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基于CANopen協(xié)議的礦用語音通信系統(tǒng)研究
1 引言
現(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用早已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)，CAN 總線作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，已被廣泛應(yīng)用到自動化控制系統(tǒng)中。由于CAN 本身并非一個完整的協(xié)議，因而進(jìn)行高效率的通訊還需要進(jìn)一步開發(fā)高層協(xié)議，而CANopen 協(xié)議就是建立在CAN 協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用層協(xié)議，其采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計，具有很好的模塊特性和很高的適應(yīng)性，且精練透明、易于開發(fā)。本文圍繞由微控制器PIC18F458和語音處理芯片AMBE-1000 構(gòu)成的語音通信系統(tǒng)研究了CANopen 協(xié)議在基于CAN 總線的語音通信系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。
2 語音通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)由上位機(jī)，網(wǎng)關(guān)，節(jié)點(diǎn)，中繼等組成，利用已有的CAN 總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時語音和監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸。通信過程為：語音數(shù)據(jù)通過麥克采集輸入后經(jīng)A /D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號，而語音處理模塊AMBE-1000 對數(shù)字信號壓縮編碼后傳送給本地微處理器PIC18F458， 然后微處理器通過CAN 收發(fā)器將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 總線送給遠(yuǎn)方微處理器。相應(yīng)的，遠(yuǎn)方微處理器對收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過上述步驟的反向處理最終還原為語音信號并由喇叭播放。當(dāng)沒有語音信號需要處理傳輸時，系統(tǒng)自動開啟MP3 功能播放背景音樂。
2.2 信道接口設(shè)計
微控制器采用Microchip 公司的PIC18Fxxx 系列芯片，其內(nèi)含有A/D、內(nèi)部EEPROM 存儲器、CAN 控制器、SPI 接口、FLASH 程序存儲器讀/寫等強(qiáng)大功能。
語音處理模塊采用Digital Voice Systems 公司推出的語音壓縮/ 解壓芯片AMBE-1000，其壓縮率可在2.4kbps-9.6kbps 范圍內(nèi)由軟件調(diào)節(jié)，且具有FEC（前向糾錯）、VAD（語音激活檢測）功能和DTMF 信號檢測功能。
AMBE-1000 與微控制器PIC18F458 進(jìn)行通信的信道接口為串行SPI 接口，有兩種工作模式：主動模式和被動模式。本系統(tǒng)定義AMBE-1000 的引腳CH_SEL1～CHSEL0 將AMBE-1000 設(shè)置為串行被動模式，串口存在于幀格式下，通過模擬標(biāo)準(zhǔn)SPI 通信時序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)包的傳輸。
3 CANopen 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)
在系統(tǒng)中，選取網(wǎng)關(guān)為主節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)除了具有啟動/停止網(wǎng)絡(luò)、檢查網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)等功能外，還定義了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的標(biāo)識符和訪問對象字典入口。
3.1 標(biāo)識符的分配
主節(jié)點(diǎn)通過上位機(jī)發(fā)出的標(biāo)識符字來改變從節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。在CANopen 協(xié)議應(yīng)用層，設(shè)備之間交換的是通訊對象（COB），它們被映射到帶有標(biāo)識符（ID）的CAN 幀中，然后在數(shù)據(jù)鏈路層上傳輸。
在CAN 標(biāo)識符缺省的默認(rèn)值分配方案中，COB-ID 有11 位，由4 位Function Code 和7位Node-ID 組成，F(xiàn)unction Code 已經(jīng)確定，網(wǎng)絡(luò)中不同的Node-ID 就決定了COB-ID 編碼。
在本設(shè)計中，井下節(jié)點(diǎn)以分組形式存在，每小組節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過14 個（0 不可用，1 為主節(jié)點(diǎn)的Node-ID）上位機(jī)與井下節(jié)點(diǎn)通話分為廣播、組播、點(diǎn)播，分組數(shù)不超過3 個。同時考慮到PIC18F458 的緩沖器結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的號定義為：0x01-0x03，節(jié)點(diǎn)的組內(nèi)節(jié)點(diǎn)號0x02-0x0F，各節(jié)點(diǎn)Node-ID 分配如表1 所示。
11 位COB-ID 中，高四位為功能碼，語音模式時標(biāo)識id6 位為0 ，MP3 模式時標(biāo)識符id6位為1，id4-id5 位為小組號，id0-id3 位為每一小組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)號。通過對11 位中低4 位驗(yàn)收屏蔽濾波器進(jìn)行屏蔽，對高7 位進(jìn)行濾波實(shí)現(xiàn)廣播、組播、點(diǎn)播等功能。語音模式下，廣播時使用PIC18F458 的驗(yàn)收濾波寄存器2，組播和點(diǎn)播時使用驗(yàn)收濾波寄存器3；Mp3 模式下，廣播時使用PIC18F458 的驗(yàn)收濾波寄存器4，組播和點(diǎn)播時使用驗(yàn)收濾波寄存器5。
3.2 對象字典的建立和變量的傳輸
CANopen 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都有一個對象字典，它包含了描述這個設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)。下面以主節(jié)點(diǎn)對象字典的建立為例說明對象字典的建立方法。
每個PDO 都對應(yīng)一個通信對象和一個映射對象；本系統(tǒng)中存放第一個發(fā)送PDO 通信參數(shù)的對象為0X1800，存放該P(yáng)DO 影射參數(shù)的對象為0X1A00。其中對象0X2000子索引0x01 處存放語音模式下廣播變中的數(shù)據(jù)量，以下的變量類同；首先通過讀取1800H中的通訊模式，然后，讀取0X2000 中的數(shù)據(jù)幀的具體內(nèi)容，通訊時，將確定通訊模式的相關(guān)信息和具體數(shù)據(jù)幀的地址信息按CANOpen 的映射規(guī)則寫入1A00H 中，從而完成PDO 的發(fā)送與接收。
3.3 CANopen 軟件實(shí)現(xiàn)
在整個CANopen 網(wǎng)絡(luò)中，SYNC 報文的優(yōu)先級最高，因此用它來傳送同步信號，保持各節(jié)點(diǎn)間的同步，并且用來觸發(fā)PDO 報文的發(fā)送。Time-Stamp 報文的優(yōu)先級比SYNC 稍低，它用來傳送時鐘信號，當(dāng)主站需要各節(jié)點(diǎn)校時時，主站通過串口發(fā)出校時報文給主節(jié)點(diǎn)，然后主節(jié)點(diǎn)在全CAN網(wǎng)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)包含時鐘信息的Time-Stamp 報文，子節(jié)點(diǎn)收到后完成校時。
廣播、組播等數(shù)據(jù)用PDO 來傳送。本系統(tǒng)為了保證PDO 傳送數(shù)據(jù)的快速、實(shí)時性，采用事件觸發(fā)的方式。參數(shù)配置數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量比較大，而且對于實(shí)時性的要求不高，所以用優(yōu)先級比較低而且擁有可以傳送大量數(shù)據(jù)能力的SDO。由于其優(yōu)先級較低，保證了此類大量數(shù)據(jù)的傳送不搶占實(shí)時性要求較高的語音數(shù)據(jù)的傳送。由于節(jié)點(diǎn)保護(hù)數(shù)據(jù)只是用來監(jiān)測CAN節(jié)點(diǎn)是否在線正常工作，因此它的實(shí)時性要求更低，所以用發(fā)送優(yōu)先級更低的Heart_beat報文來傳送。子節(jié)點(diǎn)定時的發(fā)送Heart_beat 報文，主節(jié)點(diǎn)收到后就修改節(jié)點(diǎn)保護(hù)定時器，如果隔了一定的時間還沒有收到某個子節(jié)點(diǎn)的Heart_beat 報文則主節(jié)點(diǎn)就認(rèn)為此子節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)產(chǎn)生了問題。
本系統(tǒng)CAN 控制器初始化工作流程為：系統(tǒng)上電后，從ROM 中讀取配置參數(shù)將CAN控制器、各個從節(jié)點(diǎn)的ID 地址以及CANopen 通訊對象進(jìn)行配置，省略了CANopen 中常用的較復(fù)雜的使用主節(jié)點(diǎn)配置子節(jié)點(diǎn)的方式，而使用的是CANopen 協(xié)議的預(yù)定義連接集；啟動后，子節(jié)點(diǎn)定時發(fā)送心跳報文，告知主節(jié)點(diǎn)本子節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入工作狀態(tài)；同時監(jiān)測主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的同步報文，以確保主節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)，這樣主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)即可通訊連接。
1）主節(jié)點(diǎn)程序：初始化后，如果中斷標(biāo)志位置位，則轉(zhuǎn)入中斷程序，接收上位機(jī)發(fā)來的PDO 數(shù)據(jù)。然后，判斷上位機(jī)命令區(qū)分組播、廣播等命令類型，再修改存儲器中的標(biāo)識符判定與哪些節(jié)點(diǎn)通信，隨后讀取語音數(shù)據(jù)并經(jīng)CAN 總線發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)。
2）從節(jié)點(diǎn)程序：在從節(jié)點(diǎn)處如果有通話需求，通過按通通話按鈕切換至語音模式，即可經(jīng)CAN 總線傳輸語音數(shù)據(jù)，如無通話需求，則保持MP3 模式繼續(xù)播放音樂。
4 測試結(jié)果
測試界面如圖5，五個操作按鈕與一個grid 控件組成，按鈕分別為：語音測試、音樂測試、錄音測試、混合測試以及停止測試，grid 控件顯示測試結(jié)果。測試原理：1.選定測試模式（語音測試、音樂測試、錄音測試或者混合測試）2.啟動定時器3.定時促發(fā)事件：a 根據(jù)數(shù)據(jù)庫，利用地址指針自動選擇地址b 根據(jù)地址類型，進(jìn)行可，操作的所有操作命令c 對地址指針進(jìn)行相應(yīng)的操作4.重復(fù)步驟3 直到停止測試為止。
經(jīng)以上語音測試， 本系統(tǒng)可以正確切換組播、廣播、點(diǎn)播等模式，語音通信及時，且語音的主觀聽覺效果良好，具有較高的可懂度，符合設(shè)計要求。同樣，在錄音播報模式、音樂模式、混合模式下測試成功。
5 結(jié)語
經(jīng)實(shí)踐證明，采用CANopen 協(xié)議的語音通信系統(tǒng)可以在CAN 總線上以極低的語音通信速率（2.4 kbit / s） 進(jìn)行語音數(shù)據(jù)傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)語音的廣播、組播、點(diǎn)播、MP3 播放功能，同時CANopen 協(xié)議使得節(jié)點(diǎn)具有較好的開放性和通用性，可與其他設(shè)備組建分布式控制網(wǎng)絡(luò)，在煤礦信息化系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。
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