唐麗均,吳畏
(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,重慶402260;2.重慶城市管理職業(yè)學(xué)院)
礦用廣播系統(tǒng)是煤礦進(jìn)行生產(chǎn)指揮調(diào)度、安全避險(xiǎn)和應(yīng)急救援的重要工具。廣播系統(tǒng)應(yīng)具備播放通知、音樂(lè)、對(duì)講等多種功能?,F(xiàn)有礦用廣播終端大多數(shù)功能單一,只支持單向廣播,或支持對(duì)講但功能不完善,不支持本地和在線高品質(zhì)音樂(lè)播放的功能。
本文根據(jù)現(xiàn)有廣播終端存在的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種支持實(shí)時(shí)廣播、本地和在線高品質(zhì)音樂(lè)播放、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講的廣播終端[1]。
礦用廣播終端的主要功能是將廣播通信服務(wù)器下發(fā)的音頻數(shù)據(jù)或本地音頻數(shù)據(jù)通過(guò)揚(yáng)聲器對(duì)外播放;同時(shí)支持外掛話柄,實(shí)現(xiàn)各個(gè)終端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信[2]。
廣播通信服務(wù)器通過(guò)光纖將音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇V播終端。廣播終端采用光電轉(zhuǎn)換將音頻數(shù)據(jù)傳輸給模擬電話適配器KSZ8342進(jìn)行處理。KSZ8342將處理完畢后的音頻數(shù)據(jù)通過(guò)并口數(shù)據(jù)線傳輸?shù)?MCU-STM32F103,再通過(guò)SPI總線傳輸?shù)揭纛l解碼芯片VS1003B進(jìn)行處理,最后通過(guò)音頻放大器驅(qū)動(dòng)喇叭播放在線音樂(lè)或語(yǔ)音。
如需要播放本地音樂(lè),廣播通信服務(wù)器會(huì)下發(fā)相應(yīng)的控制命令,廣播終端通過(guò)STM32F103讀取本地SD存儲(chǔ)卡中的音樂(lè),利用VS1003B解碼后通過(guò)功放驅(qū)動(dòng)喇叭播放本地音樂(lè)。
廣播終端采用類(lèi)似電話撥號(hào)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能。廣播終端外掛電話話柄,當(dāng)話柄摘機(jī)并撥號(hào)后,STM32F103將獲取到的號(hào)碼上傳到KSZ8342,然后通過(guò)光纖上傳到服務(wù)器進(jìn)行處理。本地用戶的語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)用戶線接口電路(SLIC)芯片[3]SI32260進(jìn)行PCM編碼并通過(guò)光纖傳輸?shù)侥康膹V播終端上,同時(shí)將對(duì)方用戶的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行PCM解碼后通過(guò)話柄聽(tīng)筒還原,從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能。
廣播終端的原理框圖如圖1所示。
圖1 礦用廣播終端原理框圖
礦用廣播終端硬件主要包括模擬電話適配器電路、微控制器單元、音頻放大器和用戶線接口電路等。
KSZ8342是一個(gè)高度集成的模擬電話適配器,內(nèi)部集成了一個(gè)MIPS32 RISC CPU、一個(gè)ZSP、標(biāo)準(zhǔn)編解碼器、語(yǔ)音優(yōu)化器,并支持兩路PCM和以太網(wǎng)接口。
KSZ8342采用RISC CPU和DSP構(gòu)成的嵌入式多處理器體系結(jié)構(gòu),通過(guò)ZSP400 DSP處理器,提供PCM、G729語(yǔ)音編解碼算法,以提供卓越的語(yǔ)音質(zhì)量。
廣播終端采用STM32F103芯片[4]微控制器,主要是用于擴(kuò)展KSZ8342的GPIO口,以支持多種外部設(shè)備的接入。STM32F103采用8位并口數(shù)據(jù)線和3位控制數(shù)據(jù)線與KSZ8342進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。KSZ8342結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
STM32F103外接SD存儲(chǔ)卡,用于存儲(chǔ)本地音樂(lè);外接音頻解碼芯片VS1003B[5],用于播放高品質(zhì)的MP3音樂(lè);外接顯示屏、撥號(hào)鍵盤(pán)、摘機(jī)檢測(cè)等外設(shè),用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能;外接RS485通信接口,用于井下無(wú)光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)的通信。
本廣播終端中的音頻放大器是其重要組成部分。音頻放大器需要有較大的功率輸出,滿足井下巷道200 m以上的聲強(qiáng)要求。同時(shí)本廣播終端采用本安電源供電,供電電流峰值電流受限,因此需選用效率高、電流小的 D類(lèi)功放[6]。
圖2 KSZ8342結(jié)構(gòu)框圖
選用PAM8403型D類(lèi)芯片作為音頻放大器,該音頻放大器具有低EMI調(diào)制方式,可以省去傳統(tǒng)D類(lèi)放大器輸出低通濾波器,同時(shí)能提供3 W的立體聲輸出(4Ω、THD+N=1%),效率高達(dá)90%。礦用廣播終端音頻放大器電路如圖3所示。
在揚(yáng)聲器輸出端需增加TVS管限制輸出電壓。
SI32260是一款雙通道ProSLIC芯片,支持兩路電話接入。該芯片采用3.3 V供電,具備標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口、靜態(tài)功耗低(小于0.1 W)、尺寸小(8 mm×8 mm)。
在SI32260的一路電話接口上集成了一個(gè)簡(jiǎn)單電話機(jī)電路[7],再通過(guò)外接話柄、撥號(hào)鍵盤(pán)、顯示屏和摘機(jī)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能。礦用廣播終端用戶線接口電路如圖4所示。
廣播終端尺寸為390 mm×270 mm×160 mm,外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖3 礦用廣播終端音頻放大器電路
圖4 礦用廣播終端用戶線接口電路
圖5 礦用廣播終端外形結(jié)構(gòu)
礦用廣播終端上左右各放置一個(gè)喇叭,分別與功放左右聲道相連。外面板上放置一個(gè)話柄、一個(gè)撥號(hào)鍵盤(pán)以及一個(gè)顯示屏,用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講。8個(gè)防水喇叭接口支持2路光纖、1路電源、1路話柄、1路RS485通信線接入,備用3個(gè)接口用于以后擴(kuò)展使用。
本文展示了一種礦用廣播終端的系統(tǒng)架構(gòu)以及設(shè)計(jì)思路,并詳細(xì)地闡述了廣播終端中重要功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。本礦用廣播終端采用光網(wǎng)絡(luò)接入,可在線實(shí)時(shí)播放高品質(zhì)音樂(lè),也可實(shí)時(shí)更新本地SD存儲(chǔ)卡上的音樂(lè)。在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下,可切換播放本地SD存儲(chǔ)卡上存儲(chǔ)的音樂(lè)。
經(jīng)測(cè)試,音頻信號(hào)最大不失真輸出電壓高達(dá)5 V,在1 mm處的聲強(qiáng)不低于90 dB。
同時(shí),還支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能,可實(shí)現(xiàn)各個(gè)廣播終端之間實(shí)時(shí)對(duì)講,完全滿足煤礦廣播的要求。
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