基于CAN总线的矿用语音广播对讲系统设计

摘要：综合考虑压缩速率、传输距离和音质还原等因素，利用合适的语音压缩编码技术G．729A，设计了基于CAN总线的广播系统。该系统能实现话音和高品质音频信号(MP3文件、WAV文件)在CAN总线网络中的实时传输，方便扩展系统的各项功能，设计成本低，实际安装维护方便，在煤矿井下得到了很好的应用。
关键词：G．729A；CAN总线；煤矿语音传输

引言
随着数字化网络技术的迅速发展，为了进一步提高煤矿安全生产及现代化管理水平，基于工业以太网+现场总线的数字化自动控制网络结构的语音广播系统，正在矿用语音广播领域受到越来越多的关注和重视。目前，在国内矿用CAN总线语音广播系统产品中，很多公司的产品都选择了基于话音的压缩编码技术(AMBE、CVSD等)，把话音压缩成很低的速率进行传输并解码还原播放。这类低压缩率的编码技术对于话音有比较好的还原播放效果，但是对于质量较高的音频信号(MP3文件、WAV文件等)，在解压后的播放效果非常不理想，从而只能采用上位机点播的方式进行本地播放，终端设备上必须安装大容量的存储设备，存储内容在井下的更新和修改很不方便。另一种基于以太网技术的语音广播系统为了实现远传输距离，需要在井下铺设光纤，成本非常高，加上井下工作环境复杂危险，光纤一旦折断损坏，在井下现场进行熔接修理很不方便，维护成本很高。
相对于国内外市场现有的基于以太网的语音广播系统，本文所介绍的基于CAN总线的语音广播对讲系统具有造价成本低、安装维护方便的优势；而相对于国内市场上的CAN总线型广播系统而言，增加了远距离、低带宽条件下高品质音频信号实时播放的功能，为煤矿井下数字化语音广播领域提供了一个低成本、低功耗、多功能的新型解决方案。

1 系统总体构架
本系统的总体构架如图1所示。该语音系统主要由井下语音终端节点、CAN转TCP／IP网关、地面调度上位机、通信电缆等组成。地面可以通过调度上位机对井下各个语音终端进行操作，实现话音和高质量音频文件以点播方式、组呼方式和全呼方式进行传输，井下各个语音终端节点可以实现话音的组呼或者调度呼叫。同时，调度上位机传输各种控制命令对各个节点进行远程控制，实现巡检、监听、联机等功能。

本系统中CAN总线的传输速率为20 khps，传输距离不小于2 km，CAN总线终端设备通过一对双绞线即可实现连接通信，在井下的安装布线方便，维护成本很低。在该系统中，选用了Cortex-M3内核的微处理器LPC1768，最高速率可以达到100MHz，足以满足系统的各项功能需要。
为了实现CAN总线的远距离传输，必须以牺牲传输波特率为前提。在该系统中，选择和实现一种低码速、高音质的语音压缩编码是整个系统的关键。共轭代数码激励线性预测(CS-ACELP)的8 kb／s语音编码G．729方法延迟小，可以提供与32 kb／s的ADPCM相同的语音质量。其音质是同档次码速率中最优的，而且在噪声较大的环境中也会有较好的语音质量，广泛地应用于多种数字语音通信领域。
在嵌入式平台上实现G．729压缩编码算法是该项目开发中的难点，在本系统中选用了一种单芯片的解决方案，利用一款多类别语音编解码芯片CMX7261，配合Cortex-M3内核的嵌入式软硬件平台实现了语音信号的G．729A压缩编码。

2 语音终端硬件设计
2．1 终端硬件总体设计
终端硬件总体设计示意图如图2所示。模拟语音通过麦克风输入，经过音频放大芯片MC34119进行放大，然后送到语音编解码芯片CMX72 61进行A／D转换；数据压缩打包后通过SPI接口传送给微处理器LPC1768，微处理器通过CAN收发器CTM8250将数据传送到CAN总线上；总线上的语音数据流通过CAN收发器传送给微处理器，通过微处理器的SPI接口传送给CMX7261，实现编码数据的解码；解码后的数据通过CMX7261内部的D／A转换器转换成模拟语音，经音频功放芯片TDA2822驱动喇叭播放。

2．2 语音处理模块设计
CMX7261是英国CML公司研发的一种多类别语音编解码芯片，支持多种语音编解码标准。它能将模拟语音编码成为PCM(线性、u率、A率)CVSD或者G．729A的数据格式，也能把PCM、CVSD和G．729A的语音数据流解码成模拟语音输出，并且支持PCM、CVSD和G．729A协议之间的相互转换。CMX7261由3．3 V电源供电，提供可选的低功耗模式。

图3为CMX7261与微处理器LPC7168的接口电路图。CMX7261与LPC1768通过C-BUS(SPI模拟)接口进行数据的传输。设置CMX7261的相关功能寄存器，产生压缩速率为8kb／s的G．729A语音的编码数据流，在CAN总线上传输，传输速率选择15kb／s，终端节点之间的传输距离2000m。由于G．729A的编解码标准对于质量较高的语