CAN总线安全广播系统设计

印宁华|Indining China|

2023-08-16 08:51:16 843

摘要：本文在分析煤矿井下语音通信现状基础上，提出一种数字安全广播系统设计，该系统选用CAN（可升级为高速CAN-FD) 总线作为数据传输方式，在音频压缩上采用一种新的音频压缩格式即OggVorbis编码，并利用STM ARM Cortex-M3 MCU芯片STM32F103对其进行工程实现。通过实验证明其音频还原力方面的优越性。
关键词：CAN总线；OggVorbis；广播系统；音频压缩编码

引言
矿用通信设备实现形式多种多样，其中，传统定压广播系统技术落后、音质差、无法分组且扩容性差；矿用局部通信电话只能完成下行语音通信而没有调度通信功能，以及小灵通声音小，无法完成范围扩音通信成为了这些技术在井下应用发展的瓶颈。本文提供一种基于CAN总线的广播系统，所有语音分站皆通过一根串行总线连接，网络拓扑简单，通过适量增加CAN中继设备容易实现井下全网覆盖。

1 系统介绍
广播系统主要用于安全生产知识宣传、领导讲话、音乐播放以及引导科学避险等工作。井上广播主站的通信方式有下行全网广播、矿区组播及站点单播三种通信方式，而井下语音分站则可以矿区组播和上行调度通信。CAN总线广播系统主要由PC、广播主站、语音分站和中继器组成，采用矿用18V本安电源供电。

井上部分由PC控制主机和广播主站组成，主要完成的功能有通过串口接收并解析运行在控制主机上的主控软件命令，如语音通话命令、故障在线检测命令等；对模拟音频采样量化编码压缩；封装CAN数据包；语音分站呼叫“来电显示”功能等。井下部分则主要由分组中继器和语音分站组成。其中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。而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。

广播系统除了完成语音通信外还需要完成音乐播放等功能，因此对音频还原音质有一定的要求，在中低编码速率下，0gg Vorbis编码方式有很好的变现力，支持流式播放，并且是完全免费的，因此系统采用的音频编码方式为0gg编码。

2 系统硬件设计
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MCU、语音自动增益控制模块(AGC)、音频编解码模块、CAN通信接口模块组成。

其中实线描绘的是广播主站组成，语音分站需要增加的额外电路。

分组中继器由MCU和两个CAN通信接口组成，其通信接口电路和广播主站一致。由于使用的MCU仅内嵌了一个CAN控制器，因此需要使用一个独立的CAN控制器。

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。

2.1MCU模块
本系统所有组成部分MCU皆采用意法半导体公司生产的STM32F10312J，其采用高性能ARM Cortex-M3 32位RISC内核，工作时钟为72M且集成了一路CAN控制器，高达128KB程序存储空间以及20KB的RAM为硬件上实现0gg编码提供了可行性且价格上相对其他同等性能MCU有*的优势。

2.2总线接口设计
CAN总线接口采用飞利浦的TJAl040TM，其独特的分离终端电阻设计使得其抗电磁干扰能力比C250/251的提高了近20dB。为了进一步改善CAN总线网络的健壮性，CAN通信接口使用6N137和ZY0505BS-1W完成信号的光电隔离。

TJA1040 SPLIT内外置分压匹配电阻型电路示意

TJA1040 SPLIT可选项外置分压匹配电阻型电路示意

TJA1040典型应用电路原理图示意

2.3音频编解码模块
该模块采用的是多格式、高效能音频编译码器VSl053B。VSl053是VLSI产品系列中最先进的从属式音频编译码器，包含一个优质的可变采样率立体声ADC和DAC，除了可播放MPl、MP2、MP3、 WMA、WAV、IMAADPCM、General Midi 1、0ggVorbis、LC-AAC and HE-AAC等格式音频，同时还可以录制IMA ADPCM及0gg Vorbis格式的音频文件。

3 系统软件设计
3.1广播主站节点软件设计
系统软件采用模块化的软件设计方法，广播主站的工作流程为：上电后，广播主站首先对系统进行初始化，包括时钟配置、GPIO分配、外设初始化，然后等待系统中断，以接收控制软件的命令，若为音频编码命令则初始化VSl053 bI，上载Ogg编码插件，进入Ogg音频编码工作模式，此时便可从编码缓冲区获取压缩音频数据并在MCU控制下封装为CAN数据报，发送至总线。如图4所示。

3.3分组中继器软件设计
分组中继器有两种工作模式，即透明转发和分组中继。工作原理是通过设置CAN接口的接收过滤器以实现不同的总线报文过滤机制，从而使不同CAN子网的组内语音数据不会因转发至主网络而造成数据帧之间的相互干扰，致使通信失败。通过CAN分组中继器的正确设置，不仅可以实现全网数据共享，还可以实现局部数据的并发通信，提高了总线利用率。

其软件工作流程为：上电首先进行系统初始化工作，并获取工作模式位，若为透明转发则将CAN设置为全通型，否则根据子网号设置CAN过滤器。如图5所示。

4 系统测试
测试平台搭建由广播主站经分组中继器和一个语音分站通过CAN总线连接，广播主站与PC机通过串口和音频对录线相连以接收命令和模拟音频，而语音分站的音频输出端通过对录线与PC音频输入口相连，并利用测试软件Cool EditPro 2.1获取解码还原音频信号。Ogg编码选用的是单声道低速率的编码插件，编码速率为23kbps，当主站获得对分站音乐点播命令时，输入和输出语谱图如图6所示。

分析输入输出语谱图的包络和稠密程度可以看出该广播系统具有较好的音频还原能力，其差异来源主要是由两个方面原因造成。*，Ogg编码为有损编码，且由于CAN总线速率与通信距离成反比，因此为了保障一定的通信距离选择了编码速率较低的编码插件。第二，解码时对音量进行重新调节，引入固有差异。

5 结论
本设计提出了一种CAN总线广播系统设计方案，音频编码采用Ogg Vorbis，且在CAN网络上实现了低速率远程相对较高音质的语音和音乐播放，并已经得到工程实现，喇叭声强90dB，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]丁恩杰，马方清.监控系统与现场总线[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.[2]STM32 Reference Manual(RM0008)[z].STMicroelectronicsNV and itS subsidiaries(”ST”)，2009.
[3]TJAl040 data sheet[z].Philips Semiconductors，2003.
[4]VSl053b Data Sheet(version 1.11).[EB/OL].http：//www.vlsi.fi/
[5]VSl053b Ogg Vorbis Encoder(Rev 1.70).[EB/OL].http：//www.vlsi.fi/

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