基于TMS320F2812 DSP的CAN总线矿用语音通信系统设计*

2013-11-02梅申合廖晓纬沈晓波

重庆工商大学学报（自然科学版） 2013年12期

梅申合，廖晓纬，沈晓波

(1.安徽大学电子信息工程学院，合肥230601;2.淮南师范学院电气信息工程学院，安徽淮南232038)

煤炭产业是我国的基础产业，煤矿安全是煤炭企业健康稳定发展的重要保障。如何保持调度室与井下通信实时是保证煤矿安全生产的关键环节。现在许多煤矿的井下广播仍使用着传统的调度通信系统，调度电话分布数量有限，且通信电缆长度有限，数量过多的通信电缆也容易遭到破坏。为了确保井下人员的人身安全，让他们随时了解到井下的情况和听到地面指挥调度中心的广播，矿井内需要全覆盖的语音广播系统来实现上述目标。因此，提出一种基于TMS320F2812的CAN总线［1，2］技术的煤矿井下语音通信系统，既能完美实现广播对讲功能，又具有远距离传输、低成本和施工方便等优点。

1 系统组成

系统为矿用广播对讲系统，可以做到全矿井的覆盖，用于矿井下人行道、停车场、休息室、工作面等场所，是日常安全生产指挥的有效工具，并在需要时双向对话实现对讲。系统总体结构如图1所示，主要包括广播主站、CAN总线和广播分站3个部分。广播主站可监听任意一个广播分站周围的声音，可对一个、一组或所有广播分站进行广播。广播主站和分站都采用TI的DSP芯片TMS320F2812作为信号采集和控制单元［3］，输入的模拟声音信号经过模拟放大电路，送入TMS320F2812的A/D采集口，转换完成后，把数据暂时存储在片内的存储器中，通过CAN收发器传输到CAN总线上，等待其他广播响应，当有广播响应后，通过CAN收发器将数据暂时存储在广播分站片内存储器中，通过外部D/A转换，再经过模拟放大电路，将声音输出。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

2.1 模拟放大电路设计

系统的控制核心TMS320F2812芯片的片内A/D模块包括12位A/D核，内置双采样保持器，16个通道，完全可以满足矿用语音系统的采样精度和速度的要求，因此不必外扩A/D转换器［4，5］。由于声音是通过话筒转化为电信号之后才供A/D采集的，考虑到电信号的微弱性，输入的电信号要经过模拟放大电路才进入A/D转化器，模拟放大电路如图2所示。C2为电源滤波电容，IC1是功放集成电路，C4是输入耦合电容，C3是输出耦合电容，此模拟放大电路也适用于D/A输出电路。

图2 模拟放大电路

2.2 CAN总线接口电路设计

由于矿井工作环境较为复杂，所以选用了抗干扰能力强的CAN总线作为矿用广播系统的通信方式。TMS320F2812是通过内置增强型CAN控制器ECAN模块进行通信的，支持标准的CAN2.0协议［6］和远距离传输，总线通信速率最高可以达到1Mbps，拥有32个邮箱，每个邮箱都可以配置为发送或接收邮箱，且都有一个可编程的接收过滤器屏蔽寄存器，现已被广泛地应用与众多领域。TMS320F2812芯片的CAN总线控制器与CAN物理总线的接口选用SN65HVD232芯片，提供对总线的差动发送和接受功能，硬件原理如图3所示。此芯片与传统CAN收发器PCA82C250兼容，且支持+3.3V电压，可直接与TMS320F2812连接，简化了电路，为了提高CAN通信的稳定性，CAN总线网络的两个端点之间要加入终端匹配电阻。

图3 CAN接口电路

2.3 D/A连接电路设计

D/A输出电路选用的是BURR-BROWN公司的D/A芯片DAC7724，它是12位串行数模转换器，4路独立模拟输出，内部包括4组R-2R权电阻网络，4组双极缓冲输入寄存器和运算放大器，具有片选，输出使能等控制引脚，其与主控单元TMS320F2812的连接通过由ALTERA公司MAX7000AE系列的EPM7064AE来完成。其与主控单元的连接电路如图4所示，译码程序在QUARTUSП环境下用VHDL语言编写，编译修改，生成目标文件，最后通过JTAG接口下载完成。

图4 DAC7724与主控单元连接电路图

3 软件设计

3.1 采集功能实现

ADC模块共有16个结果寄存器，每个结果寄存器都是16位，而TMS320F2812的ADC是12位，也就是说转换后的数值最高只有12位。ADC转换的数值在结果寄存器中是左对齐，结果寄存器的高12位用于存放转换结果，低4位被忽略，可以将ADResult中的值先右移4位再计算，输入的模拟量和转换后的数字量之间的关系如下所示

ADResult是结果寄存器中的数字量，VoltInput是模拟电压输入值，ADCLO是ADC转换的参考电平，一般取值为0。

ADC模块进行数据采集时必须有一个启动信号。设计采用EVA下的通用定时器T1，T1的周期中断标志位被置1时向ADC模块发出一个ADC启动信号。当转换结束时，转换数值写入相应的结果寄存器中，中断标志位置位，进入ADC中断服务子程序中，将转换结果读入数组Ad_data中，然后调用CAN通信子程序，将数据发送出去，清除ADC中断标志位，响应中断后返回主函数。

3.2 通信功能实现

CAN网络中交换与传输的数据单元称为报文，报文传送由4种帧类型组成:数据帧、远程帧、错误帧、过载帧。数据帧的格式，由7种不同的位场组成。网络中的CAN节点只能在总线空闲时才允许开始发送信号，所有的节点必须同步于首先开始发送报文的节点的帧起始前沿。若同时有两个或两个以上的节点开始发送报文，总线会对标识符逐位进行仲裁，仲裁期间，每个节点都将总线电平与自己发送位电平相比较，如果发送电平和接受电平相同，则该节点继续发送报文。若该节点发送的一个隐性位被显性位改写，说明有较高优先权在发送，则节点自动转变为接收器。

CAN模块的主要任务是将A/D采集的语音数据发送到CAN总线上以便其他广播站接受，是构成语音系统的关键。CAN模块的软件设计主要由3部分组成:CAN模块的初始化、发送程序和接受中断程序。在使用CAN模块之前必须进行初始化。初始化包括引脚的定义、清除标志位、时钟使能、收发邮箱的配置和波特率的配置等。发送程序在DSP主程序的循环部分进行调用，接受中断程序在ECAN1INT产生中断时进行调用。CAN模块发送消息时，首先CPU将A/D采集的数据存放在发送邮箱中，将数据和标识符存放在相应RAM空间中，当发送请求位TRSn被置位后，数据就会发送出去。CAN模块接受消息时，首先将比较接受消息的标示符和接受邮箱的标识符，如果消息的标识符和邮箱的标识符匹配，则接受标识符、控制位和数据字节就会写入该邮箱的RAM存储区域中，相应的接收消息挂起位RMPn被置位［7，8］。发送和接受流程图如图5所示。