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） 专业名称 年级班级 学生姓名 指导教师
电气学院 自动化 10-02 王俊耀 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 一、题目 自动化 10-02 班 学生姓名 王俊耀
基于 CAN 总线的语音通信系统
二、起止日期 2014 年 三、主要任务与要求
03 月
20 日至 2014 年
06 月 05 日
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 学 院 领 导
职称 签字（盖章） 年 月 日
-1-

河南理工大学
毕业设计（论文）评阅人评语
题目
评 阅 人 工作单位
职称
年
月
日
-2-

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
-3-

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 2、图纸 3、指导教师意见 4、评阅人意见 经审查， 专业 班 共 共 共 共 页 张 页 页 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
-4-

河南理工大学
毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议
学院 同学的毕业设计（论文）于 年 月 专业 班
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
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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 ARM coterx-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
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Abstract
In recent years, the coal safety accidents happen frequently , so the coal production safety has been a top priority . Traditional use of the telephone and the local radio can not achieve freedom ommunications inoue underground . In order to achieve this functionality, the design of digital audio broadcasting communication system based on CAN bus is made. And the system is designed using the characteristics of the CAN bus. You can use the system to notify the control room at the same time for all staff to evacuate the mine safely and in accordance with the mine contingency plans command rescue and relief ; mine personnel can contact the control room and promptly inform thing; mine also has a local communication function to facilitate underground staff direct contact and communication .Using the CAN controller with builtcore ARM cortex-M3 STM32 MCU as a controller is the core of the system, which and a separate CAN transceivers CTM8251 constitute CAN transceiver module .We use low transmission rates and high call quality AMBE-1000 chip as a speech coder .We use CSP1027 to AD sample and AD convert for voice . Signal transmitted through a coaxial cable or twisted pair . Communication line is simple . The inter nodes can be flexible access.Though communication distance, without repeaters it can transmit 10 km .Tests showed that the inter nodes can achieve reliable , high- quality voice and real-time communications .
Key words: Coal
CAN bus
broadcasts
II

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目
录
引 言 ................................................................................................................................... 1 1 整体设计 ............................................................................................................................. 2 2 结点设计 ............................................................................................................................. 3 2.1 单片机的选型和最小系统的设计 .......................................................................... 3 2.1.1 单片机的选择 ............................................................................................... 3 2.1.2 单片机最小系统的设计 ............................................................................... 5 2.2 CAN 总线接口的...................................................................................................... 5 2.3 语音模块 .................................................................................................................. 6 2.3.1 语音 AD 采样和 DA 转换模块 ................................................................... 6 2.3.2 语音压缩和解压缩模块 ............................................................................... 7 2.4 运放模块 .................................................................................................................. 8 2.5 节点状态转换 .......................................................................................................... 9 3 通讯网络的设计 ............................................................................................................... 10 3.1 中继器的设计 ........................................................................................................ 10 3.2 通信电路的比较和选择 ........................................................................................ 10 4 软件算法设计 ................................................................................................................... 12 4.1 软件设计的整体思想 ............................................................................................ 12 4.2 主函数程序流程图设计 ........................................................................................ 13 4.3.1 RTC 定时器中断 ......................................................................................... 13 4.3.2 CAN 接收中断............................................................................................. 14 4.4 语音采集和语音还原的程序设计 ........................................................................ 15 4.4.1 语音芯片的复位 ......................................................................................... 15 4.4.2 语音帧的读写 ............................................................................................. 15 4.5 数据帧格式的转换 ................................................................................................ 17 5 调试 ................................................................................................................................... 18 5.1 语音模块的调试 .................................................................................................... 18 5.2 通信电路的调试 .................................................................................................... 18 5.3 整体调试 ................................................................................................................ 18 6 结论 ................................................................................................................................... 19 致 谢 ................................................................................................................................... 20 参考文献 ............................................................................................................................... 21 附录一：语音模块电路图 ................................................................................................... 22 附录二：单片机最小系统电路图 ....................................................................................... 23 附录三：主控板的电路图 ................................................................................................... 24 附录四：部分程序 ............................................................................................................... 25 i

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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。
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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
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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
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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（In System Programming）在系统可编程 芯片，最高工作时钟频率为 80MHz，片内含 8K Bytes 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 ISP Flash 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?-M3 32 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)、8KB RAM、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、ADC 1 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 位数 时钟频率 CAN 管理器
C8051F 8 1M 否
4
S12XS128 16 80M 是
STM32 32 72M 是

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（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
2.2 CAN 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
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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 DC 2500V 的隔离功能。其接口电路如图 2-3 所 示。
图 2-3 CAN 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 CCITT G.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。
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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 20 ms 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。
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图 2-5 语音压缩电路
2.4 运放模块
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。
图 2-6 运放电路 8

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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
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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，
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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。
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