基于CAN總線的語音節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于CAN總線的語音節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：文章針對(duì)現(xiàn)有的模擬廣播系統(tǒng)存在抗干擾能力弱、傳輸距離短等不足，進(jìn)行了基于CAN總線的數(shù)字語音通信系統(tǒng)的研究。給出語音通信系統(tǒng)的總體構(gòu)成，并對(duì)節(jié)點(diǎn)各模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。部分采用內(nèi)置CAN控制器PIC18F458單片機(jī)作為控制器，與獨(dú)立的CAN收發(fā)器CTM8251構(gòu)成CAN收發(fā)模塊；采用低傳輸速率和高通話質(zhì)量的AMBE-1000芯片作為語音編碼器。測(cè)試表明，節(jié)點(diǎn)間可以實(shí)現(xiàn)可靠，語音質(zhì)量高的實(shí)時(shí)性通信。

0引言

我國(guó)是煤炭大國(guó)，煤礦安全是我國(guó)工業(yè)安全生產(chǎn)的重中之重。鑒于礦井所處的惡劣環(huán)境與復(fù)雜地形，當(dāng)煤礦發(fā)生災(zāi)害事故時(shí)，若礦井通信系統(tǒng)保持暢通，對(duì)減少災(zāi)害事故帶來的影響起著至關(guān)重要的作用。

CAN總線以其短幀、無損仲裁、多主工作方式、干擾能力強(qiáng)而應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，如汽車行業(yè)、煤礦安監(jiān)系統(tǒng)、智能儀表系統(tǒng)等?；贑AN總線的數(shù)字語音通信系統(tǒng)就是利用CAN總線的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。利用該系統(tǒng)調(diào)度室可以在同一時(shí)間內(nèi)通知礦井中的所有工作人員安全撤離，并按照礦井應(yīng)急預(yù)案指揮搶險(xiǎn)救災(zāi)；井下人員也可以及時(shí)與調(diào)度室聯(lián)系，及時(shí)通報(bào)情況；井下也具有局部通信功能，方便井下人員直接的聯(lián)系和通報(bào)事情。

1語音通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于CAN總線的語音通信系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體框架圖

該系統(tǒng)由上位機(jī)PC、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、語音節(jié)點(diǎn)、通信電纜、終端等構(gòu)成，采用總線型網(wǎng)絡(luò)、多主訪問機(jī)制。地面可以通過上位機(jī)PC對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各個(gè)語音節(jié)點(diǎn)的任意呼叫（即點(diǎn)播方式）、各個(gè)組的語音節(jié)點(diǎn)的呼叫（即組播方式）或全部呼叫（即廣播方式）功能；井下各個(gè)語音節(jié)點(diǎn)也可以呼叫網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將該語音節(jié)點(diǎn)的ID上傳給上位機(jī)PC；并且井下各個(gè)語音節(jié)點(diǎn)可與其它同組的語音節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組內(nèi)通話通信。在CAN總線結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)是可以靈活接入的，這是CAN總線網(wǎng)絡(luò)有優(yōu)勢(shì)的地方，同時(shí)，由于不分主從，因此，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以接收信息或者在總線空閑的時(shí)候發(fā)送信息，這是CAN總線的另外一個(gè)比較重要的優(yōu)勢(shì)。

2語音節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

語音數(shù)據(jù)通過麥克風(fēng)輸入，經(jīng)過MAX9814進(jìn)行放大，然后送到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過語音處理模塊將數(shù)據(jù)壓縮打包傳送給微處理器，微處理器通過CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳到總線上；總線上的信息通過收發(fā)器傳送給微處理器，通過微處理器傳至語音處理模塊，對(duì)其解壓縮，送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號(hào)再經(jīng)過功放模塊進(jìn)行功率放大送到揚(yáng)聲器，由揚(yáng)聲器輸出語音信號(hào)。

語音節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2語音節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1處理器模塊

處理器模塊是語音通信節(jié)點(diǎn)的計(jì)算，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序都將在這個(gè)模塊的支持下完成，所以處理器的選擇在語音通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。本設(shè)計(jì)采用帶有CAN控制模塊的PIC18F458[4]單片機(jī)作為微控制器（MCU）以實(shí)現(xiàn)對(duì)AMBE-1000、CTM8251、MAX9814、MAX9736等芯片的操作控制，同時(shí)，單片機(jī)還需要控制一些按鍵和指示燈。在語音節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)中，PIC18F458與各部分接口電路以及復(fù)位電路如圖3所示。

圖3PIC18F458與各部分接口

撥碼開關(guān)部分電路如圖4所示，用來設(shè)置語音節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符（ID），ID9-ID0依次對(duì)應(yīng)撥碼開關(guān)的10-1，其中撥碼開關(guān)上的10-6鍵為組號(hào)，5-1鍵為節(jié)點(diǎn)號(hào)，且撥碼開關(guān)處于ON的電平值為“0”，反之為“1”。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)標(biāo)識(shí)符來判斷自己是否需要接收?qǐng)?bào)文。

圖4撥碼開關(guān)

2.2CAN收發(fā)器模塊

在實(shí)際應(yīng)用中，PIC18F458需要接一個(gè)CAN收發(fā)器，以提高總線驅(qū)動(dòng)能力。CTM8251是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(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3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是將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DC2500V的隔離功能。其接口電路如圖5所示。

圖5CTM8251接口電路。

2.3語音處理模塊設(shè)計(jì)

2.3.1AMBE-1000的主要特點(diǎn)

在語音處理中，編碼芯片是部分，本設(shè)計(jì)采用的是AMBE編碼。AMBE-1000是美國(guó)DVSI公司研制、Lucent公司生產(chǎn)的一款成熟的雙工聲碼器芯片，用來實(shí)現(xiàn)雙工的語音壓縮/解壓縮功能，能實(shí)現(xiàn)低傳輸速率下高質(zhì)量的通話。它采用先進(jìn)的AMBE壓縮算法，壓縮速率可達(dá)2.4Kbps。目前這種算法以其能實(shí)現(xiàn)的低傳輸速率和高通話質(zhì)量而在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，甚至用在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。AMBE-1000可看成由兩個(gè)分開的編碼器和解碼器組成。編碼器接收8kHz的語音數(shù)據(jù)采樣流（如16位線性的，8位A律的或8位μ律的）和輸出一個(gè)期望的波特率的信道數(shù)據(jù)流。反之，解碼器接收一個(gè)信道數(shù)據(jù)流并合成一個(gè)語音數(shù)據(jù)流。AMBE-1000的編碼器和解碼器的接口時(shí)序是完全異步的[5]。壓縮數(shù)據(jù)從編碼器出來要通過一個(gè)接口送到解碼器，該接口就是信道接口?；镜男诺澜涌诎ù诤筒⒖?，管腳CH_SEL[2-0]的配置將決定使用哪種接口。串口和并口都能工作于主動(dòng)模式和被動(dòng)模式。主動(dòng)和被動(dòng)是指激勵(lì)信號(hào)是由本芯片給出，還是由外部模塊送入。

2.3.2AMBE-1000與處理器模塊接口電路

串行模式下AMBE－1000通過CHS_DI和CHS_DO輸入、輸出16位的數(shù)據(jù)字。聲碼器AMBE-1000工作在被動(dòng)模式，與控制器之間采用串行方式傳送數(shù)據(jù)，兩者之間接口如圖6所示。

圖6AMBE-1000與控制器接口

AMBE-1000中語音編碼率和前向糾錯(cuò)編碼率的選擇可以是獨(dú)立的。這些碼率可以通過命令幀的方法配置，也可以通過硬件管腳BPS_SEL[3-0]（pin3，4，5，6）來配置。本設(shè)計(jì)中設(shè)定AMBE-1000的語音編碼率為2.4Kbps，故管腳BPS_SEL[3-0]均通過電阻接地。

2.3.3語音A/D、D/A模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)高質(zhì)量的語音通信系統(tǒng)，A/D-D/A芯片的選擇至關(guān)重要。在選擇A/D-D/A芯片時(shí)，需要考慮這些芯片的信噪比和濾波性能。一般應(yīng)優(yōu)先考慮那些16位線性A/D-D/A芯片，以獲得較高的語音質(zhì)量。對(duì)于任何一種與之相連接的A/D-D/A芯片，AMBE-1000都采用8kHz語音數(shù)據(jù)采樣率。這些8kHz數(shù)據(jù)通過串行接口輸入（或者輸出）到AMBE-1000，可以通過軟件（發(fā)送命令幀）或者硬件方式，進(jìn)行A/D-D/A接口的選擇和配置。本系統(tǒng)采用的A/D-D/A芯片是CSP1027，這是一款帶有16位串行A/D和D/A的芯片，符合CCITTG.712語音頻帶響應(yīng)和信噪比規(guī)范，其采樣頻率可高達(dá)24KHz，它采用低功耗全靜態(tài)邏輯設(shè)計(jì)，在數(shù)字電源3.3V、模擬電源5V工作時(shí)，典型功耗68mW，待機(jī)功耗0.05mW。

CSP1027與AMBE-1000之間采用串行工作方式，二者的接口電路如圖7所示。經(jīng)MAX9814放大后的麥克風(fēng)語音信號(hào)由45號(hào)管腳（MICIN）送入CSP1027進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)21號(hào)管腳（DO）送入AMBE-1000進(jìn)行壓縮編碼。相反地，AMBE-1000解碼之后的數(shù)字語音數(shù)據(jù)要送入CSP1027芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換（TX_DO與DI相連接），恢復(fù)出的模擬語音信號(hào)由43號(hào)管腳（AOUTP）輸出，并通過此管腳將模擬語音信號(hào)送出MAX9736進(jìn)行功率放大，通過揚(yáng)聲器播放出來。

圖7CSP1027與AMBE-1000的接口

2.3.4語音采集模塊設(shè)計(jì)

本模塊的作用是將麥克風(fēng)微弱語音信號(hào)放大給A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)采用了具有自動(dòng)增益控制（AGC）功能的MIC放大芯片MAX9814，該芯片是Maxim推出的低成本、高品質(zhì)麥克風(fēng)放大器，器件具有低噪聲前端放大器、可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）、輸出放大器、麥克風(fēng)偏置電壓發(fā)生器和AGC控制電路。

MAX9814的電路設(shè)計(jì)如圖8所示，麥克風(fēng)語音信號(hào)通過管腳8（MICIN）輸入MAX9814芯片，進(jìn)行語音信號(hào)放大，之后從管腳6（MICOUT）輸出，輸出的信號(hào)送到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊即CSP1027進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖8MAX9814電路設(shè)計(jì)圖

2.3.5功放模塊設(shè)計(jì)

由于井下語音節(jié)點(diǎn)使用環(huán)境比較嘈雜，因此需要配備功放來驅(qū)動(dòng)井下的喇叭，本系統(tǒng)采用的功放芯片為Maxim的MAX9736，可以工作在8V至28V，并具有高PSRR，無需穩(wěn)壓電源。MAX9736采用12V供電時(shí)效率可達(dá)88%。

語音數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼、D/A轉(zhuǎn)換等恢復(fù)為模擬信號(hào)。輸出的模擬信號(hào)要在經(jīng)過語音模塊進(jìn)行功率放大送到揚(yáng)聲器。該模塊電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9功放模塊電路設(shè)計(jì)圖

3語音節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

語音節(jié)點(diǎn)可以與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和組內(nèi)其他語音節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

當(dāng)與網(wǎng)關(guān)通話按鍵按下后（Button_Gate=0），打開本地MIC，關(guān)閉本地功放，讓AMBE-1000工作，修改發(fā)送緩沖器標(biāo)識(shí)符，使僅網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能接收到該語音數(shù)據(jù)，等待編碼器編碼完畢（EPR=1），從AMBE-1000中讀取編碼后的數(shù)據(jù)，然后將壓縮編碼后的語音數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。發(fā)送完畢后需要關(guān)閉本地MIC，使AMBE-1000休眠。

當(dāng)與組內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)通話按鍵按下后（Button_Group=0），工作過程和與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通話過程基本相同，只是發(fā)送緩沖器標(biāo)識(shí)符不同。語音節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖10所示。

當(dāng)作為接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生CAN接收中斷，然后判斷是否為本板數(shù)據(jù)，若是，則等待解碼器空（DPE=1），將數(shù)據(jù)寫入AMBE-1000解碼，并播放語音。語音節(jié)點(diǎn)中斷服務(wù)程序如圖11所示。

圖10語音節(jié)點(diǎn)主程序流程

圖11語音節(jié)點(diǎn)中斷服務(wù)程序流程

系統(tǒng)初始化主要包括對(duì)I/O口初始化、串口初始化和CAN控制器的初始化等。

4結(jié)語

本文給出了井上井下語音通信系統(tǒng)的語音節(jié)點(diǎn)的各模塊設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)使用語音采集編解碼器AMBE-1000，處理器PIC18F458，CSP1027-S等芯片，并通過軟件編程實(shí)現(xiàn)了模型中各節(jié)點(diǎn)之間的CAN通信。應(yīng)用該方法構(gòu)造的語音通信系統(tǒng)能夠在保持良好的語音通信質(zhì)量的前提下，簡(jiǎn)化電路，降低功耗，節(jié)約成本。

參考文獻(xiàn):

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