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CAN總線安全廣播系統設計

印寧華|Indining China|

2023-08-16 08:51:16 862

摘要：本文在分析煤礦井下語音通信現狀基礎上，提出一種數字安全廣播系統設計，該系統選用CAN（可升級為高速CAN-FD) 總線作為數據傳輸方式，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對其進行工程實現。通過實驗證明其音頻還原力方面的優越性。
關鍵詞：CAN總線；OggVorbis；廣播系統；音頻壓縮編碼

引言
礦用通信設備實現形式多種多樣，其中，傳統定壓廣播系統技術落后、音質差、無法分組且擴容性差；礦用局部通信電話只能完成下行語音通信而沒有調度通信功能，以及小靈通聲音小，無法完成范圍擴音通信成為了這些技術在井下應用發展的瓶頸。本文提供一種基于CAN總線的廣播系統，所有語音分站皆通過一根串行總線連接，網絡拓撲簡單，通過適量增加CAN中繼設備容易實現井下全網覆蓋。

1 系統介紹
廣播系統主要用于安全生產知識宣傳、領導講話、音樂播放以及引導科學避險等工作。井上廣播主站的通信方式有下行全網廣播、礦區組播及站點單播三種通信方式，而井下語音分站則可以礦區組播和上行調度通信。CAN總線廣播系統主要由PC、廣播主站、語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控制主機和廣播主站組成，主要完成的功能有通過串口接收并解析運行在控制主機上的主控軟件命令，如語音通話命令、故障在線檢測命令等；對模擬音頻采樣量化編碼壓縮；封裝CAN數據包；語音分站呼叫“來電顯示”功能等。井下部分則主要由分組中繼器和語音分站組成。其中分組中繼器主要為了從CAN主網絡上創建一個CAN子網絡，并對CAN主網絡上的報文進行過濾，以實現不同子網間多路組內通話的并行進行，而無須增加額外的冗余CAN總線。而語音分站則只負責接收屬于自己的CAN幀，并從CAN數據幀中取出有效的語音負載進行音頻解碼還原工作，語音分站除了接收語音外還可以實現井下組內通話和上行調度通話功能。

廣播系統除了完成語音通信外還需要完成音樂播放等功能，因此對音頻還原音質有一定的要求，在中低編碼速率下，0gg Vorbis編碼方式有很好的變現力，支持流式播放，并且是完全免費的，因此系統采用的音頻編碼方式為0gg編碼。

2 系統硬件設計
系統主要由三個部分組成，但由于廣播主站和語音分站區別甚少，因此僅以框圖的形式將兩者合并介紹，并稱之為語音節點。語音節點主要由MCU、語音自動增益控制模塊(AGC)、音頻編解碼模塊、CAN通信接口模塊組成。

其中實線描繪的是廣播主站組成，語音分站需要增加的額外電路。

分組中繼器由MCU和兩個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僅內嵌了一個CAN控制器，因此需要使用一個獨立的CAN控制器。

由于硬件電路設計上廣播主站、語音分站、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計。

2.1MCU模塊
本系統所有組成部分MCU皆采用意法半導體公司生產的STM32F10312J，其采用高性能ARM Cortex-M3 32位RISC內核，工作時鐘為72M且集成了一路CAN控制器，高達128KB程序存儲空間以及20KB的RAM為硬件上實現0gg編碼提供了可行性且價格上相對其他同等性能MCU有*的優勢。

2.2總線接口設計
CAN總線接口采用飛利浦的TJAl040TM，其獨特的分離終端電阻設計使得其抗電磁干擾能力比C250/251的提高了近20dB。為了進一步改善CAN總線網絡的健壯性，CAN通信接口使用6N137和ZY0505BS-1W完成信號的光電隔離。

TJA1040 SPLIT內外置分壓匹配電阻型電路示意

TJA1040 SPLIT可選項外置分壓匹配電阻型電路示意

TJA1040典型應用電路原理圖示意

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產品系列中最先進的從屬式音頻編譯碼器，包含一個優質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，同時還可以錄制IMA ADPCM及0gg Vorbis格式的音頻文件。

3 系統軟件設計
3.1廣播主站節點軟件設計
系統軟件采用模塊化的軟件設計方法，廣播主站的工作流程為：上電后，廣播主站首先對系統進行初始化，包括時鐘配置、GPIO分配、外設初始化，然后等待系統中斷，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，進入Ogg音頻編碼工作模式，此時便可從編碼緩沖區獲取壓縮音頻數據并在MCU控制下封裝為CAN數據報，發送至總線。如圖4所示。

3.3分組中繼器軟件設計
分組中繼器有兩種工作模式，即透明轉發和分組中繼。工作原理是通過設置CAN接口的接收過濾器以實現不同的總線報文過濾機制，從而使不同CAN子網的組內語音數據不會因轉發至主網絡而造成數據幀之間的相互干擾，致使通信失敗。通過CAN分組中繼器的正確設置，不僅可以實現全網數據共享，還可以實現局部數據的并發通信，提高了總線利用率。

其軟件工作流程為：上電首先進行系統初始化工作，并獲取工作模式位，若為透明轉發則將CAN設置為全通型，否則根據子網號設置CAN過濾器。如圖5所示。

4 系統測試
測試平臺搭建由廣播主站經分組中繼器和一個語音分站通過CAN總線連接，廣播主站與PC機通過串口和音頻對錄線相連以接收命令和模擬音頻，而語音分站的音頻輸出端通過對錄線與PC音頻輸入口相連，并利用測試軟件Cool EditPro 2.1獲取解碼還原音頻信號。Ogg編碼選用的是單聲道低速率的編碼插件，編碼速率為23kbps，當主站獲得對分站音樂點播命令時，輸入和輸出語譜圖如圖6所示。

分析輸入輸出語譜圖的包絡和稠密程度可以看出該廣播系統具有較好的音頻還原能力，其差異來源主要是由兩個方面原因造成。*，Ogg編碼為有損編碼，且由于CAN總線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，解碼時對音量進行重新調節，引入固有差異。

5 結論
本設計提出了一種CAN總線廣播系統設計方案，音頻編碼采用Ogg Vorbis，且在CAN網絡上實現了低速率遠程相對較高音質的語音和音樂播放，并已經得到工程實現，喇叭聲強90dB，具有一定的實用價值。

參考文獻

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[4]VSl053b Data Sheet(version 1.11).[EB/OL].http：//www.vlsi.fi/
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