基于CAN總線的礦用語音廣播對講系統(tǒng)設(shè)計※

張科帆

（天地（常州）自動化股份有限公司，常州 213015）

張科帆（碩士生），從事煤礦通信系統(tǒng)的研發(fā)工作。

引 言

隨著數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了進一步提高煤礦安全生產(chǎn)及現(xiàn)代化管理水平，基于工業(yè)以太網(wǎng)＋現(xiàn)場總線的數(shù)字化自動控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的語音廣播系統(tǒng)，正在礦用語音廣播領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注和重視。目前，在國內(nèi)礦用CAN總線語音廣播系統(tǒng)產(chǎn)品中，很多公司的產(chǎn)品都選擇了基于話音的壓縮編碼技術(shù)（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(shù)對于話音有比較好的還原播放效果，但是對于質(zhì)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(shè)備上必須安裝大容量的存儲設(shè)備，存儲內(nèi)容在井下的更新和修改很不方便。另一種基于以太網(wǎng)技術(shù)的語音廣播系統(tǒng)為了實現(xiàn)遠(yuǎn)傳輸距離，需要在井下鋪設(shè)光纖，成本非常高，加上井下工作環(huán)境復(fù)雜危險，光纖一旦折斷損壞，在井下現(xiàn)場進行熔接修理很不方便，維護成本很高。

相對于國內(nèi)外市場現(xiàn)有的基于以太網(wǎng)的語音廣播系統(tǒng)，本文所介紹的基于CAN總線的語音廣播對講系統(tǒng)具有造價成本低、安裝維護方便的優(yōu)勢；而相對于國內(nèi)市場上的CAN總線型廣播系統(tǒng)而言，增加了遠(yuǎn)距離、低帶寬條件下高品質(zhì)音頻信號實時播放的功能，為煤礦井下數(shù)字化語音廣播領(lǐng)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(tǒng)總體構(gòu)架

本系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示。該語音系統(tǒng)主要由井下語音終端節(jié)點、CAN轉(zhuǎn)TCP／IP網(wǎng)關(guān)、地面調(diào)度上位機、通信電纜等組成。地面可以通過調(diào)度上位機對井下各個語音終端進行操作，實現(xiàn)話音和高質(zhì)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(xiàn)話音的組呼或者調(diào)度呼叫。同時，調(diào)度上位機傳輸各種控制命令對各個節(jié)點進行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)巡檢、監(jiān)聽、聯(lián)機等功能。

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

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架示意圖

為了實現(xiàn)CAN總線的遠(yuǎn)距離傳輸，必須以犧牲傳輸波特率為前提。在該系統(tǒng)中，選擇和實現(xiàn)一種低碼速、高音質(zhì)的語音壓縮編碼是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。共軛代數(shù)碼激勵線性預(yù)測（CS－ACELP）的8kb／s語音編碼 G.729方法延遲小，可以提供與32kb／s的ADPCM相同的語音質(zhì)量。其音質(zhì)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(zhì)量，廣泛地應(yīng)用于多種數(shù)字語音通信領(lǐng)域。

在嵌入式平臺上實現(xiàn)G.729壓縮編碼算法是該項目開發(fā)中的難點，在本系統(tǒng)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(nèi)核的嵌入式軟硬件平臺實現(xiàn)了語音信號的G.729A壓縮編碼。

2 語音終端硬件設(shè)計

2.1 終端硬件總體設(shè)計

圖2 終端硬件總體設(shè)計框圖

終端硬件總體設(shè)計示意圖如圖2所示。模擬語音通過麥克風(fēng)輸入，經(jīng)過音頻放大芯片MC34119進行放大，然后送到語音編解碼芯片CMX7261進行A／D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳送到CAN總線上；總線上的語音數(shù)據(jù)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(xiàn)編碼數(shù)據(jù)的解碼；解碼后的數(shù)據(jù)通過CMX7261內(nèi)部的D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬語音，經(jīng)音頻功放芯片TDA2822驅(qū)動喇叭播放。

2.2 語音處理模塊設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。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(shù)據(jù)格式，也能把PCM、CVSD和G.729A的語音數(shù)據(jù)流解碼成模擬語音輸出，并且支持PCM、CVSD和G.729A協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。CMX7261由3.3V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(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)置CMX7261的相關(guān)功能寄存器，產(chǎn)生壓縮速率為8kb／s的G.729A語音的編碼數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)對于質(zhì)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(xiàn)話音和高質(zhì)量語音的窄帶通信。

2.3 CAN總線電路設(shè)計

在本系統(tǒng)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(nèi)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3cm2的模塊上。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2 500V的隔離功能。

3 軟件設(shè)計

3.1 終端軟件設(shè)計

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

本系統(tǒng)軟件設(shè)計中，響應(yīng)外中斷和功能函數(shù)的方式有兩種：

① 依據(jù)外部中斷的類型或者功能函數(shù)的返回值，在結(jié)構(gòu)體數(shù)組中依據(jù)事件參數(shù)初始化一個結(jié)構(gòu)體變量，即在事件池中產(chǎn)生了一個待處理的事件。

圖3 CMX7261與LPC7168的接口電路圖

② 在結(jié)構(gòu)體數(shù)組（即事件池）中，依據(jù)事件參數(shù)遍歷查詢相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，即依據(jù)事件參數(shù)遍歷查詢相應(yīng)事件是否發(fā)生，并調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)；依據(jù)事件參數(shù)對該結(jié)構(gòu)體進行處理，即對發(fā)生的事件進行處理；一個事件（結(jié)構(gòu)體）處理成功結(jié)束后，重新初始化結(jié)構(gòu)體中的事件參數(shù)，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(shù)，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(jié)構(gòu)體）時，其實就是對系統(tǒng)中實時發(fā)生的各種情況進行快速響應(yīng)，把封裝好的結(jié)構(gòu)體作為系統(tǒng)中各類事件的數(shù)學(xué)模型。

圖4為系統(tǒng)終端進行語音數(shù)據(jù)流收發(fā)和編解碼的軟件事件池示意圖。在本系統(tǒng)終端的軟件設(shè)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(shù)據(jù)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(shè)計上，在CAN總線的收發(fā)控制中設(shè)定了兩級緩存，每級緩存都有對應(yīng)的PUSH和POP兩個變量來實時地作為收發(fā)緩存填充的標(biāo)志，語音數(shù)據(jù)流在收發(fā)過程中做到了非阻塞，提高了語音數(shù)據(jù)流的傳輸效率和語音編解碼效率。

圖4 軟件事件池示意圖

當(dāng)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(yīng)的操作程序，而是產(chǎn)生相應(yīng)的事件，初始化事件參數(shù)，放入軟件事件池中。語音終端的軟件設(shè)計由事件池作為系統(tǒng)軟件的協(xié)調(diào)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(yīng)用層協(xié)議設(shè)計

CAN總線的底層硬件工作于OSI的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議僅解決了數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、錯誤處理等底層硬件數(shù)據(jù)傳輸問題，對于應(yīng)用層數(shù)據(jù)并沒有規(guī)定相應(yīng)的解析協(xié)議，應(yīng)用層協(xié)議需要開發(fā)人員自定義，主要應(yīng)考慮以下三個方面：數(shù)據(jù)幀格式確定、總線資源的分配、發(fā)送接收數(shù)據(jù)幀的分配。

該系統(tǒng)中，CAN應(yīng)用層協(xié)議需要由開發(fā)人員進行設(shè)計，它是CAN總線網(wǎng)絡(luò)中各個終端設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)度主機之間進行安全穩(wěn)定通信的關(guān)鍵。所以，CAN總線技術(shù)，特別是CAN總線應(yīng)用層協(xié)議是該系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵點和難點。現(xiàn)在國內(nèi)外存在一些現(xiàn)有的CAN總線應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（CANopen、CANbus），本系統(tǒng)以這些應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)作為參考，結(jié)合本系統(tǒng)的功能設(shè)計出適用于該系統(tǒng)的CAN總線應(yīng)用層通信協(xié)議。

本系統(tǒng)在CAN應(yīng)用層協(xié)議的設(shè)計中，對于單個終端節(jié)點而言，在收到CAN總線語音數(shù)據(jù)的條件下（有CAN總線中斷）沒有發(fā)送語音的權(quán)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸。

地面調(diào)度上位機在整個系統(tǒng)中是處于優(yōu)先級最高的地位，當(dāng)井下終端節(jié)點在進行廣播通話的過程中接收有調(diào)度上位機的語音數(shù)據(jù)后，發(fā)送終端應(yīng)該及時作出判斷，關(guān)閉發(fā)送功能，轉(zhuǎn)為接收調(diào)度上位機的語音數(shù)據(jù)。

在CAN總線的各個終端之間在進行數(shù)據(jù)發(fā)送接收工作時，調(diào)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?shù)墓δ堋＝K端節(jié)點在接收到調(diào)度上位機的控制信息后，應(yīng)在空閑時進行相應(yīng)的操作和回應(yīng)。

結(jié) 語

本文給出了基于G.729A語音編解碼技術(shù)的煤礦井下語音傳輸系統(tǒng)構(gòu)架、終端的軟硬件設(shè)計方案和CAN總線應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計方案，用事件池的軟件設(shè)計思路實現(xiàn)了G.729A壓縮編碼的語音數(shù)據(jù)流在井下CAN總線的實時安全傳輸，實現(xiàn)了話音和高質(zhì)量語音信號在窄帶寬的CAN總線上實時傳輸?shù)墓δ堋１鞠到y(tǒng)的方案新穎，成本低，實現(xiàn)簡單，對于煤礦井下語音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)有很好的借鑒意義。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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