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AbstractI n 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 built- core 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)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。