基于CAN總線的煤礦語音廣播系統設計

李華

摘 要：基于傳統語音廣播的局限性，以以太網和CAN總線等技術為支撐的雙向廣播調度系統在煤礦廣播中的作用越來越突出。文章以以太網和CAN總線等技術為支撐，從系統總體架構、硬件、軟件等方面進行煤礦廣播系統設計，為煤礦安全生產提供了保障。

關鍵詞：煤礦語音廣播系統；CAN總線；音頻編解碼

我國是人口大國，能源需求量較大，煤炭作為傳統的能源在新能源崛起過程中仍占較大比例。我國煤炭資源開采主要在地下進行作業，不安全因素較多，人員和財產安全得不到有效的保障。隨著國家對煤炭安全的重視，煤礦廣播系統等煤礦通信系統在煤礦安全生產中的作用越來越突出，是井上井下間相互交流的重要保障，有助于調度中心在危機情況下進行人員調度，進而保障人員安全[1～3]。

隨著科學技術的不斷發展，煤礦各個領域與現代化信息技術的結合越來越密切，煤礦廣播系統已經朝著網絡集成、智能化等方向發展，為及時防止煤礦危險事故的發生、安全事故中有效指揮人員撤離提供了保障。傳統語音廣播已經退出歷史舞臺，以太網和CAN總線相結合的網絡數字語音傳播系統在煤礦廣播中的作用不斷凸顯[1～3]。文章以以太網和CAN總線等技術為支撐，從系統總體架構、硬件、軟件等方面進行煤礦廣播系統設計，為煤礦安全生產提供了保障。

1 關鍵技術

煤礦廣播系統在井上井下的交流中起著重要作用，是調度中心進行井下指揮的重要方式。IP網絡廣播等廣播技術具有資源占用大、布線存在盲區等缺點，使得這部分廣播技術在實際中逐漸被

CAN總線等通訊方式取代。以太網和CAN總線等關鍵技術是煤礦

廣播系統設計的關鍵[1，3]。

1.1 工業以太網

以太網作為一種分組交換局域網技術在20世紀70年代后迅速發展，以太網與光線技術的結合使“光以太網”出現在人們的眼前，提升了數據傳輸技術。工業以太網是以太網在管理領域和工業控制領域的應用，是通信中的重要方式。工業以太網是面向生產過程的，因此，工業以太網作為一種全開放性和數字化的網絡，具有成本低、支持多種語言、信息共享能力強、通信率高、發展潛力大等特點，在工業企業綜合自動化系統中的執行制造層、管理決策層以及現場設備層都有應用。工業以太網的特點打破了遠程監控等的時空限制，具有較大的靈活性。但工業以太網在基層現場設備中的應用與現場總線相比還有一定的差距，因此，應加大力度進行基層設備的工業以太網建設[1，3]。

1.2 CAN總線

CAN總線全稱為控制器局域網（ControllerAreaNetwork），來源于德國的Bosch公司，是一種多主機局部串行通信網絡，具有功能完善、性價比高等特點，其功能是通過測試與控制間實時和可靠數據的交換的方式實現低層控制，在廣播系統中廣泛應用。CAN總線具有節點數目由總線驅動電路決定（節點數目可達110個）、報文采用短幀結構、通信方式靈活、傳輸方式多樣、可靠的錯誤檢測和出錯處理功能等特性，在廣播系統中具有較大的優勢。此外，光纖或雙絞線均可以作為CAN總線介質，速率在5kbps以下時，最遠傳輸距離可達10km，總線長度在40米以下時，傳輸速率可達1Mbps[1，3]。

1.3 PCM和OggVorbis編碼算法原理

PCM編碼算法包括采樣、量化、編碼三個基本過程（如圖1），該算法原理比較簡單，具有延時與復雜度極小、語音質量高、錄音文件較大、碼率較高等特點。當采樣率、雙聲道分別為8KHz、16bit時，碼率為256Kbps，若對音質沒有太大的要求，則可以將碼率降低到128Kbps或64Kbps[2]。

OggVorbis編碼算法的編碼過程如圖2所示，通過將PCM音頻信號進行快速傅里葉變化（FFT）和改進離散余弦變換（256/2048MDCT）轉化為頻譜系數，然后將頻譜系數輸入心理聲學模型，心理聲學模型分析包括兩個方面，一是利用線性預測對頻譜系數進行分析，以LPC為頻譜包絡的表示形式；二是總的掩蔽曲線通過音調、噪聲掩蔽計算的方式得到，再將總的掩蔽曲線進行線性分段逼近方式分析，從而得到基底曲線。白化殘差頻譜通過聲道耦合技術進行冗余度降低，再利用矢量化作用于白化的殘差信號，最終形成OggVorbis碼流。其中，白化殘差頻譜是通過從MDCT系數中去掉頻譜包絡的方式得到的[2]。

2 系統總體架構

系統總體架構如圖3所示，是基于以太網和CAN總線的雙向廣播調度系統，分為井上和井下兩部分，PC機、本安調度主機、礦用交換機是井上廣播調度系統的組成本分，其中，PC機、本安調度主機通過礦用交換機與井下部分進行信息交流。井下部分包括廣播主站、廣播分站，廣播主站和分站在采掘工作面、避難室、井下大巷以及皮帶沿線等地方均有分布，其中，以太網和CAN總線是系統的物理架構，以主/從式為邏輯結構，采用光、電結合的形式作為傳輸連接方式[2]。

3 硬件設計

本安調度主機、廣播主站和廣播分站是整個系統的重要組成部分，硬件電路設計涉及以太網、CAN總線等多方面技術。主站硬件結構如圖4所示，包括Ethernet傳輸控制模塊、微控制器、CAN總線傳輸控制模塊、音頻編解碼模塊、RS485接口模塊等模塊組成[2]。井上與井下部分連接使用光纜進行連接，主站與各分站、音箱等間的連接則采用屏蔽雙絞線和電纜連接[3]。

3.1 MCU模塊

MCU模塊中處理器選用STM32F103VET6型號的微處理器，這個型號的微處理器是基于32bitRISC內核的增強型系列，由5個串口、3個SPI接口、8個定時器、1個CAN控制器、3路12bitADC模塊、64KBSRAM、512KBFLASH等組成。MCU模塊電路由3.3V電壓供電，電路設計相對簡單。該模塊、無源晶振、內部程序倍頻分別為8MHz、72MHz，采用阻容式結構作為復位電路，為信號的高速處理提供了可能[2]。

3.2 以太網和CAN通信模塊

該系統采用W5200型Ethernet控制器+輕型TCP/IP協議棧的方式進行傳輸控制，基于W5200支持80MHz的SPI接口間通信，該嵌入式系統的功能得到較大程度的提升。CAN總線采用的是STM32自帶的bxCAN控制器，支持CAN2.0A和CAN2.0B，其中，該控制器由2個3級深度的接收FIFO、3個發送郵箱等組成，使其具有優先報文發送、時間觸發通信等功能[2]。

3.3 音頻編解碼模塊

該系統以VLSI的音頻編解碼芯片VS1063A作為音頻編解碼模塊，該芯片不僅能夠支持MP3、AAC、WMA、OGG等多種音頻格式的解碼，還能夠支持對MP3、PCM、OGG等格式的編碼。此外，該芯片還能夠支持PCM、G.711、G.712以及IMAADPCM全雙工編解碼模式。該系統中以VS1063A為從設備，利用SPI接口（SPI1）與MCU相連，基于該芯片內嵌的微核，VS1063A也可以獨立使用[2]。

4 軟件設計

該系統中廣播主站的流程圖如圖5所示，可通過“通話”、“播放”、“打點”和“停止”4個功能按鈕實現不同模式間的切換。在按鍵中斷的條件下，通過子任務進行按鍵的分析，進而執行相關的任務。通過W5200中斷接收處理子任務完成對數據的實時音頻文件報文的實時接收、解包以及重組，進而完成網絡音頻參數等的設置；通過CAN總線中斷接收處理子任務可以完成對音頻數據的進一步處理，這個任務的主要功能是實現對音頻數據的接收和功能指令解析；串口發送子任務則是廣播分站固件升級的重要方式；錄音發送子任務主要涉及對PCM、Ogg等格式的音頻數據的封裝及發送，在這個過程中依靠播放子任務還可以完成對音頻報文的解包、解碼以及播放；顯示子任務則是用于顯示終端工作狀態，供調度人員進行指揮[2]。

5 結束語

文章以以太網和CAN總線等技術為支撐，從系統總體架構、硬件、軟件等方面進行煤礦廣播系統設計，為煤礦安全生產提供了保障。設計的系統是基于以太網和CAN總線的雙向廣播調度系統，分為井上和井下兩部分該系統以太網和CAN總線是系統的物理架構，以主/從式為邏輯結構，采用光、電結合的形式作為傳輸連接方式，MCU模塊中處理器選用STM32F103VET6型號的微處理器，采用W5200型Ethernet控制器+輕型TCP/IP協議棧的方式進行傳輸控制，以VLSI的音頻編解碼芯片VS1063A作為音頻編解碼模塊，通過W5200中斷接收處理子任務等子任務實現軟件編程。

參考文獻

[1]路小敏.基于CAN總線的煤礦廣播系統的研究[D].西安科技大學， 2015.

[2]魏免.基于以太網和CAN總線的煤礦數字語音廣播系統的研究[D].中國礦業大學，2015.

[3]衛文慧，魏免.基于以太網和CAN總線的煤礦語音廣播系統設計[J].工礦自動化，2015，41（2）：103-106.