煤矿数字通信系统设计

摘要 针对煤矿井下安全，供给了一种数字语音通讯解决计划。该计划选用MBE紧缩技能完结语音数据的紧缩，并运用了STM32F107作为主控芯片，用主控芯片自带的CAN总线操控器完结远间隔实时语音传输。文中介绍了该体系的软硬件规划，经测验，该体系在实践环境中具有杰出的稳定性和实时性。

我国作为产煤大国，煤矿安全一向都是重中之重。怎么保证井下和井上之间牢靠的实时语音通讯，越来越遭到注重和注重。现在煤矿通讯体系首要分为两种：一种是调度电话，包含有线和无线电话;另一种是井下部分扩音电话体系。关于数字通讯办法，现在许多公司仍选用模仿信号来完结煤矿语音体系，与数字语音通讯体系比较，其存在不稳定、不灵敏等缺陷，而现阶段模仿通讯体系已逐步被替代。现在，现场总线已开展成为集计算机网络、现场操控、生产办理等内容为一体的现场总线操控体系。因为现场总线散布在自动化运用的各个旮旯，给规划者和运用者供给了便利，但这些运用均被约束于数据传输。本规划根据CAN总线构建井下对讲体系，与其他通讯办法比较，其具有较好的实时性、牢靠性和灵敏性。

1 体系总体规划

体系结构框图如图1所示，一语音节点经过麦克风收集动静信号，以8 kHz采样进行A/D量化成16位数据，然后经语音紧缩芯片进行数据紧缩，并传输给STM32处理器，处理器经CAN收发器传输至井下语音CAN总线上。其他语音节点经过CAN收发器接纳井下语音CAN总线上的紧缩数据，经语音解码芯片进行解码后经过D/A转化，再由扩音器播出。

1.1 硬件规划

本体系运用于井下皮带保护体系，具有收集井下皮带作业状况信息和操控井下皮带运作，一起还具有语音通讯体系。处理器作为体系中心，需对语音信息、皮带作业信息及其通讯协议进行处理、整合、贮存、调度，因而处理器的挑选是要害。体系选用ST公司的互联性系列操控器STM32F107作为模块处理器，此芯片具有较强的工业功用，体系时钟最高可达72 MHz，标准外设有10个定时器、两个12位1-Msample/s AD、两个12位D/A、两个I2C接口、5个USART接口和3个SPI端口以及高质量数字音频接口IIS。别的STM32F107具有全速USB(OTG)接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100 MAC模块，以此满意皮带保护体系。体系运用其间一路用来完结语音通讯;另一路用来完结现场办理及现场操控。处理器部分电路如图2所示。主控芯片除了有必要的复位、晶振、电源等电路外，还包含了与CAN总线收发增强器以及与AMBE-1000语音编码芯片的衔接。主控芯片STM32F107与AMBE-1000之间选用SPI同步出口衔接，而AlMBE-1000与CSP-1027S之间选用了专用的同步接口衔接，该种接口无需添加额定的单片机驱动便可进行通讯。最终将CSP-1027S与麦克风、扬声器之间进行衔接。

CAN总线传输间隔是以献身带宽为价值，因而需在保证杰出语音质量的条件下，选用较低语音比特率传输，表1为CAN总线传输间隔与波特率联系。

为保证高保真、低带宽语音通讯，体系选用MBE技能进行语音紧缩。数字语音紧缩现在在多媒体信息技能和网络技能中运用广泛，而紧缩技能也较为老练。因为选用DSP进行数字语音紧缩，算法杂乱且价格昂贵，故本体系选用单片集成芯片AMBE-1000进行语音紧缩。AMBE-1000是一款高功用多速率语音编解码芯片，选用MBE技能的语音紧缩算法，具有语音音质好和编码速率低一级长处，语音编解码速率可在2.4～9.6 kbit·s-1之间以50 kbit·s-1的间隔改变，即便在2.4 kbit·s-1时，仍可坚持天然的语音质量和可懂度。一切编码和解码操作均在芯片内部完结，无需额定的存储器。这些特性使其适用于本体系规划。体系中CAN波特率设为18 kbit·s-1，传输间隔≥2 km。

AMBE-1000集成编码器和解码器，两者彼此独立。编码器接纳8 kHz采样的语音数据流并以必定的速率输出信道数据。相反，解码器接纳信道数据并合成语音数据流。编码器和解码器接口的时序是彻底异步的，其作业信道结构如图3所示。语音信息经过发送方的AMBE-1000编码器被紧缩为数字言语编码，经CAN总线传入接纳方的AMBE-1000解码器，再经由解码器得到发送方的语音信息。相同，原接纳方也可由相同的办法将本身的言语信息传递至原发送方。

AMBE-1000选用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。为满意要求与功用，体系选用A/D-D/A芯片CSP1027S与AMBE-1000作为接口衔接。芯片集成16位串行A/D和D/A，由低功耗的CMOS技能和低电压数字体系规划而成，其模仿接口处内置了前置放大器，因而能够输入较小的语音信号。契合G.712语音频带呼应和信噪比标准，最高采样率可达24 kHz，满意AMBE-1000编码要求。其与AMBE接口电路如图4所示。

为进步处理器CAN总线的驱动才能，需在处理器与现场总线间添加CAN收发器。体系选用周建功的CTM8251，该芯片内部集成了CAN所必需的阻隔及收发器材。该芯片的首要功用是将CAN操控器的逻辑电平转化为CAN总线所必需的差分电平，并具有DC-DC阻隔功用，其接口电路如图5所示。

1.2 软件规划

体系软件在Keil4开发环境完结规划，一起该开发环境与Jlink-v8合作可完结在线调试功用，为本体系的完结供给了便利。

软件根据模块化规划，不同模块完结相应功用。首要，开机进入设备初始化功用，其间包含体系时钟装备、管脚装备、CAN操控器装备、AMBE-1000初始化等。体系时钟装备为72 MHz，这是主控芯片STM32F107所能到达的最高作业频率，在该频率下具有足够高的功率来处理各外设信息。对管脚的装备包含对按键和部分外设I/O口的装备，对CAN总线操控器的装备首要为传输速度装备。因井下一般两节点间隔3 km，且语音经过紧缩后为8 kbit·s-1，所以将CAN总线传输速率装备为9 kbit·s-1，这便满意了3 km的传输要求。AMBE-1000的初始化首要为通讯接口的初始化，其通讯接口为SPI同步串口，可直接与主控芯片的SPI接口衔接。

体系启动后进入正常作业形式，当有语音按钮按下时，处理器进入语音收集形式，并经过SPI使能AMBE-1000，AMBE-1000将话音数据每20 ms紧缩为一个语音数据包，再经由STM32主控芯片将紧缩包上传至CAN总线。CAN总线接纳端装备成中止形式，当有语音数据接纳时，触发中止并将该数据紧缩包经过SPI同步串口传入AMBE-1000，并操控其进行解紧缩并播映。在解码器部分，当其检测到丢掉一帧语音数据时，能根据上一帧数据尽量真实地猜测下一帧语音数据，一起给出恰当的语音信号。体系流程如图6所示，中止程序流程如图7所示。

1.3 试验成果

体系在试验室的测验办法如图8所示。

测验体系由两个语音节点组成，两节点之间由20 m线长相衔接，并在一号节点放置信号发生器，二号节点放置示波器与分贝计。因人声频率规模为300～3 400 Hz之间，所以信号发生器别离取在该规模内的5个点作为测验点，测验成果如表2所示。

对应这5个频率点由信号发生器宣布呼应频率的正弦波，再由分贝计从节点2的扬声器动静中测得分贝值，而失真度可经过示波器调查出正弦波的失真状况。测验成果阐明，扬声器动静≥80 dB，失真度≤12%，根本满意人声的辨识度。

经过实践测验证明了将语音信号进行紧缩并经过CAN总线进行传输作业杰出，完结了低速率数字长途传达。一起本体系具有较好的灵敏性，可完结播送、组播、点对点等多种通讯办法，并具有较好的实时性和抗干扰性。

2 结束语

文中介绍了一种运用于煤矿的井下语音传输体系，该体系根据MBE语音紧缩技能，且以CAN总线为传输办法。本体系运用于井下皮带保护体系中的语音扩音体系内，首要用以完结井上与井下，以及井下各部分进行的彼此实时语音通讯，为保证煤矿安全供给保证。文中规划本钱较低，便于保护和修正，且实用性较强。