一种具有应急联动功能的智能信息引导发布终端

邹德东，吴 晶

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；3.抚顺市技术创新研究院，辽宁 抚顺 113006）

随着煤矿井下智能化程度越来越高，智能化设备也越来越多。这些系统虽然功能各不相同，但是传输平台基本相同，对信息发布有着同样的需求。然而目前井下各类信息发布系统，功能单一，各自为战，为煤矿井下统一管理及智能化的提升带来了一定的困难。煤矿井下的主要系统有监测监控系统、人员定位系统、应急广播系统等[1]。监控系统信息只能通过分站自身显示屏显示；人员定位信息会以点阵屏的形式显示，但是没有音频报警功能；应急广播系统虽然可以播放音频信息，但没有文本发布功能。此外，目前大多煤矿仍没有一套功能合理，性能可靠的逃生引导信息指示系统。针对上述问题，设计出一种既能显示文字、又能播放声音的智能信息引导发布终端，智能信息引导发布终端同时具有多系统联动及逃生线路引导指示功能。

1 智能信息引导发布终端整体设计方案

煤矿井下信息内容包括文本通知内容、引导警示图形、通知报警声音等。智能发布方式包括地面主动发布、地面定时发布、井下终端固定发布、井下各系统联动发布[2]。信息发布形式包括屏幕显示及语音播报。设计的智能信息引导发布终端，采用LED 显示屏作为文本及图形显示；采用网络音频模块结合功放电路完成语音播报；采用集成串口服务器实现井下各系统联动发布。智能终端具体包括通信模块、主控模块、网络音频模块、文本朗读模块、点阵显示模块及功放模块单元。智能信息引导发布终端功能图如图1。

图1 智能信息引导发布终端功能图Fig.1 Function diagram of intelligent information guidance and release terminal

智能终端具备播放上位机音频流媒体播放功能。内部主控模块设置1 片单片机进行整机工作流程协调。通电后首先初始化各个模块状态并播放、显示预置信息，然后等待系统联动发布命令及通信模块命令，收到命令之后，对命令进行解析，处理完毕后，返回重新等待接收。命令共3 条：①停止发布命令：关闭信息发布然后重新等待接收；②点阵显示命令：驱动点阵显示模块进行信息显示；③语音播报命令：停止上位机音频流媒体播放并同时驱动文本朗读模块进行音频播放。

2 智能终端功能

结合煤矿现场对智能终端的性能要求进行设计，智能信息引导发布终端电路原理图如图2。

1）主控模块。主控模块是整个智能终端的核心,负责与各个功能模块共5 个UART 端口进行数据交互解析并根据解析结果进行协调控制。U4为CPU 芯片，采用STC15W4K32S4，供电电源为DC3.3 V，通过P1 端口进行程序下载。STC15W4K32S4 芯片拥有4 个UART 接口，无法满足5 个UART 端口的连接。通过对各模块功能性质分析发现，文本朗读模块及点阵显示模块端口方向相同，均为接收，因此这2 个模块可以共用1 组UART 端口，只需通过协议命令进行区分即可。如图2，UART1 的复用管脚P3.6、P3.7 连接通信模块，接收外部的命令和数据；UART3 管脚P0.0、P0.1 连接网络音频模块串口服务器端口，接收网络上其他设备发送的联动命令和数据；UART4 的管脚P0.2、P0.3 连接网络音频模块配置端口，控制流媒体播放停止；UART2 的管脚P1.0、P1.1 分别连接文本朗读模块和点阵显示模块，发送朗读文本及显示数据。

图2 智能信息引导发布终端电路原理图Fig.2 Circuit schematic diagram of intelligent information guidance and release terminal

2）通信模块。通信模块用于接收外部命令及数据，并传输给主控模块。为提高智能终端的兼容性，采用在工业中广泛应用的RS485 总线的方式进行数据通信[3]。U6为增强型嵌入式隔离RS485 收发器RSM3485ECHT。该收发器采用单一DC3.3 V 电源供电，内部隔离，隔离电压高达2 500 V。总线最多可连接256 个节点。为提高抗电磁干扰能力，引入了由限流电阻、共模电感、磁珠、TVS 管和放电管构成的信号端抗电磁干扰电路[4]，提高终端的抗干扰能力。其中，R1、R2吸收干扰能量，D1、D2抑制浪涌冲击；L1、L2、L3抑制脉冲群干扰。

3）网络音频模块。网络音频模块负责将上位机下发的网络数字音频流解析并转换成模拟语音信号[5]。U7为网络音频模块，型号为SV-2101TP。该模块支持多种网络协议和音频编解码协议，可用于VoIP 和IP 寻呼以及高质量音乐流媒体播放等应用。SV-2101TP 采用DC12 V 供电，同时提供RJ45网络接口、模拟音频信号输出接口、UART 配置端口以及串口服务器UART 透明传输接口，网络服务器兼容TCP、UDP 协议。RJ45 网络接口连接外部网络信号，完成网络音频流媒体接收及网络透明传输数据交互。当接收到网络音频流媒体信号后，通过解码芯片将数字音频信号转换成模拟音频信号，通过模拟音频输出接口输出至功放电路；当接收到网络透明传输数据时，通过内部集成串口服务器转换成TTL 信号[6]，由串口服务器接口发送给主控模块CPU。配置端口负责接收主控模块CPU 的配置命令控制流媒体播放停止，避免与多系统联动信息发布造成冲突，提高多系统联动信息发布的优先级。此功能可以实现多系统在脱离上位机的情况下进行联动，提高联动效率及可靠性。

4）文本朗读模块。文本朗读模块负责将主控模块发送的文本信息进行解码[7]，转换成模拟音频信号。U8为文本朗读模块主芯片SYN6288，SSOP28L封装，供电电源为DC3.3 V，通过UART 接口与主控模块通信。该芯片支持GB2312、GBK、BIG5 格式的文本，可合成任意中文英文组合，具有智能文本分析，可正确识别不同格式的文本符号，芯片接收到主控模块CPU 命令数据以后根据实际场景进行智能音频合成，最后形成模拟音频信号输出给功放模块，最终实现朗读文本的功能。

5）点阵显示模块。点阵显示模块用于将主控模块发送的文本内容、符号或图案通过LED 点阵显示出来[8]，供电电源为DC5 V，通过UART 接口与主控模块进行显示信息交互。显示屏采用128×32 的LED 点阵显示，可以显示16 个标准汉字或32 个字母或数字。采用1 片STC15W4K32S4 作为核心处理器，64 片74HC595 作 为 行 阳 极 驱 动 芯 片，1 片74HC238 作为行阴极驱动芯片，结合8 个N 沟道场效应管作为动态扫描开关完成显示驱动[9]。

6）功放模块。功放模块将网络音频模块及文本朗读模块传输的模拟音频信号，经过功率放大，驱动扬声器发出声音。通过2 对电容C12～C15，对2 路音频信号进行输入耦合，实现音源0 延时切换。U9为功放芯片，采用CS8623E，属D 类功放，DC12 V 供电，效率高达92%，峰值功率可达30 W，完全满足信息发布的需要。可根据应用场景的不同，通过主控模块控制管脚2、管脚3 的状态调整输出功率。在不需要播放音频的情况下，通过控制管脚SD 使芯片处于休眠状态，可有效降低设备功耗。

3 智能终端设计要点

3.1 终端供电

供电电路的可靠性决定了设备工作的稳定性。其设计依据主要是智能终端内部各个功能模块的额定工作电压及最大工作电流。

由功能设计可知各模块供电电压分别为：网络音频模块12 V、功放模块12 V、主控模块3.3 V、通信模块3.3 V、文本朗读模块3.3 V、点阵显示模块5 V。所以智能终端电源部分需要设计3 个电压等级，分别为12、5、3.3 V。经过测试，各模块最大工作电流分别为：网络音频模块150 mA、功放模块620 mA、主控模块45 mA、通信模块95 mA、文本朗读模块35 mA、点阵显示模块860 mA。可见，12、5 V 负载对电源功率要求较高，3.3 V 负载对电源性能要求较高。因此，采用开关电源降压电路分别产生12 V 和5 V，再由5 V 电源通过线性降压电路产生3.3 V，既能有效提高供电效率又可以提高关键负载的电源性能[10]。

计算可知12 V 电源最大工作电流为网络音频模块与功放模块最大工作电流之和770 mA；3.3 V电源最大工作电流为主控模块、通信模块、文本朗读模块最大工作电流之和175 mA；5 V 电源最大工作电流为点阵显示模块与3.3 V 电源最大工作电流之和为1 035 mA。为稳定可靠工作，考虑预留20%以上的余量，12 V 电源设计电流为1 000 mA，5 V 电源设计电流为2 000 mA，3.3 V 电源设计电流为300 mA。智能信息引导发布终端供电框图如图3。

图3 智能信息引导发布终端供电框图Fig.3 Power supply block diagram of intelligent information guidance and release terminal

图2 原理中U3型号为K7812-1000R3，提供12 V 电源输出；U2型号为K7805-2000R3，提供5 V 电源输出；U1型号为LM1117-3.3，提供3.3 V 电源输出。C2～C6为各级电源滤波电容。

3.2 点阵显示方式及扫描时间

点阵显示方式分为静态显示和动态显示。静态显示优点是无闪烁，缺点是功耗大；动态扫描显示优点是功耗低，缺点是易产生闪烁。动态显示是基于人眼的“余晖效应”将有时间关联的不连续的图案形成连续图形或动画。人眼的“余晖效应”平均时间为100 ms，只要动态显示周期不大于这个时间，就能实现显示效果，同时又能有效降低功耗。因此，采用动态显示的方式。

设计将整个屏幕连续分为4 页，每页8 行，显示过程采用单次驱动512 只发光二极管，分4 次循环驱动的方式完成。74HC595 是移位寄存器芯片，移位脉冲频率高达25 MHz，并且支持级联、三态输出及锁存功能。通过级联的方式一次性写入512 位的数据，然后使能TTL 输出，完成1 次行阳极驱动。74HC238 是三－八译码器芯片，通过CPU 控制数据口线A，B，C 的状态可以实现8 位译码输出，某一时刻只有1 条输出口线为高电平，通过驱动N 沟道长腰硬管使发光二极管的阴极与电源地导通，完成1次行阴极驱动。另外为了防止在行间切换的时候产生闪烁，可以通过控制管脚OE1 实现所有行均关闭，可有效防止行间的交叉显示形成重影现象[11]。

为保证定时精度，避免显示闪烁，设计采用定时器中断的方式进行动态扫描显示。试验证明，为了保证人眼观看舒适度，动态扫描1 个循环的最大时间不能超过16 ms。由于显示过程分4 次进行，所以定时器的定时周期设为4 ms。

4 结 语

在充分了解煤矿井下信息发布需求的情况下，结合了矿用设备的特点，设计了一种具有应急联动功能的智能信息引导发布终端。采用通用的485 总线传输并增加了抗电磁干扰电路，提高了设备使用的兼容性及可靠性；利用集成网络串口服务器的透明传输功能，在节省网络资源的同时实现了井下设备间最短距离、最快速度的应急联动功能；选用D类功放芯片，比传统AB 类功放提高了电源效率、提升了音质；设计了128×32 的点阵显示电路，通过合理硬件电路设计及软件驱动方式，使其功耗相比同类产品有了大幅度的降低，为智能终端实现单路本安电源供电创造了可能性。设计产品已经配接广播通信系统成功应用，得到现场用户一致好评，完全满足煤矿用户对信息发布的要求。