中國作為產煤大國，煤礦安全一直都是重中之重。如何保證井下和井上之間可靠的實時語音通信，越來越受到關注和重視。目前煤礦通信系統主要分為兩種：一種是調度電話，包括有線和無線電話；另一種是井下局部擴音電話系統。對于數字通信方式，目前許多公司仍采用模擬信號來實現煤礦語音系統，與數字語音通信系統相比，其存在不穩定、不靈活等缺點，而現階段模擬通信系統已逐漸被代替。目前，現場總線已發展成為集計算機網絡、現場控制、生產管理等內容為一體的現場總線控制系統。由于現場總線分布在自動化應用的各個角落，給設計者和使用者提供了方便，但這些應用均被限制于數據傳輸。本設計基于CAN總線構建井下對講系統，與其他通信方式相比，其具有較好的實時性、可靠性和靈活性。

1 系統總體設計

系統結構框圖如圖1所示，一語音節點經過麥克風采集聲音信號，以8 kHz采樣進行A/D量化成16位數據，然后經語音壓縮芯片進行數據壓縮，并傳輸給STM32處理器，處理器經CAN收發器傳輸至井下語音CAN總線上。其他語音節點通過CAN收發器接收井下語音CAN總線上的壓縮數據，經語音解碼芯片進行解碼后通過D/A轉換，再由擴音器播出。

1.1 硬件設計

本系統應用于井下皮帶保護系統，具有采集井下皮帶工作狀態信息和控制井下皮帶運作，同時還具有語音通信系統。處理器作為系統核心，需對語音信息、皮帶工作信息及其通信協議進行處理、整合、儲存、調度，因此處理器的選擇是關鍵。系統采用ST公司的互聯性系列控制器STM32F107作為模塊處理器，此芯片具有較強的工業性能，系統時鐘最高可達72 MHz,標準外設有10個定時器、兩個12位1-Msample/s AD、兩個12位D/A、兩個I2C接口、5個USART接口和3個SPI端口以及高質量數字音頻接口IIS.另外STM32F107擁有全速USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口，以及以太網10/100 MAC模塊，以此滿足皮帶保護系統。系統使用其中一路用來實現語音通信；另一路用來實現現場管理及現場控制。處理器部分電路如圖2所示。主控芯片除了必須的復位、晶振、電源等電路外，還包括了與CAN總線收發增強器以及與AMBE-1000語音編碼芯片的連接。主控芯片STM32F107與AMBE-1000之間采用SPI同步出口連接，而AlMBE-1000與CSP-1027S之間采用了專用的同步接口連接，該種接口無需增加額外的單片機驅動便可進行通信。最后將CSP-1027S與麥克風、揚聲器之間進行連接。

CAN總線傳輸距離是以犧牲帶寬為代價，因此需在保證良好語音質量的條件下，采用較低語音比特率傳輸，表1為CAN總線傳輸距離與波特率關系。

為保證高保真、低帶寬語音通信，系統采用MBE技術進行語音壓縮。數字語音壓縮目前在多媒體信息技術和網絡技術中應用廣泛，而壓縮技術也較為成熟。由于采用DSP進行數字語音壓縮，算法復雜且價格昂貴，故本系統采用單片集成芯片AMBE-1000進行語音壓縮。AMBE-1000是一款高性能多速率語音編解碼芯片，采用MBE技術的語音壓縮算法，具有語音音質好和編碼速率低等優點，語音編解碼速率可在2.4~9.6 kbit·s-1之間以50 kbit·s-1的間隔變化，即使在2.4 kbit·s-1時，仍可保持自然的語音質量和可懂度。所有編碼和解碼操作均在芯片內部完成，無需額外的存儲器。這些特性使其適用于本系統設計。系統中CAN波特率設為18 kbit·s-1,傳輸距離≥2 km.

AMBE-1000集成編碼器和解碼器，兩者相互獨立。編碼器接收8 kHz采樣的語音數據流并以一定的速率輸出信道數據。相反，解碼器接收信道數據并合成語音數據流。編碼器和解碼器接口的時序是完全異步的，其工作信道結構如圖3所示。語音信息經過發送方的AMBE-1000編碼器被壓縮為數字語言編碼，經CAN總線傳入接收方的AMBE-1000解碼器，再經由解碼器得到發送方的語音信息。同樣，原接收方也可由相同的方式將自身的語言信息傳遞至原發送方。

AMBE-1000采用A/D-D/A芯片作為語音信號的接口。為滿足要求與性能，系統選用A/D-D/A芯片CSP1027S與AMBE-1000作為接口連接。芯片集成16位串行A/D和D/A,由低功耗的CMOS技術和低電壓數字系統設計而成，其模擬接口處內置了前置放大器，因此可以輸入較小的語音信號。符合G.712語音頻帶響應和信噪比規范，最高采樣率可達24 kHz,滿足AMBE-1000編碼要求。其與AMBE接口電路如圖4所示。

為提高處理器CAN總線的驅動能力，需在處理器與現場總線間增加CAN收發器。系統選用周立功的CTM8251,該芯片內部集成了CAN所必需的隔離及收發器件。該芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線所必需的差分電平，并具有DC-DC隔離功能，其接口電路如圖5所示。

1.2 軟件設計

系統軟件在Keil4開發環境完成設計，同時該開發環境與Jlink-v8配合可實現在線調試功能，為本系統的完成提供了方便。

軟件基于模塊化設計，不同模塊完成相應功能。首先，開機進入設備初始化功能，其中包括系統時鐘配置、管腳配置、CAN控制器配置、AMBE-1000初始化等。系統時鐘配置為72 MHz,這是主控芯片STM32F107所能達到的最高工作頻率，在該頻率下擁有足夠高的效率來處理各外設信息。對管腳的配置包括對按鍵和部分外設I/O口的配置，對CAN總線控制器的配置主要為傳輸速度配置。因井下一般兩節點距離<3 km,且語音經過壓縮后為8 kbit·s-1,所以將CAN總線傳輸速率配置為9 kbit·s-1,這便滿足了3 km的傳輸要求。AMBE-1000的初始化主要為通信接口的初始化，其通信接口為SPI同步串口，可直接與主控芯片的SPI接口連接。

系統啟動后進入正常工作模式，當有語音按鈕按下時，處理器進入語音采集模式，并通過SPI使能AMBE-1000,AMBE-1000將話音數據每20 ms壓縮為一個語音數據包，再經由STM32主控芯片將壓縮包上傳至CAN總線。CAN總線接收端配置成中斷模式，當有語音數據接收時，觸發中斷并將該數據壓縮包經過SPI同步串口傳入AMBE-1000,并控制其進行解壓縮并播放。在解碼器部分，當其檢測到丟失一幀語音數據時，能依據上一幀數據盡量真實地預測下一幀語音數據，同時給出適當的語音信號。系統流程如圖6所示，中斷程序流程如圖7所示。

1.3 實驗結果

系統在實驗室的測試方法如圖8所示。

測試系統由兩個語音節點組成，兩節點之間由20 m線長相連接，并在一號節點放置信號發生器，二號節點放置示波器與分貝計。因人聲頻率范圍為300~3 400 Hz之間，所以信號發生器分別取在該范圍內的5個點作為測試點，測試結果如表2所示。

對應這5個頻率點由信號發生器發出響應頻率的正弦波，再由分貝計從節點2的揚聲器聲響中測得分貝值，而失真度可通過示波器觀察出正弦波的失真情況。測試結果說明，揚聲器聲響≥80 dB,失真度≤12%,基本滿足人聲的辨識度。

通過實際測試證明了將語音信號進行壓縮并通過CAN總線進行傳輸工作良好，實現了低速率數字遠程傳播。同時本系統具有較好的靈活性，可實現廣播、組播、點對點等多種通信方式，并具有較好的實時性和抗干擾性。

2 結語

文中介紹了一種應用于煤礦的井下語音傳輸系統，該方案采用MBE壓縮技術實現語音數據的壓縮，并使用了STM32F107作為主控芯片，用主控芯片自帶的CAN總線控制器實現遠距離實時語音傳輸。

本系統應用于井下皮帶保護系統中的語音擴音系統內，主要用以實現井上與井下，以及井下各部分進行的相互實時語音通信，為確保煤礦安全提供保障。文中設計成本較低，便于維護和修改，且實用性較強。