電光防爆科技（上海）有限公司 伍 森

基于XFS5152CE的CAN總線聲光報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電光防爆科技（上海）有限公司 伍 森

針對煤礦實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了基于XFS5152CE的CAN總線聲光報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過CAN總線采集設(shè)備故障信息，利用XFS5152CE芯片將文本二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成語音信號。采用這種方法具有語音質(zhì)量高、實(shí)時(shí)性好，完全可以應(yīng)用到包括煤礦井上井下實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)報(bào)警系統(tǒng)在內(nèi)的其它實(shí)時(shí)報(bào)警場合中。

CAN總線；語音合成；XFS5152CE芯片

0 引言

近年來，隨著煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性、靈敏性、可靠性、穩(wěn)定性、易維護(hù)性的提高，報(bào)警系統(tǒng)的功能也得到不斷改進(jìn)和完善，如果能夠保證對井下變電所和井上調(diào)度中心的設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種故障信息和參數(shù)超限進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)語音提示和報(bào)警、通暢而且有效，對于生產(chǎn)緊急情況處理、礦井災(zāi)害預(yù)報(bào)等有非常重要的意義。

目前井下報(bào)警系統(tǒng)大多數(shù)是需要根據(jù)報(bào)警內(nèi)容制作音頻文件存放在存儲(chǔ)器或SD卡中，利用微處理器將其信息讀出解碼傳送給專用的數(shù)字語音芯片。此方法后期維護(hù)性差、靈活度低等缺點(diǎn)，這些都限制了語音合成技術(shù)的普及。因此，研究開發(fā)快速、無需制作音頻文件、廉價(jià)的報(bào)警系統(tǒng)具有很大的市場前景和重要的科學(xué)研究價(jià)值。

1 CAN總線介紹

1.1 簡介

控制器局部網(wǎng)（CAN—controller Area Network）是Bosch公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器及建筑、環(huán)境控 制等眾多部門。

1.2 CAN總線主要特點(diǎn)

（1）CAN為“多主”工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)的向網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從。

（2）CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大的節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。

（3）在報(bào)文標(biāo)識符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸。

（4）CAN節(jié)點(diǎn)只需要通過對報(bào)文的標(biāo)識符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。

（5）CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)以及其他檢錯(cuò)措施，具有很好的檢錯(cuò)效果。

（6）CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)到110個(gè)。在標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文標(biāo)識符有11位，而在擴(kuò)展幀報(bào)文標(biāo)識符（29位）的個(gè)數(shù)幾乎不受限制。

利用CAN總線的這些特點(diǎn)讓其在外部環(huán)境較差的報(bào)警系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

2 XFS5152CE芯片

2.1 簡介

XFS5152CE芯片是科大訊飛股份有限公司最新推出的一款高集成度的語音合成芯片，可實(shí)現(xiàn)中文、英文語音合成；并集成了語音編碼、解碼功能，可支持用戶進(jìn)行錄音和播放；除此之外，還創(chuàng)新性地集成了輕量級的語音識別功能。

2.2 主要功能特點(diǎn)

（1）支持任意中文文本、英文文本的合成，并且支持中英文混讀；

（2）芯片內(nèi)部集成80種常用提示音效，適合多種場景使用；（3）支持UART、I2C、SPI三種通訊方式；

（4）支持多種控制命令，如合成文本、停止合成、暫停合成、恢復(fù)合成、狀態(tài)查詢、進(jìn)入省電模式、喚醒等。

2.3 常用的控制指令

（1）狀態(tài)查詢命令(0x21)：通過該命令獲取相關(guān)參數(shù)，來判斷芯片是否處于合成狀態(tài)，返回0X4E表明芯片仍在合成中，返回0X4F表明芯片處于空閑狀態(tài)；

（2） 省電模式命令(0x88)：通過該命令使芯片進(jìn)入省電模式來降低系統(tǒng)的功耗；

（3）語音合成命令(0x01)：使芯片立即合成當(dāng)前的文本二進(jìn)制內(nèi)容信息。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

此系統(tǒng)是基于XFS5152CE語音合成芯片設(shè)計(jì)的，由CAN 收發(fā)器接受到故障編碼數(shù)據(jù)傳給MCU控制模塊，經(jīng)過MCU控制模塊處理后與語音合成模塊進(jìn)行交互，由語音合成模塊處理后輸出的音頻信號傳送給音頻放大模塊進(jìn)行放大推動(dòng)喇叭，同時(shí)MCU控制模塊控制報(bào)警燈點(diǎn)亮或閃爍。另外當(dāng)通訊總線忙時(shí)，通訊指示燈應(yīng)閃爍，當(dāng)通訊總線空閑時(shí)，通信狀態(tài)燈滅。系統(tǒng)主要由電源模塊、CAN 收發(fā)器、MCU控制模塊、語音合成模塊、音頻放大模塊、報(bào)警燈等組成，如圖1所示。

增加上位機(jī)軟件，可以實(shí) 現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)與調(diào)度中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，調(diào)度中心通過網(wǎng)關(guān)即上位機(jī)發(fā)送命令給報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警功能，也可以從報(bào)警系統(tǒng)接受命令。

本系統(tǒng)具有簡便易操作、性價(jià)比高、靈活性高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的實(shí)用性。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及芯片選型

4.1 CAN收發(fā)器

選用了ADI 公司的具有5KV rms信號隔離式收發(fā)器ADM3054芯片。它的內(nèi)部在CAN協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個(gè)隔離接口，數(shù)據(jù)速率可達(dá)到1Mbps，在（CANH和CANL）。集成了保護(hù)功能，防止短接到系統(tǒng)的電源或地，同時(shí)還具有限流和熱關(guān)斷特性。

由于芯片具有內(nèi)部磁隔離技術(shù)，不需要另加光耦隔離，外圍電路比較簡單，不僅降低了硬件的設(shè)計(jì)成本還提高了硬件的集成度。

4.2 MCU控制模塊

選用了低成本、低功耗、高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核 STM32F103C8微處理器，該芯片具有128K Flash、20k SRAM，并且內(nèi)部還集成CAN控制器，因此控制模塊無需外加CAN控制器和存儲(chǔ)器。微處理器通過CAN 串行口與CAN收發(fā)器和其它設(shè)備進(jìn)行通訊，獲取設(shè)備需要報(bào)警的信息或提示操作信息的內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)算、處理。通過RS232 TTL串行口向語音合模塊發(fā)送相應(yīng)的語音合成命令完成報(bào)警，同時(shí)控制報(bào)警燈進(jìn)行閃爍。 硬件看門狗復(fù)位電路采用SP706S芯片主要防止系統(tǒng)故障或外界干擾等因素導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)或無法工作時(shí)自動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)工作狀態(tài)。如圖2所示。

圖2 控制模塊原理圖

4.3 音頻放大模塊

選用了Maxim公司的MAX9744立體聲、20W、D類音頻放大器芯片，通過該芯片的I2C接口設(shè)置內(nèi)部寄存器數(shù)字方式提高或降低音量。無需濾波的擴(kuò)展頻譜調(diào)制降低了揚(yáng)聲器電纜上的RF輻射，免去了傳統(tǒng)D類放大器所必需的大體積LC濾波器，不僅降低了硬件的設(shè)計(jì)成本而且節(jié)省了電路板面積并省去了外部大體積的散熱塊。

4.4 電源模塊

電源模塊的輸入端選用了DC/DC隔離模塊給系統(tǒng)供電確保系統(tǒng)的物理安全，并且需要切斷接地回路來保護(hù)系統(tǒng)免受瞬態(tài)高電壓沖擊，同時(shí)減少信號失真?？刂菩酒捎昧嗣绹鳯inear公司生的LTC4218構(gòu)成的雙重過壓、過流、并具有短路保護(hù)功能，不僅可以提高本質(zhì)安全型電源的工作效率，減少能源損耗，還具有外圍元器件少，集成度高，檢修維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

其作用如下：

（1）DC/DC隔離模塊：將輸入的DC18～36V電壓轉(zhuǎn)換成所需要的DC5V、DC12V、DC18V、DC24V；

（2） 取樣電阻：將負(fù)載的電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號送到LTC4218集成芯片中處理；

（3）MOS開關(guān)：選用型號為BSC016N04NS芯片來完成電源輸出通斷功能；

（4）LED指示：電源輸出狀態(tài)指示，電源工作正常時(shí)LED燈亮，電源故障保護(hù)時(shí)LED燈滅；

（5）過流值設(shè)定電阻：通過改變電阻值達(dá)到電源輸出過流保護(hù)動(dòng)作值；

（6）LTC4218集成芯片：通過取樣電阻采集系統(tǒng)回路中的電壓、電流信號進(jìn)行處理，將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出信號控制MOS開關(guān)完成欠壓、過壓、緩啟動(dòng)、短路保護(hù)功能。

5 結(jié)語

本文給出了基于XFS5152CE的CAN總線聲光報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中選用了高集成度芯片，不僅降低了硬件電路的設(shè)計(jì)難度，而且也減小了電路板的體積。將語音合成技術(shù)引入到煤礦井下和井上的調(diào)度中心的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)語音報(bào)警系統(tǒng)中，通過CAN總線采集設(shè)備的故障信息，實(shí)時(shí)的將故障內(nèi)容以清晰、自然的語音輸出，也可以接受井上調(diào)度中心下發(fā)的二進(jìn)制文本信息進(jìn)行文語轉(zhuǎn)換，對提高煤礦安全運(yùn)行及自動(dòng)化水平都具有重要意義。針對其它不同的工業(yè)工程，只要稍加修改，也可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)語音報(bào)警和動(dòng)態(tài)語音操作指導(dǎo)。

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[4]XFS5152CE語音合成芯片用戶開發(fā)指南V1．2[S]．2013．

[5]葉忠松,貢晉庭,伍森,葉春曉,李鳴．一種礦用本質(zhì)安全型穩(wěn)壓電源[P]．ZL2016 2 1116415．6,2016．10．12．