引言
隨著數字化網絡技術的迅速發展，為了進一步提高煤礦安全生產及現代化管理水平，基于工業以太網+現場總線的數字化自動控制網絡結構的語音廣播系統，正在礦用語音廣播領域受到越來越多的關注和重視。目前，在國內礦用CAN總線語音廣播系統產品中，很多公司的產品都選擇了基于話音的壓縮編碼技術(AMBE、CVSD等)，把話音壓縮成很低的速率進行傳輸并解碼還原播放。這類低壓縮率的編碼技術對于話音有比較好的還原播放效果，但是對于質量較高的音頻信號(MP3文件、WAV文件等)，在解壓后的播放效果非常不理想，從而只能采用上位機點播的方式進行本地播放，終端設備上必須安裝大容量的存儲設備，存儲內容在井下的更新和修改很不方便。另一種基于以太網技術的語音廣播系統為了實現遠傳輸距離，需要在井下鋪設光纖，成本非常高，加上井下工作環境復雜危險，光纖一旦折斷損壞，在井下現場進行熔接修理很不方便，維護成本很高。
相對于國內外市場現有的基于以太網的語音廣播系統，本文所介紹的基于CAN總線的語音廣播對講系統具有造價成本低、安裝維護方便的優勢；而相對于國內市場上的CAN總線型廣播系統而言，增加了遠距離、低帶寬條件下高品質音頻信號實時播放的功能，為煤礦井下數字化語音廣播領域提供了一個低成本、低功耗、多功能的新型解決方案。
1 系統總體構架
本系統的總體構架如圖1所示。該語音系統主要由井下語音終端節點、CAN轉TCP／IP網關、地面調度上位機、通信電纜等組成。地面可以通過調度上位機對井下各個語音終端進行操作，實現話音和高質量音頻文件以點播方式、組呼方式和全呼方式進行傳輸，井下各個語音終端節點可以實現話音的組呼或者調度呼叫。同時，調度上位機傳輸各種控制命令對各個節點進行遠程控制，實現巡檢、監聽、聯機等功能。
本系統中CAN總線的傳輸速率為20 khps，傳輸距離不小于2 km，CAN總線終端設備通過一對雙絞線即可實現連接通信，在井下的安裝布線方便，維護成本很低。在該系統中，選用了Cortex-M3內核的微處理器LPC1768，最高速率可以達到100MHz，足以滿足系統的各項功能需要。
為了實現CAN總線的遠距離傳輸，必須以犧牲傳輸波特率為前提。在該系統中，選擇和實現一種低碼速、高音質的語音壓縮編碼是整個系統的關鍵。共軛代數碼激勵線性預測(CS-ACELP)的8 kb／s語音編碼G．729方法延遲小，可以提供與32 kb／s的ADPCM相同的語音質量。其音質是同檔次碼速率中最優的，而且在噪聲較大的環境中也會有較好的語音質量，廣泛地應用于多種數字語音通信領域。
在嵌入式平臺上實現G．729壓縮編碼算法是該項目開發中的難點，在本系統中選用了一種單芯片的解決方案，利用一款多類別語音編解碼芯片CMX7261，配合Cortex-M3內核的嵌入式軟硬件平臺實現了語音信號的G．729A壓縮編碼。
2 語音終端硬件設計
2．1 終端硬件總體設計
終端硬件總體設計示意圖如圖2所示。模擬語音通過麥克風輸入，經過音頻放大芯片MC34119進行放大，然后送到語音編解碼芯片CMX72 61進行A／D轉換；數據壓縮打包后通過SPI接口傳送給微處理器LPC1768，微處理器通過CAN收發器CTM8250將數據傳送到CAN總線上；總線上的語音數據流通過CAN收發器傳送給微處理器，通過微處理器的SPI接口傳送給CMX7261，實現編碼數據的解碼；解碼后的數據通過CMX7261內部的D／A轉換器轉換成模擬語音，經音頻功放芯片TDA2822驅動喇叭播放。
2．2 語音處理模塊設計
CMX7261是英國CML公司研發的一種多類別語音編解碼芯片，支持多種語音編解碼標準。它能將模擬語音編碼成為PCM(線性、u率、A率)CVSD或者G．729A的數據格式，也能把PCM、CVSD和G．729A的語音數據流解碼成模擬語音輸出，并且支持PCM、CVSD和G．729A協議之間的相互轉換。CMX7261由3．3 V電源供電，提供可選的低功耗模式。
圖3為CMX7261與微處理器LPC7168的接口電路圖。CMX7261與LPC1768通過C-BUS(SPI模擬)接口進行數據的傳輸。設置CMX7261的相關功能寄存器，產生壓縮速率為8kb／s的G．729A語音的編碼數據流，在CAN總線上傳輸，傳輸速率選擇15kb／s，終端節點之間的傳輸距離2000m。由于G．729A的編解碼標準對于質量較高的語音支持效果較好，所以采用CMX7261語音芯片能夠低成本地實現話音和高質量語音的窄帶通信。
2．3 CAN總線電路設計
在本系統中選用了帶隔離的CAN收發器模塊CTM8250。CTM8250是一款帶隔離的通用CAN收發器模塊，該模塊內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發器件，這些都被集成在不到3 cm2的模塊上。模塊的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC 2500 V的隔離功能。
3 軟件設計
3．1 終端軟件設計
對于語音傳輸系統而言，實時性是一個重要的評價指標。在該語音終端的軟件設計中，引入了事件池的思想。事件池在具體軟件實現上是一個封裝好的結構體數組，數組的大小為事件池中能同時容納的事件的個數，即在同一時刻，系統中允許最多發生事件的個數。
本系統軟件設計中，響應外中斷和功能函數的方式有兩種：
①依據外部中斷的類型或者功能函數的返回值，在結構體數組中依據事件參數初始化一個結構體變量，即在事件池中產生了一個待處理的事件。
②在結構體數組(即事件池)中，依據事件參數遍歷查詢相應的結構體，即依據事件參數遍歷查詢相應事件是否發生，并調用相應的功能函數；依據事件參數對該結構體進行處理，即對發生的事件進行處理；一個事件(結構體)處理成功結束后，重新初始化結構體中的事件參數，即把處理完的事件在事件池中銷毀，如果事件處理失敗，則不改變事件參數，等待下一輪的處理。
這樣，微處理器在循環不斷地處理事件(結構體)時，其實就是對系統中實時發生的各種情況進行快速響應，把封裝好的結構體作為系統中各類事件的數學模型。
圖4為系統終端進行語音數據流收發和編解碼的軟件事件池示意圖。在本系統終端的軟件設計中，按鍵掃描模塊、CAN總線收發模塊、語音編解碼芯片CMX7261與LPC1768進行SPI數據通信等各種外部觸發都采用了中斷方式，減少了處理器的等待時間。在具體的軟件設計上，在CAN總線的收發控制中設定了兩級緩存，每級緩存都有對應的PUSH和POP兩個變量來實時地作為收發緩存填充的標志，語音數據流在收發過程中做到了非阻塞，提高了語音數據流的傳輸效率和語音編解碼效率。
當發生某一種特定的條件后，終端處理器并不是立馬去執行相應的操作程序，而是產生相應的事件，初始化事件參數，放入軟件事件池中。語音終端的軟件設計由事件池作為系統軟件的協調者，簡化了軟件的開發流程，使得軟件開發層次清晰，效率高。
3．2 CAN總線應用層協議設計
CAN總線的底層硬件工作于OSI的數據鏈路層和物理層，CAN總線網絡通信協議僅解決了數據發送、接收、錯誤處理等底層硬件數據傳輸問題，對于應用層數據并沒有規定相應的解析協議，應用層協議需要開發人員自定義，主要應考慮以下三個方面：數據幀格式確定、總線資源的分配、發送接收數據幀的分配。
該系統中，CAN應用層協議需要由開發人員進行設之間進行安全穩定通信的關鍵。所以，CAN總線技術，特別是CAN總線應用層協議是該系統設計中的一個關鍵點和難點。現在國內外存在一些現有的CAN總線應用層協議標準(CANopen、CANbus)，本系統以這些應用層協議標準作為參考，結合本系統的功能設計出適用于該系統的CAN總線應用層通信協議。
本系統在CAN應用層協議的設計中，對于單個終端節點而言，在收到CAN總線語音數據的條件下(有CAN總線中斷)沒有發送語音的權利，即接收的優先級比發送的優先級高，這樣就很好地避免了一條總線上語音數據流的沖突問題。在同一時間，整條CAN總線上最多只能有一對節點在進行語音數據的傳輸。
地面調度上位機在整個系統中是處于優先級最高的地位，當井下終端節點在進行廣播通話的過程中接收有調度上位機的語音數據后，發送終端應該及時作出判斷，關閉發送功能，轉為接收調度上位機的語音數據。
在CAN總線的各個終端之間在進行數據發送接收工作時，調度上位機的控制信息仍然可以在總線中進行傳輸，不影響終端的語音傳輸的功能。終端節點在接收到調度上位機的控制信息后，應在空閑時進行相應的操作和回應。
結語
本文給出了基于G．729A語音編解碼技術的煤礦井下語音傳輸系統構架、終端的軟硬件設計方案和CAN總線應用層協議設計方案，用事件池的軟件沒計思路實現了G．729A壓縮編碼的語音數據流在井下CAN總線的實時安全傳輸，實現了話音和高質量語音信號在窄帶寬的CAN總線上實時傳輸的功能。本系統的方案新穎，成本低，實現簡單，對于煤礦井下語音傳輸系統的設計和開發有很好的借鑒意義。