基于XFS5152CE的CAN总线声光报警系统设计

电光防爆科技（上海）有限公司 伍 森

基于XFS5152CE的CAN总线声光报警系统设计

电光防爆科技（上海）有限公司 伍 森

针对煤矿实时报警系统的特点，提出了基于XFS5152CE的CAN总线声光报警系统设计。通过CAN总线采集设备故障信息，利用XFS5152CE芯片将文本二进制信息转换成语音信号。采用这种方法具有语音质量高、实时性好，完全可以应用到包括煤矿井上井下实时动态报警系统在内的其它实时报警场合中。

CAN总线；语音合成；XFS5152CE芯片

0 引言

近年来，随着煤矿安全监控系统准确性、灵敏性、可靠性、稳定性、易维护性的提高，报警系统的功能也得到不断改进和完善，如果能够保证对井下变电所和井上调度中心的设备在运行过程中产生的各种故障信息和参数超限进行动态实时语音提示和报警、通畅而且有效，对于生产紧急情况处理、矿井灾害预报等有非常重要的意义。

目前井下报警系统大多数是需要根据报警内容制作音频文件存放在存储器或SD卡中，利用微处理器将其信息读出解码传送给专用的数字语音芯片。此方法后期维护性差、灵活度低等缺点，这些都限制了语音合成技术的普及。因此，研究开发快速、无需制作音频文件、廉价的报警系统具有很大的市场前景和重要的科学研究价值。

1 CAN总线介绍

1.1 简介

控制器局部网（CAN—controller Area Network）是Bosch公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器及建筑、环境控 制等众多部门。

1.2 CAN总线主要特点

（1）CAN为“多主”工作方式，网络上任意一个节点均可在任意时刻主动的向网络上的节点发送信息，不分主从。

（2）CAN采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大的节省了总线冲突仲裁时间。尤其在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。

（3）在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。

（4）CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。

（5）CAN的每帧信息都有CRC校验以及其他检错措施，具有很好的检错效果。

（6）CAN上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达到110个。在标准帧报文标识符有11位，而在扩展帧报文标识符（29位）的个数几乎不受限制。

利用CAN总线的这些特点让其在外部环境较差的报警系统中得到广泛的应用。

2 XFS5152CE芯片

2.1 简介

XFS5152CE芯片是科大讯飞股份有限公司最新推出的一款高集成度的语音合成芯片，可实现中文、英文语音合成；并集成了语音编码、解码功能，可支持用户进行录音和播放；除此之外，还创新性地集成了轻量级的语音识别功能。

2.2 主要功能特点

（1）支持任意中文文本、英文文本的合成，并且支持中英文混读；

（2）芯片内部集成80种常用提示音效，适合多种场景使用；（3）支持UART、I2C、SPI三种通讯方式；

（4）支持多种控制命令，如合成文本、停止合成、暂停合成、恢复合成、状态查询、进入省电模式、唤醒等。

2.3 常用的控制指令

（1）状态查询命令(0x21)：通过该命令获取相关参数，来判断芯片是否处于合成状态，返回0X4E表明芯片仍在合成中，返回0X4F表明芯片处于空闲状态；

（2） 省电模式命令(0x88)：通过该命令使芯片进入省电模式来降低系统的功耗；

（3）语音合成命令(0x01)：使芯片立即合成当前的文本二进制内容信息。

3 系统的硬件设计方案

此系统是基于XFS5152CE语音合成芯片设计的，由CAN 收发器接受到故障编码数据传给MCU控制模块，经过MCU控制模块处理后与语音合成模块进行交互，由语音合成模块处理后输出的音频信号传送给音频放大模块进行放大推动喇叭，同时MCU控制模块控制报警灯点亮或闪烁。另外当通讯总线忙时，通讯指示灯应闪烁，当通讯总线空闲时，通信状态灯灭。系统主要由电源模块、CAN 收发器、MCU控制模块、语音合成模块、音频放大模块、报警灯等组成，如图1所示。

增加上位机软件，可以实 现报警系统与调度中心进行数据传递，调度中心通过网关即上位机发送命令给报警系统实现实时报警功能，也可以从报警系统接受命令。

本系统具有简便易操作、性价比高、灵活性高、可靠性高等诸多优点，具有广泛的实用性。

图1 系统原理框图

4 系统的硬件设计及芯片选型

4.1 CAN收发器

选用了ADI 公司的具有5KV rms信号隔离式收发器ADM3054芯片。它的内部在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个隔离接口，数据速率可达到1Mbps，在（CANH和CANL）。集成了保护功能，防止短接到系统的电源或地，同时还具有限流和热关断特性。

由于芯片具有内部磁隔离技术，不需要另加光耦隔离，外围电路比较简单，不仅降低了硬件的设计成本还提高了硬件的集成度。

4.2 MCU控制模块

选用了低成本、低功耗、高性能的ARM Cortex-M3内核 STM32F103C8微处理器，该芯片具有128K Flash、20k SRAM，并且内部还集成CAN控制器，因此控制模块无需外加CAN控制器和存储器。微处理器通过CAN 串行口与CAN收发器和其它设备进行通讯，获取设备需要报警的信息或提示操作信息的内容进行运算、处理。通过RS232 TTL串行口向语音合模块发送相应的语音合成命令完成报警，同时控制报警灯进行闪烁。 硬件看门狗复位电路采用SP706S芯片主要防止系统故障或外界干扰等因素导致系统死机或无法工作时自动恢复系统工作状态。如图2所示。

图2 控制模块原理图

4.3 音频放大模块

选用了Maxim公司的MAX9744立体声、20W、D类音频放大器芯片，通过该芯片的I2C接口设置内部寄存器数字方式提高或降低音量。无需滤波的扩展频谱调制降低了扬声器电缆上的RF辐射，免去了传统D类放大器所必需的大体积LC滤波器，不仅降低了硬件的设计成本而且节省了电路板面积并省去了外部大体积的散热块。

4.4 电源模块

电源模块的输入端选用了DC/DC隔离模块给系统供电确保系统的物理安全，并且需要切断接地回路来保护系统免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真。控制芯片采用了美国Linear公司生的LTC4218构成的双重过压、过流、并具有短路保护功能，不仅可以提高本质安全型电源的工作效率，减少能源损耗，还具有外围元器件少，集成度高，检修维护方便等优点。如图3所示。

图3 电源模块原理图

其作用如下：

（1）DC/DC隔离模块：将输入的DC18～36V电压转换成所需要的DC5V、DC12V、DC18V、DC24V；

（2） 取样电阻：将负载的电流信号转成电压信号送到LTC4218集成芯片中处理；

（3）MOS开关：选用型号为BSC016N04NS芯片来完成电源输出通断功能；

（4）LED指示：电源输出状态指示，电源工作正常时LED灯亮，电源故障保护时LED灯灭；

（5）过流值设定电阻：通过改变电阻值达到电源输出过流保护动作值；

（6）LTC4218集成芯片：通过取样电阻采集系统回路中的电压、电流信号进行处理，将处理结果转换成开关量输出信号控制MOS开关完成欠压、过压、缓启动、短路保护功能。

5 结语

本文给出了基于XFS5152CE的CAN总线声光报警系统设计方法。在系统设计过程中选用了高集成度芯片，不仅降低了硬件电路的设计难度，而且也减小了电路板的体积。将语音合成技术引入到煤矿井下和井上的调度中心的实时动态语音报警系统中，通过CAN总线采集设备的故障信息，实时的将故障内容以清晰、自然的语音输出，也可以接受井上调度中心下发的二进制文本信息进行文语转换，对提高煤矿安全运行及自动化水平都具有重要意义。针对其它不同的工业工程，只要稍加修改，也可以实现动态语音报警和动态语音操作指导。

[1]邬宽明．CAN总线原理与应用系统设计[M]．北京航空航天大学出版社,2002．

[2]张新民．ARM Cortex-M3嵌入式开发及应用[M]．清华大学出版社,2016,12．

[3]张钦．基于文语转换技术的远程语音报警系统[D]．中国科学技术大学,2002．5．

[4]XFS5152CE语音合成芯片用户开发指南V1．2[S]．2013．

[5]叶忠松,贡晋庭,伍森,叶春晓,李鸣．一种矿用本质安全型稳压电源[P]．ZL2016 2 1116415．6,2016．10．12．