CAN總線(xiàn)安全廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)

印寧華|Indining China|

2023-08-16 08:51:16 864

摘要：本文在分析煤礦井下語(yǔ)音通信現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出一種數(shù)字安全廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)選用CAN（可升級(jí)為高速CAN-FD) 總線(xiàn)作為數(shù)據(jù)傳輸方式，在音頻壓縮上采用一種新的音頻壓縮格式即OggVorbis編碼，并利用STM ARM Cortex-M3 MCU芯片STM32F103對(duì)其進(jìn)行工程實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其音頻還原力方面的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；OggVorbis；廣播系統(tǒng)；音頻壓縮編碼

引言
礦用通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)形式多種多樣，其中，傳統(tǒng)定壓廣播系統(tǒng)技術(shù)落后、音質(zhì)差、無(wú)法分組且擴(kuò)容性差；礦用局部通信電話(huà)只能完成下行語(yǔ)音通信而沒(méi)有調(diào)度通信功能，以及小靈通聲音小，無(wú)法完成范圍擴(kuò)音通信成為了這些技術(shù)在井下應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。本文提供一種基于CAN總線(xiàn)的廣播系統(tǒng)，所有語(yǔ)音分站皆通過(guò)一根串行總線(xiàn)連接，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?jiǎn)單，通過(guò)適量增加CAN中繼設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)井下全網(wǎng)覆蓋。

1 系統(tǒng)介紹
廣播系統(tǒng)主要用于安全生產(chǎn)知識(shí)宣傳、領(lǐng)導(dǎo)講話(huà)、音樂(lè)播放以及引導(dǎo)科學(xué)避險(xiǎn)等工作。井上廣播主站的通信方式有下行全網(wǎng)廣播、礦區(qū)組播及站點(diǎn)單播三種通信方式，而井下語(yǔ)音分站則可以礦區(qū)組播和上行調(diào)度通信。CAN總線(xiàn)廣播系統(tǒng)主要由PC、廣播主站、語(yǔ)音分站和中繼器組成，采用礦用18V本安電源供電。

井上部分由PC控制主機(jī)和廣播主站組成，主要完成的功能有通過(guò)串口接收并解析運(yùn)行在控制主機(jī)上的主控軟件命令，如語(yǔ)音通話(huà)命令、故障在線(xiàn)檢測(cè)命令等；對(duì)模擬音頻采樣量化編碼壓縮；封裝CAN數(shù)據(jù)包；語(yǔ)音分站呼叫“來(lái)電顯示”功能等。井下部分則主要由分組中繼器和語(yǔ)音分站組成。其中分組中繼器主要為了從CAN主網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建一個(gè)CAN子網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)CAN主網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾，以實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)間多路組內(nèi)通話(huà)的并行進(jìn)行，而無(wú)須增加額外的冗余CAN總線(xiàn)。而語(yǔ)音分站則只負(fù)責(zé)接收屬于自己的CAN幀，并從CAN數(shù)據(jù)幀中取出有效的語(yǔ)音負(fù)載進(jìn)行音頻解碼還原工作，語(yǔ)音分站除了接收語(yǔ)音外還可以實(shí)現(xiàn)井下組內(nèi)通話(huà)和上行調(diào)度通話(huà)功能。

廣播系統(tǒng)除了完成語(yǔ)音通信外還需要完成音樂(lè)播放等功能，因此對(duì)音頻還原音質(zhì)有一定的要求，在中低編碼速率下，0gg Vorbis編碼方式有很好的變現(xiàn)力，支持流式播放，并且是完全免費(fèi)的，因此系統(tǒng)采用的音頻編碼方式為0gg編碼。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，但由于廣播主站和語(yǔ)音分站區(qū)別甚少，因此僅以框圖的形式將兩者合并介紹，并稱(chēng)之為語(yǔ)音節(jié)點(diǎn)。語(yǔ)音節(jié)點(diǎn)主要由MCU、語(yǔ)音自動(dòng)增益控制模塊(AGC)、音頻編解碼模塊、CAN通信接口模塊組成。

其中實(shí)線(xiàn)描繪的是廣播主站組成，語(yǔ)音分站需要增加的額外電路。

分組中繼器由MCU和兩個(gè)CAN通信接口組成，其通信接口電路和廣播主站一致。由于使用的MCU僅內(nèi)嵌了一個(gè)CAN控制器，因此需要使用一個(gè)獨(dú)立的CAN控制器。

由于硬件電路設(shè)計(jì)上廣播主站、語(yǔ)音分站、分組中繼器有共同之處，此處僅介紹共同的核心硬件電路設(shè)計(jì)。

2.1MCU模塊
本系統(tǒng)所有組成部分MCU皆采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F10312J，其采用高性能ARM Cortex-M3 32位RISC內(nèi)核，工作時(shí)鐘為72M且集成了一路CAN控制器，高達(dá)128KB程序存儲(chǔ)空間以及20KB的RAM為硬件上實(shí)現(xiàn)0gg編碼提供了可行性且價(jià)格上相對(duì)其他同等性能MCU有*的優(yōu)勢(shì)。

2.2總線(xiàn)接口設(shè)計(jì)
CAN總線(xiàn)接口采用飛利浦的TJAl040TM，其獨(dú)特的分離終端電阻設(shè)計(jì)使得其抗電磁干擾能力比C250/251的提高了近20dB。為了進(jìn)一步改善CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的健壯性，CAN通信接口使用6N137和ZY0505BS-1W完成信號(hào)的光電隔離。

TJA1040 SPLIT內(nèi)外置分壓匹配電阻型電路示意

TJA1040 SPLIT可選項(xiàng)外置分壓匹配電阻型電路示意

TJA1040典型應(yīng)用電路原理圖示意

2.3音頻編解碼模塊
該模塊采用的是多格式、高效能音頻編譯碼器VSl053B。VSl053是VLSI產(chǎn)品系列中最先進(jìn)的從屬式音頻編譯碼器，包含一個(gè)優(yōu)質(zhì)的可變采樣率立體聲ADC和DAC，除了可播放MPl、MP2、MP3、 WMA、WAV、IMAADPCM、General Midi 1、0ggVorbis、LC-AAC and HE-AAC等格式音頻，同時(shí)還可以錄制IMA ADPCM及0gg Vorbis格式的音頻文件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1廣播主站節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，廣播主站的工作流程為：上電后，廣播主站首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘配置、GPIO分配、外設(shè)初始化，然后等待系統(tǒng)中斷，以接收控制軟件的命令，若為音頻編碼命令則初始化VSl053 bI，上載Ogg編碼插件，進(jìn)入Ogg音頻編碼工作模式，此時(shí)便可從編碼緩沖區(qū)獲取壓縮音頻數(shù)據(jù)并在MCU控制下封裝為CAN數(shù)據(jù)報(bào)，發(fā)送至總線(xiàn)。如圖4所示。

3.3分組中繼器軟件設(shè)計(jì)
分組中繼器有兩種工作模式，即透明轉(zhuǎn)發(fā)和分組中繼。工作原理是通過(guò)設(shè)置CAN接口的接收過(guò)濾器以實(shí)現(xiàn)不同的總線(xiàn)報(bào)文過(guò)濾機(jī)制，從而使不同CAN子網(wǎng)的組內(nèi)語(yǔ)音數(shù)據(jù)不會(huì)因轉(zhuǎn)發(fā)至主網(wǎng)絡(luò)而造成數(shù)據(jù)幀之間的相互干擾，致使通信失敗。通過(guò)CAN分組中繼器的正確設(shè)置，不僅可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)共享，還可以實(shí)現(xiàn)局部數(shù)據(jù)的并發(fā)通信，提高了總線(xiàn)利用率。

其軟件工作流程為：上電首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，并獲取工作模式位，若為透明轉(zhuǎn)發(fā)則將CAN設(shè)置為全通型，否則根據(jù)子網(wǎng)號(hào)設(shè)置CAN過(guò)濾器。如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試
測(cè)試平臺(tái)搭建由廣播主站經(jīng)分組中繼器和一個(gè)語(yǔ)音分站通過(guò)CAN總線(xiàn)連接，廣播主站與PC機(jī)通過(guò)串口和音頻對(duì)錄線(xiàn)相連以接收命令和模擬音頻，而語(yǔ)音分站的音頻輸出端通過(guò)對(duì)錄線(xiàn)與PC音頻輸入口相連，并利用測(cè)試軟件Cool EditPro 2.1獲取解碼還原音頻信號(hào)。Ogg編碼選用的是單聲道低速率的編碼插件，編碼速率為23kbps，當(dāng)主站獲得對(duì)分站音樂(lè)點(diǎn)播命令時(shí)，輸入和輸出語(yǔ)譜圖如圖6所示。

分析輸入輸出語(yǔ)譜圖的包絡(luò)和稠密程度可以看出該廣播系統(tǒng)具有較好的音頻還原能力，其差異來(lái)源主要是由兩個(gè)方面原因造成。*，Ogg編碼為有損編碼，且由于CAN總線(xiàn)速率與通信距離成反比，因此為了保障一定的通信距離選擇了編碼速率較低的編碼插件。第二，解碼時(shí)對(duì)音量進(jìn)行重新調(diào)節(jié)，引入固有差異。

5 結(jié)論
本設(shè)計(jì)提出了一種CAN總線(xiàn)廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，音頻編碼采用Ogg Vorbis，且在CAN網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)了低速率遠(yuǎn)程相對(duì)較高音質(zhì)的語(yǔ)音和音樂(lè)播放，并已經(jīng)得到工程實(shí)現(xiàn)，喇叭聲強(qiáng)90dB，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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