具備對(duì)講功能的礦用廣播終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

唐麗均，吳畏

（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，重慶402260；2.重慶城市管理職業(yè)學(xué)院）

引 言

礦用廣播系統(tǒng)是煤礦進(jìn)行生產(chǎn)指揮調(diào)度、安全避險(xiǎn)和應(yīng)急救援的重要工具。廣播系統(tǒng)應(yīng)具備播放通知、音樂(lè)、對(duì)講等多種功能。現(xiàn)有礦用廣播終端大多數(shù)功能單一，只支持單向廣播，或支持對(duì)講但功能不完善，不支持本地和在線高品質(zhì)音樂(lè)播放的功能。

本文根據(jù)現(xiàn)有廣播終端存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種支持實(shí)時(shí)廣播、本地和在線高品質(zhì)音樂(lè)播放、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講的廣播終端[1]。

1 礦用廣播終端的設(shè)計(jì)方案

礦用廣播終端的主要功能是將廣播通信服務(wù)器下發(fā)的音頻數(shù)據(jù)或本地音頻數(shù)據(jù)通過(guò)揚(yáng)聲器對(duì)外播放；同時(shí)支持外掛話柄，實(shí)現(xiàn)各個(gè)終端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信[2]。

廣播通信服務(wù)器通過(guò)光纖將音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇V播終端。廣播終端采用光電轉(zhuǎn)換將音頻數(shù)據(jù)傳輸給模擬電話適配器KSZ8342進(jìn)行處理。KSZ8342將處理完畢后的音頻數(shù)據(jù)通過(guò)并口數(shù)據(jù)線傳輸?shù)?MCU-STM32F103，再通過(guò)SPI總線傳輸?shù)揭纛l解碼芯片VS1003B進(jìn)行處理，最后通過(guò)音頻放大器驅(qū)動(dòng)喇叭播放在線音樂(lè)或語(yǔ)音。

如需要播放本地音樂(lè)，廣播通信服務(wù)器會(huì)下發(fā)相應(yīng)的控制命令，廣播終端通過(guò)STM32F103讀取本地SD存儲(chǔ)卡中的音樂(lè)，利用VS1003B解碼后通過(guò)功放驅(qū)動(dòng)喇叭播放本地音樂(lè)。

廣播終端采用類似電話撥號(hào)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能。廣播終端外掛電話話柄，當(dāng)話柄摘機(jī)并撥號(hào)后，STM32F103將獲取到的號(hào)碼上傳到KSZ8342，然后通過(guò)光纖上傳到服務(wù)器進(jìn)行處理。本地用戶的語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)用戶線接口電路（SLIC）芯片[3]SI32260進(jìn)行PCM編碼并通過(guò)光纖傳輸?shù)侥康膹V播終端上，同時(shí)將對(duì)方用戶的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行PCM解碼后通過(guò)話柄聽(tīng)筒還原，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能。

廣播終端的原理框圖如圖1所示。

圖1 礦用廣播終端原理框圖

2 礦用廣播終端硬件設(shè)計(jì)

礦用廣播終端硬件主要包括模擬電話適配器電路、微控制器單元、音頻放大器和用戶線接口電路等。

2.1 模擬電話適配器電路

KSZ8342是一個(gè)高度集成的模擬電話適配器，內(nèi)部集成了一個(gè)MIPS32 RISC CPU、一個(gè)ZSP、標(biāo)準(zhǔn)編解碼器、語(yǔ)音優(yōu)化器，并支持兩路PCM和以太網(wǎng)接口。

KSZ8342采用RISC CPU和DSP構(gòu)成的嵌入式多處理器體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)ZSP400 DSP處理器，提供PCM、G729語(yǔ)音編解碼算法，以提供卓越的語(yǔ)音質(zhì)量。

2.2 微控制器單元

廣播終端采用STM32F103芯片[4]微控制器，主要是用于擴(kuò)展KSZ8342的GPIO口，以支持多種外部設(shè)備的接入。STM32F103采用8位并口數(shù)據(jù)線和3位控制數(shù)據(jù)線與KSZ8342進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。KSZ8342結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

STM32F103外接SD存儲(chǔ)卡，用于存儲(chǔ)本地音樂(lè)；外接音頻解碼芯片VS1003B[5]，用于播放高品質(zhì)的MP3音樂(lè)；外接顯示屏、撥號(hào)鍵盤、摘機(jī)檢測(cè)等外設(shè)，用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能；外接RS485通信接口，用于井下無(wú)光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)的通信。

2.3 音頻放大器

本廣播終端中的音頻放大器是其重要組成部分。音頻放大器需要有較大的功率輸出，滿足井下巷道200 m以上的聲強(qiáng)要求。同時(shí)本廣播終端采用本安電源供電，供電電流峰值電流受限，因此需選用效率高、電流小的 D類功放[6]。

圖2 KSZ8342結(jié)構(gòu)框圖

選用PAM8403型D類芯片作為音頻放大器，該音頻放大器具有低EMI調(diào)制方式，可以省去傳統(tǒng)D類放大器輸出低通濾波器，同時(shí)能提供3 W的立體聲輸出（4Ω、THD＋N＝1%），效率高達(dá)90%。礦用廣播終端音頻放大器電路如圖3所示。

在揚(yáng)聲器輸出端需增加TVS管限制輸出電壓。

2.4 用戶線接口電路

SI32260是一款雙通道ProSLIC芯片，支持兩路電話接入。該芯片采用3.3 V供電，具備標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口、靜態(tài)功耗低（小于0.1 W）、尺寸?。? mm×8 mm）。

在SI32260的一路電話接口上集成了一個(gè)簡(jiǎn)單電話機(jī)電路[7]，再通過(guò)外接話柄、撥號(hào)鍵盤、顯示屏和摘機(jī)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能。礦用廣播終端用戶線接口電路如圖4所示。

3 廣播終端結(jié)構(gòu)

廣播終端尺寸為390 mm×270 mm×160 mm，外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 礦用廣播終端音頻放大器電路

圖4 礦用廣播終端用戶線接口電路

圖5 礦用廣播終端外形結(jié)構(gòu)

礦用廣播終端上左右各放置一個(gè)喇叭，分別與功放左右聲道相連。外面板上放置一個(gè)話柄、一個(gè)撥號(hào)鍵盤以及一個(gè)顯示屏，用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講。8個(gè)防水喇叭接口支持2路光纖、1路電源、1路話柄、1路RS485通信線接入，備用3個(gè)接口用于以后擴(kuò)展使用。

結(jié) 語(yǔ)

本文展示了一種礦用廣播終端的系統(tǒng)架構(gòu)以及設(shè)計(jì)思路，并詳細(xì)地闡述了廣播終端中重要功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。本礦用廣播終端采用光網(wǎng)絡(luò)接入，可在線實(shí)時(shí)播放高品質(zhì)音樂(lè)，也可實(shí)時(shí)更新本地SD存儲(chǔ)卡上的音樂(lè)。在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下，可切換播放本地SD存儲(chǔ)卡上存儲(chǔ)的音樂(lè)。

經(jīng)測(cè)試，音頻信號(hào)最大不失真輸出電壓高達(dá)5 V，在1 mm處的聲強(qiáng)不低于90 dB。

同時(shí)，還支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)講功能，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)廣播終端之間實(shí)時(shí)對(duì)講，完全滿足煤礦廣播的要求。

[1]楊娟.礦用數(shù)字廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2011（8）：44-47.

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[3]徐鼎.SLIC電路產(chǎn)品綜述[J].集成電路應(yīng)用，2004（12）：52-54.

[4]ST.STM32F系列ARM內(nèi)核32位高性能微控制器參考手冊(cè)，2011.

[5]洪家平.基于VS1003解碼器的MP3播放器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（11）：54-56.

[6]陳新國(guó)，程耕國(guó).D類功放輸出功率與效率的分析[J].聲學(xué)技術(shù)，2004，24（4）：264-267.

[7]朱璇，陳達(dá)成，謝國(guó)雄.簡(jiǎn)述ZX—2029型電話機(jī)的原理與制作[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2013，9（14）：3431-3435.