基于CAN總線的礦用語音廣播對講系統設計 - 全文

　　引言

　　隨著數字化網絡技術的迅速發(fā)展，為了進一步提高煤礦安全生產及現代化管理水平，基于工業(yè)以太網+現場總線的數字化自動控制網絡結構的語音廣播系統，正在礦用語音廣播領域受到越來越多的關注和重視。目前，在國內礦用CAN總線語音廣播系統產品中，很多公司的產品都選擇了基于話音的壓縮編碼技術（AMBE、CVSD等），把話音壓縮成很低的速率進行傳輸并解碼還原播放。這類低壓縮率的編碼技術對于話音有比較好的還原播放效果，但是對于質量較高的音頻信號（MP3文件、WAV文件等），在解壓后的播放效果非常不理想，從而只能采用上位機點播的方式進行本地播放，終端設備上必須安裝大容量的存儲設備，存儲內容在井下的更新和修改很不方便。另一種基于以太網技術的語音廣播系統為了實現遠傳輸距離，需要在井下鋪設光纖，成本非常高，加上井下工作環(huán)境復雜危險，光纖一旦折斷損壞，在井下現場進行熔接修理很不方便，維護成本很高。

　　相對于國內外市場現有的基于以太網的語音廣播系統，本文所介紹的基于CAN總線的語音廣播對講系統具有造價成本低、安裝維護方便的優(yōu)勢；而相對于國內市場上的CAN總線型廣播系統而言，增加了遠距離、低帶寬條件下高品質音頻信號實時播放的功能，為煤礦井下數字化語音廣播領域提供了一個低成本、低功耗、多功能的新型解決方案。

　　1 系統總體構架

　　本系統的總體構架如圖1所示。該語音系統主要由井下語音終端節(jié)點、CAN轉TCP／IP網關、地面調度上位機、通信電纜等組成。地面可以通過調度上位機對井下各個語音終端進行操作，實現話音和高質量音頻文件以點播方式、組呼方式和全呼方式進行傳輸，井下各個語音終端節(jié)點可以實現話音的組呼或者調度呼叫。同時，調度上位機傳輸各種控制命令對各個節(jié)點進行遠程控制，實現巡檢、監(jiān)聽、聯機等功能。

　　本系統中CAN總線的傳輸速率為20 khps，傳輸距離不小于2 km，CAN總線終端設備通過一對雙絞線即可實現連接通信，在井下的安裝布線方便，維護成本很低。在該系統中，選用了Cortex-M3內核的微處理器LPC1768，最高速率可以達到100MHz，足以滿足系統的各項功能需要。

　　為了實現CAN總線的遠距離傳輸，必須以犧牲傳輸波特率為前提。在該系統中，選擇和實現一種低碼速、高音質的語音壓縮編碼是整個系統的關鍵。共軛代數碼激勵線性預測（CS-ACELP）的8 kb／s語音編碼G．729方法延遲小，可以提供與32 kb／s的ADPCM相同的語音質量。其音質是同檔次碼速率中最優(yōu)的，而且在噪聲較大的環(huán)境中也會有較好的語音質量，廣泛地應用于多種數字語音通信領域。

　　在嵌入式平臺上實現G．729壓縮編碼算法是該項目開發(fā)中的難點，在本系統中選用了一種單芯片的解決方案，利用一款多類別語音編解碼芯片CMX7261，配合Cortex-M3內核的嵌入式軟硬件平臺實現了語音信號的G．729A壓縮編碼。

　　2 語音終端硬件設計

　　2．1 終端硬件總體設計

　　終端硬件總體設計示意圖如圖2所示。模擬語音通過麥克風輸入，經過音頻放大芯片MC34119進行放大，然后送到語音編解碼芯片CMX72 61進行A／D轉換；數據壓縮打包后通過SPI接口傳送給微處理器LPC1768，微處理器通過CAN收發(fā)器CTM8250將數據傳送到CAN總線上；總線上的語音數據流通過CAN收發(fā)器傳送給微處理器，通過微處理器的SPI接口傳送給CMX7261，實現編碼數據的解碼；解碼后的數據通過CMX7261內部的D／A轉換器轉換成模擬語音，經音頻功放芯片TDA2822驅動喇叭播放。

　　2．2 語音處理模塊設計

　　CMX7261是英國CML公司研發(fā)的一種多類別語音編解碼芯片，支持多種語音編解碼標準。它能將模擬語音編碼成為PCM（線性、u率、A率）CVSD或者G．729A的數據格式，也能把PCM、CVSD和G．729A的語音數據流解碼成模擬語音輸出，并且支持PCM、CVSD和G．729A協議之間的相互轉換。CMX7261由3．3 V電源供電，提供可選的低功耗模式。

　　圖3為CMX7261與微處理器LPC7168的接口電路圖。CMX7261與LPC1768通過C-BUS（SPI模擬）接口進行數據的傳輸。設置CMX7261的相關功能寄存器，產生壓縮速率為8kb／s的G．729A語音的編碼數據流，在CAN總線上傳輸，傳輸速率選擇15kb／s，終端節(jié)點之間的傳輸距離2000m。由于G．729A的編解碼標準對于質量較高的語音支持效果較好，所以采用CMX7261語音芯片能夠低成本地實現話音和高質量語音的窄帶通信。

　　2．3 CAN總線電路設計

　　在本系統中選用了帶隔離的CAN收發(fā)器模塊CTM8250。CTM8250是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器模塊，該模塊內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，這些都被集成在不到3 cm2的模塊上。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500 V的隔離功能。

　　3 軟件設計

　　3．1 終端軟件設計

　　對于語音傳輸系統而言，實時性是一個重要的評價指標。在該語音終端的軟件設計中，引入了事件池的思想。事件池在具體軟件實現上是一個封裝好的結構體數組，數組的大小為事件池中能同時容納的事件的個數，即在同一時刻，系統中允許最多發(fā)生事件的個數。

　　本系統軟件設計中，響應外中斷和功能函數的方式有兩種：

　　①依據外部中斷的類型或者功能函數的返回值，在結構體數組中依據事件參數初始化一個結構體變量，即在事件池中產生了一個待處理的事件。

　?、谠诮Y構體數組（即事件池）中，依據事件參數遍歷查詢相應的結構體，即依據事件參數遍歷查詢相應事件是否發(fā)生，并調用相應的功能函數；依據事件參數對該結構體進行處理，即對發(fā)生的事件進行處理；一個事件（結構體）處理成功結束后，重新初始化結構體中的事件參數，即把處理完的事件在事件池中銷毀，如果事件處理失敗，則不改變事件參數，等待下一輪的處理。

　　這樣，微處理器在循環(huán)不斷地處理事件（結構體）時，其實就是對系統中實時發(fā)生的各種情況進行快速響應，把封裝好的結構體作為系統中各類事件的數學模型。

　　圖4為系統終端進行語音數據流收發(fā)和編解碼的軟件事件池示意圖。在本系統終端的軟件設計中，按鍵掃描模塊、CAN總線收發(fā)模塊、語音編解碼芯片CMX7261與LPC1768進行SPI數據通信等各種外部觸發(fā)都采用了中斷方式，減少了處理器的等待時間。在具體的軟件設計上，在CAN總線的收發(fā)控制中設定了兩級緩存，每級緩存都有對應的PUSH和POP兩個變量來實時地作為收發(fā)緩存填充的標志，語音數據流在收發(fā)過程中做到了非阻塞，提高了語音數據流的傳輸效率和語音編解碼效率。

　　當發(fā)生某一種特定的條件后，終端處理器并不是立馬去執(zhí)行相應的操作程序，而是產生相應的事件，初始化事件參數，放入軟件事件池中。語音終端的軟件設計由事件池作為系統軟件的協調者，簡化了軟件的開發(fā)流程，使得軟件開發(fā)層次清晰，效率高。

　　3．2 CAN總線應用層協議設計

　　CAN總線的底層硬件工作于OSI的數據鏈路層和物理層，CAN總線網絡通信協議僅解決了數據發(fā)送、接收、錯誤處理等底層硬件數據傳輸問題，對于應用層數據并沒有規(guī)定相應的解析協議，應用層協議需要開發(fā)人員自定義，主要應考慮以下三個方面：數據幀格式確定、總線資源的分配、發(fā)送接收數據幀的分配。

　　該系統中，CAN應用層協議需要由開發(fā)人員進行設之間進行安全穩(wěn)定通信的關鍵。所以，CAN總線技術，特別是CAN總線應用層協議是該系統設計中的一個關鍵點和難點?，F在國內外存在一些現有的CAN總線應用層協議標準（CANopen、CANbus），本系統以這些應用層協議標準作為參考，結合本系統的功能設計出適用于該系統的CAN總線應用層通信協議。

　　本系統在CAN應用層協議的設計中，對于單個終端節(jié)點而言，在收到CAN總線語音數據的條件下（有CAN總線中斷）沒有發(fā)送語音的權利，即接收的優(yōu)先級比發(fā)送的優(yōu)先級高，這樣就很好地避免了一條總線上語音數據流的沖突問題。在同一時間，整條CAN總線上最多只能有一對節(jié)點在進行語音數據的傳輸。

　　地面調度上位機在整個系統中是處于優(yōu)先級最高的地位，當井下終端節(jié)點在進行廣播通話的過程中接收有調度上位機的語音數據后，發(fā)送終端應該及時作出判斷，關閉發(fā)送功能，轉為接收調度上位機的語音數據。

　　在CAN總線的各個終端之間在進行數據發(fā)送接收工作時，調度上位機的控制信息仍然可以在總線中進行傳輸，不影響終端的語音傳輸的功能。終端節(jié)點在接收到調度上位機的控制信息后，應在空閑時進行相應的操作和回應。

　　結語

　　本文給出了基于G．729A語音編解碼技術的煤礦井下語音傳輸系統構架、終端的軟硬件設計方案和CAN總線應用層協議設計方案，用事件池的軟件沒計思路實現了G．729A壓縮編碼的語音數據流在井下CAN總線的實時安全傳輸，實現了話音和高質量語音信號在窄帶寬的CAN總線上實時傳輸的功能。本系統的方案新穎，成本低，實現簡單，對于煤礦井下語音傳輸系統的設計和開發(fā)有很好的借鑒意義。