基于CAN总线冗余结构的矿下智能语音系统设计

陈新星， 娄 柯， 高子朗

(1.安徽工程大学检测技术与节能装置安徽省重点实验室, 安徽 芜湖 241000;2.芜湖荟萃中学, 安徽 芜湖 241000)

引 言

煤矿作为中国经济迅速发展的最重要的产业之一，随着近年来，煤矿事故的频繁发生，煤矿安全成为了煤矿开采需首要解决的问题。如何解决地面主站与井下各语音节点实时性通信与安全检测、监控是煤矿安全生产的重要保障。很多煤矿通信系统依旧使用传统调度通信系统，主要分为有线调度电话、无线调度电话，以及井下局部扩音电话系统[1]。这些传统系统具有很大的局限性，紧急情况下，无法与调度室实时通信，不能确保井下开采人员及时安全撤离。同时无法做到对井下环境信息实时而准确监测，以便提前预防事故的发生[2]。

对于传统的矿下系统，目前有很多学者提出采用RS232、RS485等传输方式。由于串口通信存在自身通信距离短、容纳节点少、传输速率慢等缺点[3]，也有学者提出使用ZigBee无线传输方式[4]。虽然ZigBee具有低功耗、低成本、可扩展性高等优点，但是矿下环境恶劣，容易导致传输不稳定，传输速率低，抗干扰很弱，会出现通信的中断，不利于全面推广和发展。

CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)是由德国BOSCH公司是针对汽车应用而开发的多主机局部网络，主要是应用于汽车的监测和控制，解决汽车上众多电子设备之间的通信问题。它的出现为分布式控制系统实现提供了有力的技术支持，也保证了网络各节点之间的数据通信实时性强、各节点之间实现自由通信的功能。CAN总线常用通信介质有双绞线或光纤等，利用差分信号线以差分电压方式在网络间进行通信。在通信过程中完成优先级判别、数据检验、位流编码、位填充、错误处理等工作[5]。

CAN总线作为一种串行数据传输系统网络与一般的通信总线相比，具有可靠性强、实时性强和抗电磁干扰能力强的特点，可靠的错误检测和故障界定机制[6-7]。但是在应用过程中CAN总线不可避免地经受各种自然因素或人为因素的影响，CAN总线可能会出现各种故障，比如，通信介质的破损以及断线或出现短路现象，CAN总线收发器或控制器出现故障等。一旦CAN总线通信过程中任何环节出现故障，矿下重要的信息就不能及时传达到地面主站，井上工作人员就无法掌握到井下的一切动态，形成井下盲区，严重时可能会造成重大事故。因此有必要对CAN总线可靠性进行强化设计。本文提出了冗余技术对系统通信网络的优化，比传统单CAN总线具有更好的可靠性和抗干扰能力。

1 系统整体及节点模块结构

1.1 系统整体组成

系统总体框架示意图如图1所示，该智能语音系统主要是由井上地面控制主站、监测中心站和井下分站的各个语音智能节点，CAN继电器，通信电缆等部分组成。地面主站可以调度上位机对井下的各个智能语音终端进行操作，实现语音以点播、组播以及全呼方式对井下终端的通信，同时各分站也可以实现语音的组呼或者调度呼叫。在地面监测站还可以实现对井下各个分站的操作环境进行实时监控，准确掌握恶劣井下环境的各个参数指标，并且可以及时地对井下的突发情况做到有效应对措施[8-9]。

图1 系统总体框架示意图

1.2 系统总体硬件结构设计

在系统通信功能上，主站和分站硬件结构的设计基本相同，都是实现语音信号的采集、编码、传输、解码和播放。主站点增加人机交互模块，分站点硬件设计框图如图2所示。硬件结构图主要是由MIC输入的语音信号，经过AGC电路及模数转换器，然后通过AMBE-2000芯片对语音信号压缩编码后送入MCU中，同时智能传感器将采样数据也送入MCU中，通过隔离CAN收发器将数据发送到CAN总线上。在井下通信时，CAN总线上的语音数据会通过CAN收发器送入MCU中，然后送到AMBE-2000解压解码，再通过数模转换器，最后进行功率放大送到扬声器中[10-11]。采用双总线结构来提高各个站点之间通讯的抗干扰能力。

图2 分站点设计框图

2 系统硬件设计

2.1 主控制器模块

本系统所使用处理器皆采用ST公司生产的STM32F103CBT6[12-13]嵌入式硬件平台来设计，其采用高性能ARM Cortex-M3 RISC内核，工作时钟为72 MHz，且芯片内部集成了一路CAN总线控制器，高达128 KB的Flash以及64 KB的SRAM。内部集成了SPI、USB、USART、I2C以及网络等外设多种接口，具有强大的数据处理能力和网络通信能力。

2.2 CAN总线接口模块

由于矿下环境极为复杂，MCU内部增强型bx-CAN控制器支持标准的CAN2.0A和CAN2.0B协议以及远距离传输，在正常通信时，总线传输速率可以高达到1 Mbps，CAN通信接口模块设计是保持正常通信、可靠收发数据的关键。由于在煤矿下面电气设备数量众多，存在多种干扰源，在硬件设计时要考虑EMI/ESD性能，使系统抗干扰能力增强。故选择高速CAN隔离芯片TJA1052，隔离电压能达到2500 V，CAN总线的通信电缆需要选择双绞线来降低信号干扰。CAN总线接口模块如图3所示。

图3 CAN总线接口模块

2.3 语音信号处理模块

CAN总线在传输信号频率上是属于窄带宽的数据总线，随着通信距离的增加而波特率会降低，如果直接采集语音信号送入到CAN总线上，必定会造成网络拥堵，对语音的实时性就会大幅度降低。为了使语音信号在CAN总线传输的带宽缩减，采用了AMBE音频压缩算法对语音信号进行压缩编码，该算法在环境噪声以及误码率方面具有很强的鲁棒特性，具有良好的语音合成效果。

AMBE-2000语音编解码芯片是一款低功耗、高性能且非常灵活的芯片，以多速率语音16位的线性装置作为最大的声音质量装置，也提供了A律和u律接口，在低数码速率环境下能提供很好的声音质量。 AMBE-2000是由两个相互独立的编码器和解码器组成，压缩后数据传输速率在2.0 Kbps～9.6 Kbps范围内可调节。理想情况下，编码器约会每20 ms被读一次，20 ms后，会读取下一个数据包。当编码器接收一个8 kHz的语音数据流样本，并会输出一串相应速率的通道数据。编码器和解码器的接口使用定时器时序是完全异步的，再根据接收到语音误码率的高低，可以用软件灵活的配置语音编码速率和向前纠错速率(FEC)，达到最佳匹配率，在播放时获得最佳的语音效果。语音信号处理块如图4所示。

图4 语音信号处理模块

系统中AD/DA转换器采用Burr-Brown公司开发的低电压、低功耗16位串行A/D转换器与D/A转换器芯片，芯片时钟频率为4.096 MHz，采样频率从7.2 Kbps～26 Kbps，系统的语音采用频率为8 kHz, PCM3500带有回环自检功能，使芯片在工作时自身功能更加稳定。由于电路中采用主动模式，主动/被动模式引脚M/S置为高电平。当LOOP置为高电平，则是A/D转换器与D/A转换器输出与输入互连，即Vout接到Vin，方便了芯片自身检测。HPFD输入高电平，可滤除输入的直流分量。AMBE-2000和PCM3500采用SPI接口通信，端口BCK时钟频率为128 kHz，BCK输出时钟信号， FS为主动输出同步信号， 两者需严格同步。麦克风和喇叭采用单端输入/输出方式。A/D及D/A转换模块接口如图5所示。

图5 A/D及D/A转换模块

2.4 智能传感器模块

使用自组合的多种无线传感器[14-15]对井下瓦斯浓度、CO2浓度、O2浓度和温度进行检测，形成一个无线检测网络，利用ZigBee与多个无线传感器节点进行通信。采集矿下数据，传送到地面工作站。ZigBee传感器模块接口如图6所示。

图6 传感器模块

3 系统软件设计

软件设计使用结构化设计，具有很好的模块性和可移植性，根据不同的应用场景，可以将功能代码进行重组，获得所需要的功能。软件功能主要是语音采集播放、样本数据采集、数据处理、CAN通信。一个CAN数据帧是由帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束七个段位组成的。数据帧是以一个显性位(逻辑0)开始，以7个连续的隐形位(逻辑1)结束。仲裁段的内容主要是数据的ID信息，能够控制数据帧发送时的优先级，也决定其他设备是否会接收这个数据帧，对于比较重要信息，会打包优先级更高的ID，使它能够及时地发送出去。正是因为CAN总线的优先级分配原则，在突发情况下，能够显示出CAN总线设计的系统优越性。在接收报文的时候，根据报文的ID的类别，CAN过滤器会丢弃不需要的报文，接收所选择的需要的报文。

在通信过程中，各级节点会同时向双CAN总线上发送报文，不分主从CAN总线。在接收CAN总线数据时，若判断是语音报文，只需接收最先到达节点的语音报文，解压处理，对后到达总线的语音报文数据接收后，不作处理。若接收到是传感器数据，节点接收到CAN总线数据后，与另一条CAN总线上的数据做比对，两者若是相同，则主站处理数据并显示，反之，则重新请求节点发送数据。

系统的软件主要由系统参数初始化程序、发送程序、接收程序、数据采集程序等组成。系统上电，各模块初始化后，由定时器产生1 ms的时钟，并设定传感器数据采集时钟周期10 ms，系统检测语音按键是否按下，若按下，系统继续检测是否是紧急语音，若是，则启动紧急语音程序，将CAN数据帧的ID设置为最高优先级，启动语音采集子程序，打包报文并通过CAN网络发送出去。判断采集传感器数据定时时间是否到达，若到达，通过ADC采集传感器的数据，根据ADC采集参数的类别不同，设置不同数据标志位，按照一定的帧顺序进行打包成报文，通过CAN总线发送出去。

当CAN接口模块检测到CAN总线接收FIFO数据时，产生中断，判断是否是语音中断，若是，接收语音，解码并播放语音。反之，判断是否是采集传感器数据中断，若是，解码传感器采集数据报文，并且在地面的检测屏幕上显示，能够实时观察到矿下的情况。系统发送主程序如图7所示，中断接收程序如图8所示。

图7 系统发送主程序

图8 中断接收程序

4 实验与分析

为了测试系统设计功能的有效性，分别对系统语音和传感器的性能进行了验证。针对语音测试，图9、图10分别是原始信号和播放信号的时域和频域的分析结果，通过语音信号的包络，可以看出系统具有语音还原能力。

图9 原始信号时、频域图

图10 播放信号时、频域图

从矿下不同的地点采集的数据，如采掘工作面进风流中、采掘工作面回风巷风流中和矿井总回风巷中等。采集数据及标准数据见表1。实验结果表明，传感器所采集的数据的相对误差在±10%之内，系统传感器的采集具有较高的测量精度。

表1 矿下测试数据对比

5 结束语

利用双CAN总线冗余结构的优越性，本文详细地给出了以STM32为控制核心的矿下语音智能通信系统的设计方案。系统能够实现正常的矿下语音通信，矿下紧急事件通过双CAN总线同时发送至地面总站，供井上工作人员迅速做出救援反应。同时节点系统能够通过CAN总线实时对井下的瓦斯浓度、CO2浓度、O2浓度和温度的实时监测，具有更高的安全性、可靠性、实时性，具有良好的实用价值和推广价值。

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