基于CAN总线的语音通信系统.docx
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基于CAN总线的语音通信系统
基于CAN总线的语音通信系统
本科毕业设计（论文）
题目基于CAN总线的语音通信
院（系部）电气学院
专业名称自动化
年级班级10-02
学生姓名王俊耀
指导教师张宏伟
2014年5月28日
河南理工大学
毕业设计（论文）任务书
专业班级自动化10-02班学生姓名王俊耀
一、题目基于CAN总线的语音通信系统
二、起止日期2014年03月20日至2014年06月05日
三、主要任务与要求
设计一个基于CAN总线的语音广播系统，所有语音节点挂到同一根CAN总线上，节点不分主从，工作人员在任何一个节点都可以与CAN总线上的其他任何节点上的工作人员进行广播对话。
节点可以灵活接入。
中继器用来延长通信距离，无中继通讯距离至少两公里。
指导教师职称
学院领导签字（盖章）
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评阅人评语
题目
评阅人职称
工作单位
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）评定书
题目
指导教师职称
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩许可证
答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：
1、设计（论文）说明共页
2、图纸共张
3、指导教师意见共页
4、评阅人意见共页
经审查，专业班同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。
指导教师签字（盖章）
年月日
根据审查，准予参加答辩。
答辩委员会主席（组长）签字（盖章）
年月日
河南理工大学
毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议
学院专业班
同学的毕业设计（论文）于年月日进行了答辩。
根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。
一、毕业设计（论文）的总评语
二、毕业设计（论文）的总评成绩：
三、答辩组组长签名：
答辩组成员签名：
答辩委员会主席：
签字（盖章）
年月日
摘要
近年来，煤炭安全事故频发，煤炭安全一直是煤炭生产的重中之重。
传统采用电话和局部广播均不能实现井上井下自由通信，为了实现这一功能，设计了基于CAN总线的数字语音广播通信系统。
该系统利用CAN总线的特点而设计的。
利用该系统调度室可以在同一时间内通知矿井中的所有工作人员安全撤离，并按照矿井应急预案指挥抢险救灾;井下人员也可以及时与调度室联系，及时通报情况;井下也具有局部通信功能，方便井下人员直接的联系和通报事情。
该系统核心部分采用内置CAN控制器ARMcoterx-M3内核的STM32单片机作为控制器，与独立的CAN收发器CTM8251构成CAN收发模块;采用低传输速率和高通话质量的AMBE-1000芯片作为语音编码器。
用CSP1027对语音进行AD采样和AD转换。
通过同轴电缆或者双绞线进行信号传输，通信线路简单。
各节点之间可以灵活接入，通信距离远，在不加中继器的情况下可以传输10公里。
经测试表明，各节点间可以实现可靠，语音质量高的实时性通信。
关键词：
煤矿CAN总线广播
Abstract
Inrecentyears,thecoalsafetyaccidentshappenfrequently,sothecoalproductionsafetyhasbeenatoppriority.Traditionaluseofthetelephoneandthelocalradiocannotachievefreedomommunicationsinoueunderground.Inordertoachievethisfunctionality,thedesignofdigitalaudiobroadcastingcommunicationsystembasedonCANbusismade.AndthesystemisdesignedusingthecharacteristicsoftheCANbus.Youcanusethesystemtonotifythecontrolroomatthesametimeforallstafftoevacuatetheminesafelyandinaccordancewiththeminecontingencyplanscommandrescueandrelief;minepersonnelcancontactthecontrolroomandpromptlyinformthing;minealsohasalocalcommunicationfunctiontofacilitateundergroundstaff directcontactandcommunication.UsingtheCANcontrollerwithbuilt-coreARMcortex-M3STM32MCUasacontrolleristhecoreofthesystem,whichandaseparateCANtransceiversCTM8251constituteCANtransceivermodule.WeuselowtransmissionratesandhighcallqualityAMBE-1000chipasaspeechcoder.WeuseCSP1027toADsampleandADconvertforvoice.Signaltransmittedthroughacoaxialcableortwistedpair.Communicationlineissimple.Theinternodescanbeflexibleaccess.Thoughcommunicationdistance, withoutrepeatersitcantransmit10km.Testsshowedthattheinternodescanachievereliable,high-qualityvoiceandreal-timecommunications.
Keywords:
Coal CANbus broadcasts
引言
中国作为产煤大国，煤矿安全一直是煤炭生产中的重中之重。
如何保持调度室与井下通信实时和畅通是保障煤矿安全生产的重要环节。
现在国内通信系统只要分为两种：
一种是调度电话，包括有线和无线两种；另一种是井下局部扩音电话系统。
调度电话和家庭用的电话机一样，必须响铃，等待接通，实现通话。
然后有接话人告诉周围的人员，存在着声音过小，难以挺清楚的问题。
局部扩音电话只剩实现矿下局部通信，不能实现和地面的联系。
针对现有通讯系统的弊端，建立一套实时的煤矿语音通信系统来保障煤矿人员在紧急情况下的安全撤离是当务之急。
CAN总线采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比，它的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性等特点。
CAN总线各节点之间不分主次，可以根据需要设计不同的优先级，可以实现点对群体的通信。
在通信距离不超过10千米的情况下，通信速度可以达到1M/s。
采用非破坏性仲裁，节点数量目前可达到110个，通信线路可采用双绞线，同轴电缆和光纤。
CAN总线具有节点容易扩展的特点。
AMBE编码采用了低速高效的编码方式，可以在2.4Kb/s的情况下达到接近GSM语音质量的通话效果，而且具有较好的自然度和容忍环境噪声的能力，是目前这一速率范围内较理想的编码方案，非常适合应用在远距离传输的语音系统中。
本设计针对煤矿环境的特点，以CAN总线和AMBE编码技术为基础，采用STM32芯片和AMBE1000为核心设计的一套基于CAN总线的煤矿语音通信系统。
1整体设计
煤矿语音系统是一种应用于煤矿的语音通信系统，可是实现调度室向井下喊话、通知事情、紧急情况通报等，也可以用于井下向井上通知事情和井下通信。
通信系统有井上部分和井下部分组成。
井上部分位于调度室。
井下部分有语音节点和中继器组成。
语音节点以分组的形式布置在井下的工作面、掘进面、皮带巷、运输巷等。
节点的数目根据井下规模的大小而动态布置。
在整个系统中，CAN主站和语音分站在原理上一致，在设计均称为语音节点。
语音分站则只负责接收属于自己的CAN帧，并从CAN数据帧中取出有效的语音负载进行音频解码还原工作，语音分站除了接收语音外还可以实现井下组内通话和上行调度通话功能。
分组中继器主要为了从CAN主网络上创建一个CAN子网络，并对CAN主网络上的报文进行过滤，以实现不同子网间多路组内通话的并行进行，而无须增加额外的冗余CAN总线。
整体图如图1-1所示。
图1-1煤矿语音系统整体设计
2结点设计
系统主要由三个部分组成，但由于广播主站和语音分站区别甚少，因此仅以框图的形式将两者合并介绍，并称之为语音节点。
语音节点主要由控制器、语音压缩编码解码模块、语音AD采样DA输出模块、CAN通信接口模块组成，如图2-1所示。
其中箭头描绘的是语音节点中信号的流向。
CAN控制模块有CAN收发器和CAN控制器组成，若使用的MCU仅内嵌了一个CAN控制器，则需要使用一个独立的CAN收发器。
由于硬件电路设计上广播主站、语音分站、分组中继器有共同之处，此处仅介绍共同的核心硬件电路设计。
图2-1语音节点框图
2.1单片机的选型和最小系统的设计
2.1.1单片机的选择
处理器模块是语音通信节点的控制核心，所有的设备控制、任务调度、和功能协调、通信协议、数据整合和数据存储程序都将在这个模块的支持下完成，所以处理器的选择在语音通信节点设计中是至关重要的。
现在市场上流行的单片机各种各样，内含的外设模块也大不相同，他们的价格也从几元到几百不等。
我就市场上在中低端领域常用的3款单片机作简要分析和对比。
（1）STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。
STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路，广泛被大学生和工程师采用。
（2）STM32F103使用高性能的ARM®Cortex™-M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。
所有型号的器件都包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：
多达2个I2C、3个SPI、2个I2S、1个SDIO、5个USART、一个USB和一个CAN。
该系列单片机工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。
该系列产品包括从48脚至144脚的五种不同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。
（3）MC9S12XS128是摩托罗拉基于68系列处理器的16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash（P-lash）、8KBRAM、8KB数据Flash（D-lash）组成片内存储器。
主要功能模块包括：
内部存储器、内部PLL锁相环模块、2个异步串口通讯、SCI、1个串行外设接口、SPI、MSCAN模块、1个8通道输入/输出比较定时器模块、TIM周期中断定时器模块、PIT、16通道A/D转换模块、ADC1个8通道脉冲宽度调制模块、PWM输入/输出数字I/O口。
下面用表格的形式做一个简单的对比。
表1单片机比较
单片机
C8051F
S12XS128
STM32
位数
8
16
32
时钟频率
1M
80M
72M
CAN管理器
否
是
是
（4）从表格中可以看出S12XS128和STM32预算速度相差不大，内部都含有CAN管理器，但是S12XS128成本较高，因此采用STM32进行开发。
2.1.2单片机最小系统的设计
STM32微处理器不能独立工作，必须提供外围相关电路，构成STM32最小系统。
STM32F103C8T6内嵌8MHz高速晶体振荡器，也可外部时钟供给，本系统采用8MHz外部晶振供给。
STM32F103C8T6的供电电压范围为2．0～3．6V。
复位电路为低电平复位、上电复位。
在STM32F103C8T6中，提供了BOOT0和BOOT1两个管脚用于三种启动模式选择。
本系统采用从用户闪存启动。
最小系统流出调试接口，通信串口，方便打印信息，方便调试。
最小系统还应该含有数字和模拟间的去耦电路，提高系统的稳定性。
最小系统如图2-2所示。
图2-2单片机最小系统
2.2CAN总线接口的
CAN总线的位数值以差分的方式表示的，然而由控制器出来的数值表示仍旧0、1表示法，因而需要在控制器于总线之间外接一片驱动器，实现两种数值的转换。
同时提高总线驱动能力，使得总线的传输距离增加。
CTM8251是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，这些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。
芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC2500V的隔离功能。
其接口电路如图2-3所示。
图2-3CAN收发器电路
2.3语音模块
2.3.1语音AD采样和DA转换模块
一个高质量的语音通信系统一定要有一个高性能的AD-DA芯片，本设计采用CSP1027,这是一款带有16位串行AD和DA的芯片。
符合CCITTG.712语音频带相应和信噪比规范，采样频率高达24KHZ，在数字电源3.3V、模拟电源5V时，典型功耗68mW待机功率0.05mW.
CSP1027与AMBE-1000之间采用串行工作方式。
经MAX9814放大后的麦克风语音信号由45号管脚（MICIN）送入CSP1027进行A/D转换，然后经21号管脚（DO）送入AMBE-1000进行压缩编码。
相反地，AMBE-1000解码之后的数字语音数据要送入CSP1027芯片进行D/A转换（TX_DO与DI相连接），恢复出的模拟语音信号由43号管脚（AOUTP）输出，并通过此管脚将模拟语音信号送出MAX9736进行功率放大，最后通过扬声器播放出来。
CSP1027与AMBE-1000之间采用串行工作方式。
经MAX9814放大后的麦克风语音信号由45号管脚（MICIN）送入CSP1027进行A/D转换，然后经21号管脚（DO）送入AMBE-1000进行压缩编码。
相反地，AMBE-1000解码之后的数字语音数据要送入CSP1027芯片进行D/A转换（TX_DO与DI相连接），恢复出的模拟语音信号由43号管脚（AOUTP）输出，并通过此管脚将模拟语音信号送出MAX9736进行功率放大，最后通过扬声器播放出来。
接口电路如图2-4所示。
图2-4语音采样电路
2.3.2语音压缩和解压缩模块
由于CAN总线的数据帧比较短，通信速率增加时，通信距离会适当的减短。
因此必须对AD转换后的数据进行压缩。
在语音处理中编解码芯片处于核心地位，本设计采用的是AMBE-1000。
AMBE-1000是美国DVSI公司研制、Lucent公司生产的一款成熟的双工声码器芯片。
该芯片采用AMBE语音编码算法，编码速率为2.4～9.6kb/s。
AMBE-1000声码器在低速率和较强背景噪声下具有比较好的语音质量，从而使其在车、船载移动卫星语音通信系统中得到广泛应用。
串行模式下AMBE-1000通过CHS_DI和CHS_DO输入、输出16位的数据字。
声码器AMBE-1000工作在被动模式，与控制器之间采用串行方式传送数据AMBE2000每20ms将编码完成的数据送到单片机，单片机将其中的有用数据送到CAN控制器，以CA数据帧的形式发送出去。
电路图如图2-5所示。
图2-5语音压缩电路
2.4运放模块
图2-6运放电路
矿井下有各种机械作业，环境比较噪杂，喇叭又有足够大的功率才能被大家听到，因此需要配备功放来驱动井下的喇叭，本系统采用的功放芯片为Maxim的MAX9736，可以工作在8V至28V，并具有高PSRR，无需稳压电源。
MAX9736采用12V供电时效率可达88%。
电路图如图2-6所示。
2.5节点状态转换
语音广播系统有3中状态，喊话状态，接听状态，空闲状态，当要喊话事按着接触开关，节点进入喊话状态。
放开按键，进入空闲状态，收到语音包自动进入接听状态。
状态转换关系如图2-7所示。
图2-7语音节点状态转换
2.6电源设计
电源模块是单片机模块，语音采集模块，功放模块中不可缺少的部分，也是保证系统稳定、安全工作的前提。
设计中采用12V直流电源作为供电的唯一来源。
由于单片机模块和语音模块都采用3.3V供电。
功放模块采用8V~24V供电。
系统需要直流电源芯片进行降价。
直流电源芯片安装原理可分为线性电源和开关稳压电源两种，线性电源通过改变调整元件控制信号的强弱来调节其等效电阻值，从而稳定输出电压，特点是纹波系数小，但效率低一般用于小功率电路；开关稳压电源通过改变开关管的导通时间，得到稳定的电压输出，特点是纹波系数大，电磁兼容性差，效率高，过载能力强，一般适用于大功率或者要求高效率的场合。
功放模块需要的电路大，对单片机电源的稳定性也有较大的影响，因此采用两路电源。
功放模块采用LM2596，输出电压从3.3到VCC可调。
单片机最小系统采用ASM1117供电。
供电稳定性有保证。
电路图如图所示。
图2-8开关电源设计
3通讯网络的设计
3.1中继器的设计
CAN总线在理论上可以连接110个节点，但是在应用中连接通常达不到110个节点，通讯距离可以达到10公里，但是通讯速率只有5kB/s,为了增加通信距离，需要借助CAN中继器。
CAN中继器是CAN总线系统组网的关键设备之一，在稍大型的CAN总线系统中经常会用到中继器。
市场上的中继器除了具有中继功能以外，还具有一定的网桥功能。
因为只要对中继器的初始化参数进行适当配置，就能使中继器既具有报文转发功能，又具有报文过滤功能，但是在煤矿应用中不需要进行数据过滤，对报文过滤就要用到报文的储存分析转发，增加了网络的时延，降低了通信的实时性，和本设计相悖，因此本设计用的还是纯粹的中继器。
设计如图3-1。
图3-1中继器
3.2通信电路的比较和选择
在有线网络通信中，通常用到的通信设备是同轴电缆，双绞线，电话线和光纤。
一下对几种通信介质进行比较。
同轴电缆：
同轴电缆常用于设备与设备之间的连接，或应用在总线型网络拓扑中。
同轴电缆中心轴线是一条铜导线，外加一层绝缘材料，在这层绝缘材料外边是由一根空心的圆柱网状铜导体包裹，最外一层是绝缘层。
它与双绞线相比，同轴电缆的抗干扰能力强、屏蔽性能好、传输数据稳定、价格也便宜，而且它不用连接在集线器或交换机上即可使用。
光纤：
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。
在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。
双绞线：
双绞线是由两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕（一般以逆时针缠绕）在一起而制成的一种通用配线，属于信息通信网络传输介质。
双绞线过去主要是用来传输模拟信号的，但现在同样适用于数字信号的传输。
电话线：
电话线，就是电话的进户线，连接到电话机上，才能打电话。
适用于电信工程布线，室内电话通信电缆系统布线之间的连接，语音通信系统之间主干线，程控交换机，电话，传真和数字电话。
4软件算法设计
4.1软件设计的整体思想
对于系统而言，要完成各项功能，首先必须要有较完善的硬件作保证。
同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是单片机应用高速发展的今天。
许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程来代替，甚至有些用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程的时候，往往会变得很简单，如数字滤波，信号处理等等。
系统进行软件设计时，先要对本设计硬件有一个熟练的掌握，知道系统的组成，数据的传输，信号是如何被控制的，以及信号的显示。
然后进行软件设计时，先搞清楚各个部分的子程序及他们的流程图，然后进行C语言编程，最后将它们系统的编程。
本设计是以STM32单片机为核心，采用C语言设计。
STM32有400多个寄存器，想要对寄存器有熟悉的认识有一定的难度，为了缩短开发周期，降低开发难度，把精力集中在自己的项目设计上，而不是最低级的寄存器配置上，因此采用官方提供的固件库。
在主程序和终端里面设计算法，对库进行调用，完成自己的开发。
4.2主函数程序流程图设计
main（）函数是主程序的入口。
系统上电后程序进入主函数，调用各模块的初始化函数对各模块进行初始化，然后进入到待机状态，不断查询整个系统的状态，根据不同的状态进行不同的操作，流程图如图4-1所示。
图4-1主函数流程图
4.3中断
在系统中有两个中断，RTC定时器中断和CAN接收中断。
4.3.1RTC定时器中断
RTC定时器中断定时为20ms，在每次进入CAN接收和发送函数时，都将计数归零，当没收到语音包也没发送语音时，计数器正常计数。
当计数超过100ms,自动将系统状态转换为空闲状态。
流程图如图4-2所示。
图4-2RTC定时器中断
4.3.2CAN接收中断
图4-3CAN接收中断
当单片机处于接收状态，CAN管理模块收到数据，触发中断，在中断里将数据从数据包里过滤出来，进行数据整理。
流程图如图4-3所示。
4.4语音采集和语音还原的程序设计
语音采集压缩、语音解压缩还原有专门的模块处理，在程序里只用写这些模块的驱动即可。
4.4.1语音芯片的复位
AMBE-1000芯片的复位信号为低电平有效，复位信号低电平的时间不小于AMBE-1000的6个时钟周期。
它对复位信号的上升沿有一定的要求，建议使用控制器的IO脚给AMBE-1000芯片复位，或使用上电复位芯片给AMBE-1000复位。
AMBE-1000+CSP1027的系统中，CSP1027的上电复位需要一段时间，建议主程
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