一種具有應急聯動功能的智能信息引導發布終端

鄒德東，吳 晶

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.撫順市技術創新研究院，遼寧 撫順 113006）

隨著煤礦井下智能化程度越來越高，智能化設備也越來越多。這些系統雖然功能各不相同，但是傳輸平臺基本相同，對信息發布有著同樣的需求。然而目前井下各類信息發布系統，功能單一，各自為戰，為煤礦井下統一管理及智能化的提升帶來了一定的困難。煤礦井下的主要系統有監測監控系統、人員定位系統、應急廣播系統等[1]。監控系統信息只能通過分站自身顯示屏顯示；人員定位信息會以點陣屏的形式顯示，但是沒有音頻報警功能；應急廣播系統雖然可以播放音頻信息，但沒有文本發布功能。此外，目前大多煤礦仍沒有一套功能合理，性能可靠的逃生引導信息指示系統。針對上述問題，設計出一種既能顯示文字、又能播放聲音的智能信息引導發布終端，智能信息引導發布終端同時具有多系統聯動及逃生線路引導指示功能。

1 智能信息引導發布終端整體設計方案

煤礦井下信息內容包括文本通知內容、引導警示圖形、通知報警聲音等。智能發布方式包括地面主動發布、地面定時發布、井下終端固定發布、井下各系統聯動發布[2]。信息發布形式包括屏幕顯示及語音播報。設計的智能信息引導發布終端，采用LED 顯示屏作為文本及圖形顯示；采用網絡音頻模塊結合功放電路完成語音播報；采用集成串口服務器實現井下各系統聯動發布。智能終端具體包括通信模塊、主控模塊、網絡音頻模塊、文本朗讀模塊、點陣顯示模塊及功放模塊單元。智能信息引導發布終端功能圖如圖1。

圖1 智能信息引導發布終端功能圖Fig.1 Function diagram of intelligent information guidance and release terminal

智能終端具備播放上位機音頻流媒體播放功能。內部主控模塊設置1 片單片機進行整機工作流程協調。通電后首先初始化各個模塊狀態并播放、顯示預置信息，然后等待系統聯動發布命令及通信模塊命令，收到命令之后，對命令進行解析，處理完畢后，返回重新等待接收。命令共3 條：①停止發布命令：關閉信息發布然后重新等待接收；②點陣顯示命令：驅動點陣顯示模塊進行信息顯示；③語音播報命令：停止上位機音頻流媒體播放并同時驅動文本朗讀模塊進行音頻播放。

2 智能終端功能

結合煤礦現場對智能終端的性能要求進行設計，智能信息引導發布終端電路原理圖如圖2。

1）主控模塊。主控模塊是整個智能終端的核心,負責與各個功能模塊共5 個UART 端口進行數據交互解析并根據解析結果進行協調控制。U4為CPU 芯片，采用STC15W4K32S4，供電電源為DC3.3 V，通過P1 端口進行程序下載。STC15W4K32S4 芯片擁有4 個UART 接口，無法滿足5 個UART 端口的連接。通過對各模塊功能性質分析發現，文本朗讀模塊及點陣顯示模塊端口方向相同，均為接收，因此這2 個模塊可以共用1 組UART 端口，只需通過協議命令進行區分即可。如圖2，UART1 的復用管腳P3.6、P3.7 連接通信模塊，接收外部的命令和數據；UART3 管腳P0.0、P0.1 連接網絡音頻模塊串口服務器端口，接收網絡上其他設備發送的聯動命令和數據；UART4 的管腳P0.2、P0.3 連接網絡音頻模塊配置端口，控制流媒體播放停止；UART2 的管腳P1.0、P1.1 分別連接文本朗讀模塊和點陣顯示模塊，發送朗讀文本及顯示數據。

圖2 智能信息引導發布終端電路原理圖Fig.2 Circuit schematic diagram of intelligent information guidance and release terminal

2）通信模塊。通信模塊用于接收外部命令及數據，并傳輸給主控模塊。為提高智能終端的兼容性，采用在工業中廣泛應用的RS485 總線的方式進行數據通信[3]。U6為增強型嵌入式隔離RS485 收發器RSM3485ECHT。該收發器采用單一DC3.3 V 電源供電，內部隔離，隔離電壓高達2 500 V?？偩€最多可連接256 個節點。為提高抗電磁干擾能力，引入了由限流電阻、共模電感、磁珠、TVS 管和放電管構成的信號端抗電磁干擾電路[4]，提高終端的抗干擾能力。其中，R1、R2吸收干擾能量，D1、D2抑制浪涌沖擊；L1、L2、L3抑制脈沖群干擾。

3）網絡音頻模塊。網絡音頻模塊負責將上位機下發的網絡數字音頻流解析并轉換成模擬語音信號[5]。U7為網絡音頻模塊，型號為SV-2101TP。該模塊支持多種網絡協議和音頻編解碼協議，可用于VoIP 和IP 尋呼以及高質量音樂流媒體播放等應用。SV-2101TP 采用DC12 V 供電，同時提供RJ45網絡接口、模擬音頻信號輸出接口、UART 配置端口以及串口服務器UART 透明傳輸接口，網絡服務器兼容TCP、UDP 協議。RJ45 網絡接口連接外部網絡信號，完成網絡音頻流媒體接收及網絡透明傳輸數據交互。當接收到網絡音頻流媒體信號后，通過解碼芯片將數字音頻信號轉換成模擬音頻信號，通過模擬音頻輸出接口輸出至功放電路；當接收到網絡透明傳輸數據時，通過內部集成串口服務器轉換成TTL 信號[6]，由串口服務器接口發送給主控模塊CPU。配置端口負責接收主控模塊CPU 的配置命令控制流媒體播放停止，避免與多系統聯動信息發布造成沖突，提高多系統聯動信息發布的優先級。此功能可以實現多系統在脫離上位機的情況下進行聯動，提高聯動效率及可靠性。

4）文本朗讀模塊。文本朗讀模塊負責將主控模塊發送的文本信息進行解碼[7]，轉換成模擬音頻信號。U8為文本朗讀模塊主芯片SYN6288，SSOP28L封裝，供電電源為DC3.3 V，通過UART 接口與主控模塊通信。該芯片支持GB2312、GBK、BIG5 格式的文本，可合成任意中文英文組合，具有智能文本分析，可正確識別不同格式的文本符號，芯片接收到主控模塊CPU 命令數據以后根據實際場景進行智能音頻合成，最后形成模擬音頻信號輸出給功放模塊，最終實現朗讀文本的功能。

5）點陣顯示模塊。點陣顯示模塊用于將主控模塊發送的文本內容、符號或圖案通過LED 點陣顯示出來[8]，供電電源為DC5 V，通過UART 接口與主控模塊進行顯示信息交互。顯示屏采用128×32 的LED 點陣顯示，可以顯示16 個標準漢字或32 個字母或數字。采用1 片STC15W4K32S4 作為核心處理器，64 片74HC595 作 為 行 陽 極 驅 動 芯 片，1 片74HC238 作為行陰極驅動芯片，結合8 個N 溝道場效應管作為動態掃描開關完成顯示驅動[9]。

6）功放模塊。功放模塊將網絡音頻模塊及文本朗讀模塊傳輸的模擬音頻信號，經過功率放大，驅動揚聲器發出聲音。通過2 對電容C12～C15，對2 路音頻信號進行輸入耦合，實現音源0 延時切換。U9為功放芯片，采用CS8623E，屬D 類功放，DC12 V 供電，效率高達92%，峰值功率可達30 W，完全滿足信息發布的需要?？筛鶕脠鼍暗牟煌ㄟ^主控模塊控制管腳2、管腳3 的狀態調整輸出功率。在不需要播放音頻的情況下，通過控制管腳SD 使芯片處于休眠狀態，可有效降低設備功耗。

3 智能終端設計要點

3.1 終端供電

供電電路的可靠性決定了設備工作的穩定性。其設計依據主要是智能終端內部各個功能模塊的額定工作電壓及最大工作電流。

由功能設計可知各模塊供電電壓分別為：網絡音頻模塊12 V、功放模塊12 V、主控模塊3.3 V、通信模塊3.3 V、文本朗讀模塊3.3 V、點陣顯示模塊5 V。所以智能終端電源部分需要設計3 個電壓等級，分別為12、5、3.3 V。經過測試，各模塊最大工作電流分別為：網絡音頻模塊150 mA、功放模塊620 mA、主控模塊45 mA、通信模塊95 mA、文本朗讀模塊35 mA、點陣顯示模塊860 mA。可見，12、5 V 負載對電源功率要求較高，3.3 V 負載對電源性能要求較高。因此，采用開關電源降壓電路分別產生12 V 和5 V，再由5 V 電源通過線性降壓電路產生3.3 V，既能有效提高供電效率又可以提高關鍵負載的電源性能[10]。

計算可知12 V 電源最大工作電流為網絡音頻模塊與功放模塊最大工作電流之和770 mA；3.3 V電源最大工作電流為主控模塊、通信模塊、文本朗讀模塊最大工作電流之和175 mA；5 V 電源最大工作電流為點陣顯示模塊與3.3 V 電源最大工作電流之和為1 035 mA。為穩定可靠工作，考慮預留20%以上的余量，12 V 電源設計電流為1 000 mA，5 V 電源設計電流為2 000 mA，3.3 V 電源設計電流為300 mA。智能信息引導發布終端供電框圖如圖3。

圖3 智能信息引導發布終端供電框圖Fig.3 Power supply block diagram of intelligent information guidance and release terminal

圖2 原理中U3型號為K7812-1000R3，提供12 V 電源輸出；U2型號為K7805-2000R3，提供5 V 電源輸出；U1型號為LM1117-3.3，提供3.3 V 電源輸出。C2～C6為各級電源濾波電容。

3.2 點陣顯示方式及掃描時間

點陣顯示方式分為靜態顯示和動態顯示。靜態顯示優點是無閃爍，缺點是功耗大；動態掃描顯示優點是功耗低，缺點是易產生閃爍。動態顯示是基于人眼的“余暉效應”將有時間關聯的不連續的圖案形成連續圖形或動畫。人眼的“余暉效應”平均時間為100 ms，只要動態顯示周期不大于這個時間，就能實現顯示效果，同時又能有效降低功耗。因此，采用動態顯示的方式。

設計將整個屏幕連續分為4 頁，每頁8 行，顯示過程采用單次驅動512 只發光二極管，分4 次循環驅動的方式完成。74HC595 是移位寄存器芯片，移位脈沖頻率高達25 MHz，并且支持級聯、三態輸出及鎖存功能。通過級聯的方式一次性寫入512 位的數據，然后使能TTL 輸出，完成1 次行陽極驅動。74HC238 是三－八譯碼器芯片，通過CPU 控制數據口線A，B，C 的狀態可以實現8 位譯碼輸出，某一時刻只有1 條輸出口線為高電平，通過驅動N 溝道長腰硬管使發光二極管的陰極與電源地導通，完成1次行陰極驅動。另外為了防止在行間切換的時候產生閃爍，可以通過控制管腳OE1 實現所有行均關閉，可有效防止行間的交叉顯示形成重影現象[11]。

為保證定時精度，避免顯示閃爍，設計采用定時器中斷的方式進行動態掃描顯示。試驗證明，為了保證人眼觀看舒適度，動態掃描1 個循環的最大時間不能超過16 ms。由于顯示過程分4 次進行，所以定時器的定時周期設為4 ms。

4 結 語

在充分了解煤礦井下信息發布需求的情況下，結合了礦用設備的特點，設計了一種具有應急聯動功能的智能信息引導發布終端。采用通用的485 總線傳輸并增加了抗電磁干擾電路，提高了設備使用的兼容性及可靠性；利用集成網絡串口服務器的透明傳輸功能，在節省網絡資源的同時實現了井下設備間最短距離、最快速度的應急聯動功能；選用D類功放芯片，比傳統AB 類功放提高了電源效率、提升了音質；設計了128×32 的點陣顯示電路，通過合理硬件電路設計及軟件驅動方式，使其功耗相比同類產品有了大幅度的降低，為智能終端實現單路本安電源供電創造了可能性。設計產品已經配接廣播通信系統成功應用，得到現場用戶一致好評，完全滿足煤礦用戶對信息發布的要求。