梅申合，廖曉緯，沈曉波

(1.安徽大學電子信息工程學院，合肥230601;2.淮南師范學院電氣信息工程學院，安徽淮南232038)

煤炭產(chǎn)業(yè)是我國的基礎產(chǎn)業(yè)，煤礦安全是煤炭企業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。如何保持調(diào)度室與井下通信實時是保證煤礦安全生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在許多煤礦的井下廣播仍使用著傳統(tǒng)的調(diào)度通信系統(tǒng)，調(diào)度電話分布數(shù)量有限，且通信電纜長度有限，數(shù)量過多的通信電纜也容易遭到破壞。為了確保井下人員的人身安全，讓他們隨時了解到井下的情況和聽到地面指揮調(diào)度中心的廣播，礦井內(nèi)需要全覆蓋的語音廣播系統(tǒng)來實現(xiàn)上述目標。因此，提出一種基于TMS320F2812的CAN總線［1，2］技術的煤礦井下語音通信系統(tǒng)，既能完美實現(xiàn)廣播對講功能，又具有遠距離傳輸、低成本和施工方便等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)為礦用廣播對講系統(tǒng)，可以做到全礦井的覆蓋，用于礦井下人行道、停車場、休息室、工作面等場所，是日常安全生產(chǎn)指揮的有效工具，并在需要時雙向?qū)υ拰崿F(xiàn)對講。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括廣播主站、CAN總線和廣播分站3個部分。廣播主站可監(jiān)聽任意一個廣播分站周圍的聲音，可對一個、一組或所有廣播分站進行廣播。廣播主站和分站都采用TI的DSP芯片TMS320F2812作為信號采集和控制單元［3］，輸入的模擬聲音信號經(jīng)過模擬放大電路，送入TMS320F2812的A/D采集口，轉(zhuǎn)換完成后，把數(shù)據(jù)暫時存儲在片內(nèi)的存儲器中，通過CAN收發(fā)器傳輸?shù)紺AN總線上，等待其他廣播響應，當有廣播響應后，通過CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)暫時存儲在廣播分站片內(nèi)存儲器中，通過外部D/A轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過模擬放大電路，將聲音輸出。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設計

2.1 模擬放大電路設計

系統(tǒng)的控制核心TMS320F2812芯片的片內(nèi)A/D模塊包括12位A/D核，內(nèi)置雙采樣保持器，16個通道，完全可以滿足礦用語音系統(tǒng)的采樣精度和速度的要求，因此不必外擴A/D轉(zhuǎn)換器［4，5］。由于聲音是通過話筒轉(zhuǎn)化為電信號之后才供A/D采集的，考慮到電信號的微弱性，輸入的電信號要經(jīng)過模擬放大電路才進入A/D轉(zhuǎn)化器，模擬放大電路如圖2所示。C2為電源濾波電容，IC1是功放集成電路，C4是輸入耦合電容，C3是輸出耦合電容，此模擬放大電路也適用于D/A輸出電路。

圖2 模擬放大電路

2.2 CAN總線接口電路設計

由于礦井工作環(huán)境較為復雜，所以選用了抗干擾能力強的CAN總線作為礦用廣播系統(tǒng)的通信方式。TMS320F2812是通過內(nèi)置增強型CAN控制器ECAN模塊進行通信的，支持標準的CAN2.0協(xié)議［6］和遠距離傳輸，總線通信速率最高可以達到1Mbps，擁有32個郵箱，每個郵箱都可以配置為發(fā)送或接收郵箱，且都有一個可編程的接收過濾器屏蔽寄存器，現(xiàn)已被廣泛地應用與眾多領域。TMS320F2812芯片的CAN總線控制器與CAN物理總線的接口選用SN65HVD232芯片，提供對總線的差動發(fā)送和接受功能，硬件原理如圖3所示。此芯片與傳統(tǒng)CAN收發(fā)器PCA82C250兼容，且支持+3.3V電壓，可直接與TMS320F2812連接，簡化了電路，為了提高CAN通信的穩(wěn)定性，CAN總線網(wǎng)絡的兩個端點之間要加入終端匹配電阻。

圖3 CAN接口電路

2.3 D/A連接電路設計

D/A輸出電路選用的是BURR-BROWN公司的D/A芯片DAC7724，它是12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，4路獨立模擬輸出，內(nèi)部包括4組R-2R權電阻網(wǎng)絡，4組雙極緩沖輸入寄存器和運算放大器，具有片選，輸出使能等控制引腳，其與主控單元TMS320F2812的連接通過由ALTERA公司MAX7000AE系列的EPM7064AE來完成。其與主控單元的連接電路如圖4所示，譯碼程序在QUARTUSП環(huán)境下用VHDL語言編寫，編譯修改，生成目標文件，最后通過JTAG接口下載完成。

圖4 DAC7724與主控單元連接電路圖

3 軟件設計

3.1 采集功能實現(xiàn)

ADC模塊共有16個結(jié)果寄存器，每個結(jié)果寄存器都是16位，而TMS320F2812的ADC是12位，也就是說轉(zhuǎn)換后的數(shù)值最高只有12位。ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)值在結(jié)果寄存器中是左對齊，結(jié)果寄存器的高12位用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果，低4位被忽略，可以將ADResult中的值先右移4位再計算，輸入的模擬量和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量之間的關系如下所示

ADResult是結(jié)果寄存器中的數(shù)字量，VoltInput是模擬電壓輸入值，ADCLO是ADC轉(zhuǎn)換的參考電平，一般取值為0。

ADC模塊進行數(shù)據(jù)采集時必須有一個啟動信號。設計采用EVA下的通用定時器T1，T1的周期中斷標志位被置1時向ADC模塊發(fā)出一個ADC啟動信號。當轉(zhuǎn)換結(jié)束時，轉(zhuǎn)換數(shù)值寫入相應的結(jié)果寄存器中，中斷標志位置位，進入ADC中斷服務子程序中，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入數(shù)組Ad_data中，然后調(diào)用CAN通信子程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，清除ADC中斷標志位，響應中斷后返回主函數(shù)。

3.2 通信功能實現(xiàn)

CAN網(wǎng)絡中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元稱為報文，報文傳送由4種幀類型組成:數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀。數(shù)據(jù)幀的格式，由7種不同的位場組成。網(wǎng)絡中的CAN節(jié)點只能在總線空閑時才允許開始發(fā)送信號，所有的節(jié)點必須同步于首先開始發(fā)送報文的節(jié)點的幀起始前沿。若同時有兩個或兩個以上的節(jié)點開始發(fā)送報文，總線會對標識符逐位進行仲裁，仲裁期間，每個節(jié)點都將總線電平與自己發(fā)送位電平相比較，如果發(fā)送電平和接受電平相同，則該節(jié)點繼續(xù)發(fā)送報文。若該節(jié)點發(fā)送的一個隱性位被顯性位改寫，說明有較高優(yōu)先權在發(fā)送，則節(jié)點自動轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮掌鳌?/p>

CAN模塊的主要任務是將A/D采集的語音數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上以便其他廣播站接受，是構(gòu)成語音系統(tǒng)的關鍵。CAN模塊的軟件設計主要由3部分組成:CAN模塊的初始化、發(fā)送程序和接受中斷程序。在使用CAN模塊之前必須進行初始化。初始化包括引腳的定義、清除標志位、時鐘使能、收發(fā)郵箱的配置和波特率的配置等。發(fā)送程序在DSP主程序的循環(huán)部分進行調(diào)用，接受中斷程序在ECAN1INT產(chǎn)生中斷時進行調(diào)用。CAN模塊發(fā)送消息時，首先CPU將A/D采集的數(shù)據(jù)存放在發(fā)送郵箱中，將數(shù)據(jù)和標識符存放在相應RAM空間中，當發(fā)送請求位TRSn被置位后，數(shù)據(jù)就會發(fā)送出去。CAN模塊接受消息時，首先將比較接受消息的標示符和接受郵箱的標識符，如果消息的標識符和郵箱的標識符匹配，則接受標識符、控制位和數(shù)據(jù)字節(jié)就會寫入該郵箱的RAM存儲區(qū)域中，相應的接收消息掛起位RMPn被置位［7，8］。發(fā)送和接受流程圖如圖5所示。

3.3 D/A輸出功能實現(xiàn)

DAC7724芯片輸入的數(shù)據(jù)是二進制格式，理想的輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的關系如下:

其中N是數(shù)字輸入代碼。

前面已經(jīng)設計D/A的硬件部分，所以軟件部分就變得簡單，只要對D/A初始化，將CAN接受到的數(shù)字語音信號，直接送入D/A的轉(zhuǎn)換通道即可。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證通信系統(tǒng)的性能，選取兩個語音節(jié)點對其進行了實驗測試。實驗方法是用分壓電路5V穩(wěn)壓

源電壓接入一號語音節(jié)點A/D采集口的通道0，通過CAN總線傳輸?shù)?號語音節(jié)點，調(diào)節(jié)滑動變阻器，在2號語音節(jié)點D/A輸出通道0處測量輸出電壓并計算。其測試結(jié)果如表1所示。

圖5 CAN發(fā)送和接受程序流程圖

表1 測試數(shù)據(jù)

測試結(jié)果表明，誤差值隨著電壓的變化而變化，但是誤差率始終不超過1%，該系統(tǒng)可實現(xiàn)高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，完全符合礦用語音系統(tǒng)的設計要求。

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