系统中以VS1063A为从设备，利用SPI接口（SPI1）与MCU相连，基于该芯片内嵌的微核，VS1063A也可以独立使用[2]。　　4软件设计　　该系统中广播主站的流程图如图5所示，可通过“通话”、“播放”、“打点”和“停止”4个功能按钮实现不同模式间的切换。在按键中断的条件下，通过子任务进行按键的分析，进而执行相关的任务。通过W5200中断接收处理子任务完成对数据的实时音频文件报文的实时接收、解包以及重组，进而完成网络音频参数等的设置；通过CAN总线中断接收处理子任务可以完成对音频数据的进一步处理，这个任务的主要功能是实现对音频数据的接收和功能指令解析；串口发送子任务则是广播分站固件升级的重要方式；录音发送子任务主要涉及对PCM、Ogg等格式的音频数据的封装及发送，在这个过程中依靠播放子任务还可以完成对音频报文的解包、解码以及播放；显示子任务则是用于显示终端工作状态，供调度人员进行指挥[2]。 　　5结束语　　文章以以太网和CAN总线等技术为支撑，从系统总体架构、硬件、软件等方面进行煤矿广播系统设计，为煤矿安全生产提供了保障。设计的系统是基于以太网和CAN总线的双向广播调度系统，分为井上和井下两部分该系统以太网和CAN总线是系统的物理架构，以主/从式为逻辑结构，采用光、电结合的形式作为传输连接方式，MCU模块中处理器选用STM32F103VET6型号的微处理器，采用W5200型Ethernet控制器+轻型TCP/IP协议栈的方式进行传输控制，以VLSI的音频编解码芯片VS1063A作为音频编解码模块，通过W5200中断接收处理子任务等子任务实现软件编程。　　参考文献　　[1]路小敏.基于CAN总线的煤矿广播系统的研究[D].西安科技大学，2015.　　[2]魏免.基于以太网和CAN总线的煤矿数字语音广播系统的研究[D].中国矿业大学，2015.　　[3]卫文慧，魏免.基于以太网和CAN总线的煤矿语音广播系统设计[J].工矿自动化，2015，41（2）：103-106.