基于VoIP 數(shù)字?jǐn)U音電話的設(shè)計(jì)及煤礦應(yīng)用

賈艷陽 申旭奇 延向軍

（1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000；2.山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000 ）

1 概述

擴(kuò)音電話系統(tǒng)是煤礦井下安全系統(tǒng)[1]的重要組成部分，一般實(shí)現(xiàn)打點(diǎn)、喊話及語音播報(bào)的功能，用于綜采工作面和皮帶運(yùn)輸沿線的廣播通話和通信聯(lián)絡(luò)。傳統(tǒng)的擴(kuò)音電話一般采用模擬量信號(hào)傳輸，主要服務(wù)于區(qū)域，比如局部皮帶及區(qū)域運(yùn)輸?shù)葓龊希茈y和井下通信系統(tǒng)互接，從而使擴(kuò)音電話的功能受到了很大的限制。常村礦目前已經(jīng)完成了調(diào)度通信、無線通訊、應(yīng)急廣播、人員定位和安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，但是各個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立運(yùn)行，沒有實(shí)現(xiàn)通信融合和統(tǒng)一的調(diào)度指揮。以應(yīng)急廣播系統(tǒng)為例，在470 m 水平安裝了50 臺(tái)擴(kuò)音電話，服務(wù)于主要進(jìn)風(fēng)、輔助運(yùn)輸大巷，520 m 水平采區(qū)也安裝了擴(kuò)音電話通訊系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)只服務(wù)于局部，沒有實(shí)現(xiàn)與地面、其它系統(tǒng)之間的通信聯(lián)動(dòng)。

2 技術(shù)方案

為了解決模擬擴(kuò)音電話使用的局限性，解決常村礦音頻設(shè)備中存在的問題，該設(shè)計(jì)提出了基于IP的語音傳輸（英語：Voice over Internet Protocol，縮寫為VoIP）的擴(kuò)音電話。VoIP 的基本原理是通過語音的壓縮算法對語音數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行壓縮處理，然后把這些語音數(shù)據(jù)按TCP/IP 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打包，經(jīng)過IP 網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包送至接收地，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解壓處理后，恢復(fù)成原來的語音信號(hào)。其常用的協(xié)議（Control Protocol）如H.323、SIP、MEGACO 和MGCP。基于煤礦現(xiàn)有系統(tǒng)的考慮，該設(shè)計(jì)采用了SIP 協(xié)議。SIP 協(xié)議是一個(gè)基于文本的應(yīng)用層控制協(xié)議，用于創(chuàng)建、修改和釋放一個(gè)或多個(gè)參與者的會(huì)話。SIP 是一種源于互聯(lián)網(wǎng)的IP 語音會(huì)話控制協(xié)議，具有靈活、易于實(shí)現(xiàn)、便于擴(kuò)展等特點(diǎn)[2]。目前大多數(shù)煤礦的WiFi 無線通信系統(tǒng)采用的是SIP 協(xié)議。因此該設(shè)計(jì)采用SIP 協(xié)議也便于后期與其他系統(tǒng)的接入。

數(shù)字?jǐn)U音電話主要由數(shù)字通信處理電路、電源電路、音頻放大電路、打點(diǎn)電路、送話電路、電池充電電路等組成，實(shí)現(xiàn)井上下的雙向呼叫、打點(diǎn)、自動(dòng)接聽、自動(dòng)掛斷等功能。采用以太網(wǎng)接口基于標(biāo)準(zhǔn)的SIP 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)的接入。產(chǎn)品設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)框圖

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 數(shù)字通信處理設(shè)計(jì)

擴(kuò)音電話的數(shù)字通信處理主要由STM32F750處理器模塊、ES8388 音頻編解碼模塊、以太網(wǎng)通信模塊等組成。主要功能包括：接收地面?zhèn)鱽淼耐ㄐ胖噶罴耙纛l信號(hào)，轉(zhuǎn)換為模擬音頻給音頻放大電路，從而實(shí)現(xiàn)了音頻的傳輸播報(bào)；基于SIP 協(xié)議的設(shè)計(jì)，注冊到煤礦現(xiàn)有的SIP 服務(wù)器上以后，也可以接收其他SIP 號(hào)碼的呼叫指令及語音信號(hào)；采集擴(kuò)音電話麥克風(fēng)的語音信號(hào)，通過編碼后傳輸?shù)降孛婊蚱渌鸖IP 分機(jī)，實(shí)現(xiàn)音頻的輸入功能。

3.2 打點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

打點(diǎn)電路采用模擬電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。采用NE555 產(chǎn)生有一個(gè)860 Hz±10 Hz 的方波信號(hào)，經(jīng)過處理以后給本機(jī)的音頻放大電路及語音輸出接口，打點(diǎn)信號(hào)由工作面及皮帶沿線的工人完成相應(yīng)的操作實(shí)現(xiàn)，通過按下擴(kuò)音電話的打點(diǎn)按鈕，實(shí)現(xiàn)對本機(jī)及沿線設(shè)備的打點(diǎn)預(yù)警。在實(shí)際使用中，皮帶工人在開啟皮帶或停皮帶之前，需要通過打點(diǎn)預(yù)警的方式通知沿線工人，提醒人員注意安全。

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

由于該擴(kuò)音電話用于煤礦井下，因此產(chǎn)品的供電電源為本質(zhì)安全型電源。對于電源電路的設(shè)計(jì)主要是滿足本安電源的容性參數(shù)及感性參數(shù)的要求，同時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足寬壓供電要求。煤礦常用的本安電源電壓等級主要為DC24 V、DC18 V、DC12 V，考慮到電話內(nèi)部電路的供電、功耗及壓降，擴(kuò)音電話的供電采用DC18 V 及DC12 V 的模式，內(nèi)部采用LM2596 進(jìn)行降壓處理。LM2596 系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的3A 電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150 kHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23 V），并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。

3.4 音頻放大電路設(shè)計(jì)

音頻放大電路承擔(dān)著地面音頻及其他設(shè)備傳來音頻的放大功能。由于煤礦的特殊性，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需要做到音質(zhì)清晰、洪亮，這樣才能滿足井下工人的使用要求。綜合考慮之下，采用KA2206B 作為核心功放芯片。KA2206B 是2.3 W 雙聲道音頻功率放大器集成電路，輸入阻抗為25 kΩ，供電電壓范圍為9～15 V，簡單的外圍及可靠的性能成為該產(chǎn)品的首選。同時(shí)為了提高產(chǎn)品的使用體驗(yàn)，在靜默狀態(tài)下禁止功放的工作，可以有效地避免功放底噪的產(chǎn)生。

3.5 電池充放電電路設(shè)計(jì)

產(chǎn)品在擴(kuò)播及打點(diǎn)的情況下，瞬時(shí)功耗會(huì)很大，在瞬間可能會(huì)導(dǎo)致本安電源保護(hù)。為了避免這種情況的發(fā)生，產(chǎn)品需要具備瞬時(shí)功耗增大的保護(hù)功能，在瞬時(shí)可以切換到電池供電，從而避免本安電源的保護(hù)。在正常情況下，電池處于充電狀態(tài)。產(chǎn)品采用LM317 組成充電比較電路，當(dāng)電池電壓很低時(shí)大電流充電，隨著電池電壓的升高，充電電流逐漸減小，最終形成涓流的充電方式，可以有效地保護(hù)電池，延長電池的使用壽命。

3.6 送話電路設(shè)計(jì)

由于該產(chǎn)品除了和地面通話，也會(huì)存在于其他外接音頻的擴(kuò)播設(shè)備通話，因此送話電路需要具備高功率的輸出才能進(jìn)行音頻信號(hào)的遠(yuǎn)傳。在該產(chǎn)品中采用LM386 的設(shè)計(jì)，輸入音源增益可調(diào)，主要決定于1 腳與8 腳之間的容阻組合，懸空時(shí)為固定的20 倍增益，1.2 k 電阻與10 uF 電容組合時(shí)為50倍增益，只有10 uF 電容時(shí)為200 倍增益，在語音模塊中增益固定為20 倍。為保證LM386 的工作穩(wěn)定，供電電壓采用一只LM78L05 芯片穩(wěn)壓，使得送話電路的電壓穩(wěn)定在5 V，從而確定了擴(kuò)音電話麥克風(fēng)的偏置電阻為2.2 k。

4 主要技術(shù)指標(biāo)及功能

4.1 主要技術(shù)指標(biāo)

序號(hào) 參數(shù)類型 主要技術(shù)指標(biāo)1 供電參數(shù) 供電電壓：DC18 V/DC12 V，電流≤1 A 2 語音信號(hào)參數(shù)① 頻率帶寬：350～3000 Hz；② 擴(kuò)音響度：不小于85 dB（A）（另一臺(tái)擴(kuò)音電話MIC輸入1 kHz、100 mV信號(hào)時(shí)）；③ 語音失真度：≤15%（擴(kuò)音響度為85 dB 時(shí)）；④ 頻率響應(yīng)：≤±6 dB（350～3000 Hz）。3 打點(diǎn)信號(hào)參數(shù) ① 打點(diǎn)響度：不小于85 dB（A）；② 打點(diǎn)頻率：860 Hz±10 Hz；③ 打點(diǎn)方式：手動(dòng)打點(diǎn)。4 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)① 接口數(shù)量：1 個(gè)；② 傳輸方式：TCP/IP；③ 傳輸速率：10/100 Mbps 自適應(yīng)；④ 信號(hào)工作電壓峰峰值：1.0～5.0 V；⑤ 最大傳輸距離：100 m（使用MHYV4×2×0.75 mm2 型煤礦用聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套通信電纜）。

4.2 產(chǎn)品功能

（1）自動(dòng)接聽。當(dāng)接收到其他設(shè)備、地面發(fā)送來的呼叫指令，振鈴后話機(jī)能自動(dòng)接聽。

（2）自動(dòng)掛斷。通話結(jié)束后可以自動(dòng)掛斷，釋放音頻線路。

（3）SIP 注冊功能。支持開放式的SIP 協(xié)議，可以注冊到支持SIP 通信協(xié)議的設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)和地面SIP 調(diào)度電話、井下SIP 話機(jī)、WiFi 手機(jī)等設(shè)備的互聯(lián)互通。

（4）廣播功能。支持廣播私有協(xié)議，通過上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)音電話播放音樂，支持定時(shí)播放、手動(dòng)播放等方式。

（5）緊急呼叫功能。按下擴(kuò)音電話的緊急按鈕，可以一鍵直呼預(yù)制好的號(hào)碼。

（6）模擬音頻輸出。具備標(biāo)準(zhǔn)的音頻功率輸出接口，可以接入煤礦井下大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)音頻的模擬音頻設(shè)備。（7）送話功能。（8）打點(diǎn)功能。

5 煤礦應(yīng)用

目前，該設(shè)備已經(jīng)在常村煤礦得到很好的應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）完成了井下皮帶沿線擴(kuò)音電話、猴車廣播等音頻設(shè)備的接入，地面可以對井下的設(shè)備發(fā)起呼叫，實(shí)現(xiàn)雙向通話。在緊急情況下，調(diào)度室人員可以對井下的音頻設(shè)備進(jìn)行廣播通知，對應(yīng)急救援起到保障作用。

（2）實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)絡(luò)與互動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)方式為：首先地面的SIP 服務(wù)平臺(tái)與程控調(diào)度平臺(tái)進(jìn)行中繼對接，實(shí)現(xiàn)了SIP 服務(wù)平臺(tái)下面的各個(gè)SIP 號(hào)碼與程控調(diào)度電話之間的相互通信；基于通信的建立，擴(kuò)音電話注冊的號(hào)碼可以與安全監(jiān)測系統(tǒng)的分站、人員定位分站安裝區(qū)域進(jìn)行綁定，通過對聯(lián)動(dòng)策略的制定，瓦斯超限、人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、井下人員通過人員定位卡的緊急按鈕呼救時(shí)，可以自動(dòng)撥打預(yù)設(shè)的擴(kuò)音電話號(hào)碼進(jìn)行語音通知；自動(dòng)化系統(tǒng)啟停車、故障時(shí)，能自動(dòng)對沿線區(qū)域進(jìn)行廣播告警。

6 結(jié)語

采用VoIP 的數(shù)字?jǐn)U音電話建設(shè)的數(shù)字程控平臺(tái)的煤礦融合通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，能有效防止安全事故的發(fā)生。當(dāng)井下某處發(fā)現(xiàn)瓦斯超限、設(shè)備故障、人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域等事故前兆時(shí)，通過融合通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，及時(shí)自動(dòng)通知相應(yīng)作業(yè)地點(diǎn)的人員迅速撤離危險(xiǎn)區(qū)域，避免人身傷亡事故發(fā)生。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測、調(diào)度，對提高煤礦安全保障，維護(hù)企業(yè)形象有很大的促進(jìn)作用，對保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。