張 珂，趙雪悅，樂(lè) 斌，章文睿

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201418；2.上海華欣民福自控設(shè)備有限公司,上海 200052）

我國(guó)的能源的主要形式是煤炭，煤炭工業(yè)在我國(guó)占據(jù)著主導(dǎo)地位[1]。帶式輸送機(jī)在煤礦開(kāi)采中會(huì)被高頻的使用，它的正常運(yùn)作是煤礦企業(yè)高效率生產(chǎn)的重要保障。日常的煤炭開(kāi)采工作中，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)作為最重要的組成部分，因運(yùn)輸量大，成本低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于煤炭開(kāi)采[2]。相對(duì)于其他工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，煤炭工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化程度相對(duì)來(lái)說(shuō)有所欠缺。所以對(duì)于礦下帶式輸送機(jī)的安全保護(hù)不容忽視，一旦發(fā)生類似于皮帶斷裂等嚴(yán)重故障，很可能對(duì)礦下工人生命安全造成威脅，導(dǎo)致巨大的損失，所以對(duì)于礦下運(yùn)輸系統(tǒng)的安全保護(hù)進(jìn)行研究有著十分重要的意義[3]。

西方經(jīng)濟(jì)水平處于領(lǐng)先狀態(tài)，因此對(duì)于皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)有著較早的研究。從1840 年開(kāi)始，高傾角、大功率的皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用于煤炭開(kāi)采工業(yè)中。隨著對(duì)煤炭需求量的增加，西方各國(guó)逐漸開(kāi)展了對(duì)帶式運(yùn)輸系統(tǒng)監(jiān)控保護(hù)裝置的研究。1975 年美國(guó)霍尼韋爾公司提出集散控制理念，推出TDC2000 系統(tǒng)；現(xiàn)階段又以日本阪東公司的TATEBO-Ⅲ型為典型代表，使運(yùn)行更加協(xié)調(diào)，提高整個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性[4]。Ahmadi 等[5]利用振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式運(yùn)輸系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷；Kruczek 等[6]為保證皮帶無(wú)故障的運(yùn)行，研究了多元數(shù)據(jù)分析再故障檢測(cè)中的應(yīng)用。我國(guó)的煤炭開(kāi)采工作相較于國(guó)外還是處于落后的階段，直到20 世紀(jì)90 年代，開(kāi)展的“日產(chǎn)萬(wàn)噸綜采設(shè)備”項(xiàng)目，皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)才被運(yùn)用到礦下煤炭開(kāi)采中。近20 年來(lái)，我國(guó)對(duì)于帶式運(yùn)輸系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，雖然自動(dòng)化程度在不斷提高，但是帶式運(yùn)輸系統(tǒng)的安全保護(hù)監(jiān)控依舊效率不高，無(wú)法精準(zhǔn)定位，可靠性較差。李琰瑩等[7]運(yùn)用PLC 開(kāi)發(fā)了一套礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)在線監(jiān)控了解運(yùn)行情況；張偉[8]同樣提出一種基于PLC 的井下煤礦皮帶運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，提升帶式運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性。正因?yàn)榈V下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的工作特殊性，維護(hù)人員不可能一直守在礦下工作一線，所以實(shí)現(xiàn)在礦上工作站對(duì)皮帶運(yùn)輸安全實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得十分重要。這需要帶式運(yùn)輸系統(tǒng)沿線的傳感器與上位機(jī)PLC 通過(guò)以太網(wǎng)的通信以及各模塊之間的配合，對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全、可靠、高效監(jiān)控。

礦下語(yǔ)音通話對(duì)于帶式運(yùn)輸系統(tǒng)的安全維護(hù)以及礦下人員的工作安全有著十分重要的作用。語(yǔ)音通話系統(tǒng)可以方便工作人員進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)的交流，保障礦井工作人員的安全[9]。語(yǔ)音通話系統(tǒng)主要是用來(lái)采集語(yǔ)音數(shù)據(jù)，將采集到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮然后解碼并播放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)礦下語(yǔ)音通話功能[10]。而想要進(jìn)行礦下語(yǔ)音通話，則必須得搭建語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送通道，但由于礦下惡劣的環(huán)境，語(yǔ)音信號(hào)往往容易受到干擾導(dǎo)致信號(hào)不穩(wěn)定。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，礦下語(yǔ)音系統(tǒng)也在發(fā)生更迭，從早期的調(diào)度電話到礦下小靈通，直至目前的CAN 總線技術(shù)。由于調(diào)度電話以及礦下小靈通無(wú)法完成實(shí)時(shí)通信且極易受到信號(hào)干擾，性能穩(wěn)定優(yōu)異的CAN 總線技術(shù)逐漸取代前兩者并發(fā)揮著重要的作用[11]。

針對(duì)上述帶式運(yùn)輸系統(tǒng)安全監(jiān)控以及礦下語(yǔ)音無(wú)法維持穩(wěn)定，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)通話，安全監(jiān)控保護(hù)與語(yǔ)音通話分散控制等問(wèn)題，本文提出一個(gè)面向礦下皮帶運(yùn)輸安全維護(hù)的語(yǔ)音通信控制系統(tǒng)的研發(fā)，該系統(tǒng)采用PLC 控制模塊結(jié)合CAN 總線的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能的融合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)功能進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定且良好。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能分析

目前礦下皮帶運(yùn)輸保護(hù)系統(tǒng)和語(yǔ)音通話系統(tǒng)是2 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了工作人員對(duì)帶式輸送機(jī)的維修難度，也不利于實(shí)時(shí)交流溝通，存在較大的安全隱患[12]。所以將2 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行融合，簡(jiǎn)化礦下皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，增加整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。系統(tǒng)將PLC 作為核心控制模塊，除需要對(duì)帶式運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行啟?？刂仆?，還與皮帶保護(hù)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)連接，完成運(yùn)輸保護(hù)功能與礦下語(yǔ)音通信功能的融合。該系統(tǒng)通過(guò)帶式輸送機(jī)安全保護(hù)模塊接收帶式輸送機(jī)沿線的傳感器信號(hào)，信號(hào)異常時(shí)，維修人員可以及時(shí)對(duì)皮帶故障點(diǎn)進(jìn)行定位并展開(kāi)維修，同時(shí)維修人員可通過(guò)語(yǔ)音通信系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)對(duì)話，及時(shí)與其他人員進(jìn)行溝通交流，提高井下作業(yè)的工作效率，并且當(dāng)?shù)V下發(fā)生安全事故時(shí)，井下工作人員也可與地面營(yíng)救人員取得聯(lián)系，極大的保障了井下作業(yè)人員的安全。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的組成包括：PLC 上位機(jī)，監(jiān)控站，皮帶安全與語(yǔ)音通信融合系統(tǒng)板，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。監(jiān)控分站對(duì)傳感器數(shù)據(jù)以及語(yǔ)音傳輸進(jìn)行監(jiān)控以及數(shù)據(jù)的編碼處理，通過(guò)CAN 總線與主站之間聯(lián)系，最終由上位機(jī)根據(jù)收到的信息做出相應(yīng)的處理。

（1）PLC 控制模塊。PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，各類機(jī)械系統(tǒng)被數(shù)字式或模擬式的輸入輸出所控制。該系統(tǒng)需要通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)，及時(shí)將異常信號(hào)反饋至上位機(jī)PLC 并通過(guò)PLC 完成停機(jī)等操作，實(shí)現(xiàn)帶式運(yùn)輸機(jī)的安全保護(hù)功能。與單片機(jī)相比較而言，PLC 作為一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，雖然使用和維護(hù)成本稍高，但是十分的可靠，抗干擾性能比較強(qiáng)[13]。對(duì)于井下復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，PLC 是控制系統(tǒng)的最佳選擇。

（2）中央控制模塊。該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中傳感器以及語(yǔ)音傳輸會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，更快的響應(yīng)速度就會(huì)有更高的工作效率，同時(shí)還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，方便后續(xù)系統(tǒng)進(jìn)一步的優(yōu)化完善。鑒于井下復(fù)雜的特殊工作環(huán)境，此處所需要的處理芯片不僅要有強(qiáng)大的處理功能還需有穩(wěn)定抗干擾性強(qiáng)的功能。

(3) 通信模塊。選擇CAN 總線通信作為礦下語(yǔ)音信號(hào)與傳感器信號(hào)的傳輸方式。CAN 總線成本低，數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，抗干擾性優(yōu)于RS-232、RS-485，總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量多于RS-485[14]。同時(shí)它還是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，基于此優(yōu)點(diǎn)，在礦下進(jìn)行長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸中，選擇CAN 總線作為煤礦帶式輸送機(jī)的通信方式。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件組成圖如圖2 所示，安全維護(hù)語(yǔ)音控制系統(tǒng)使用PLC 作為控制模塊，LPC1768FBD100 為核心芯片的中央控制模塊，CAN 總線作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，完成礦下皮帶運(yùn)輸安全維護(hù)的語(yǔ)音通信控制系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅可以簡(jiǎn)化皮帶運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，并且能快速實(shí)現(xiàn)故障定位，方便維修人員及時(shí)進(jìn)行檢修。

圖2 系統(tǒng)硬件組成圖Fig. 2 System hardware composition diagram

2.1 PLC 選型

本系統(tǒng)使用PLC 型號(hào)為匯川H2U，其具有存儲(chǔ)空間大，運(yùn)行速度快，支持高達(dá)128 個(gè)子程序和21 個(gè)中斷子程序，在提供完整的加密功能，保護(hù)用戶的知識(shí)產(chǎn)權(quán)且滿足功能的前提下，會(huì)有最小的輸出成本。該型號(hào)PLC 程序存儲(chǔ)空間大且內(nèi)部集成大容量的電源，可以直接對(duì)傳感器、外部中間繼電器等進(jìn)行供電，具有多通道高頻率高速輸入輸出端口，豐富的運(yùn)動(dòng)和定位控制功能。匯川H2U 集成2 個(gè)獨(dú)立的通信口，提供豐富的通信協(xié)議，方便系統(tǒng)集成，可以與礦山自動(dòng)化集控網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制功能。

2.2 中央控制芯片

根據(jù)礦下皮帶運(yùn)輸安全維護(hù)控制系統(tǒng)的要求，通過(guò)對(duì)芯片資料的分析對(duì)比，選擇恩智浦半導(dǎo)體公司的LPC1768 作為系統(tǒng)中央控制模塊的核心芯片。該芯片擁有ARM Cortex-M3 的內(nèi)核，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的特性。其操作頻率可達(dá)到100 MHz，遠(yuǎn)高于STM32 芯片的36 MHz 操作頻率，ARM Cortex-M3 CPU 有3 級(jí)流水線、哈佛結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的本地指令、數(shù)據(jù)總線、可以應(yīng)用到外設(shè)性能較低的第3 條總線以及一個(gè)可以隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元[15]。在工業(yè)控制上相較于STM32 也是更加穩(wěn)定高效，且STM32 的成本價(jià)格比LPC1768 要高，綜合考慮選擇LPC1768 作為系統(tǒng)中央控制模塊的核心芯片。

2.3 本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)

電源電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分，為系統(tǒng)板提供電源。設(shè)計(jì)電源電路時(shí)需要考慮到整個(gè)系統(tǒng)板的電壓、電流、功率等，由于系統(tǒng)在煤礦礦井中使用，同時(shí)還必須考慮礦下惡劣的環(huán)境，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的供電需要使用本安型防爆電源。本質(zhì)安全電路（本安電路）的設(shè)計(jì)要求是即使系統(tǒng)中某處線路發(fā)生短路或者火花，也不足以點(diǎn)燃周圍的易燃易爆氣體，從而導(dǎo)致安全事故。

根據(jù)本質(zhì)安全型防爆電源設(shè)計(jì)的要求，需要保護(hù)一些如電容等可以儲(chǔ)能的電子元件，減小系統(tǒng)板元件的放電量，間接保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)電路，主要是因?yàn)橐兹嘉锲穬H需一定的火花能量便可以點(diǎn)燃它們[16]。而安全火花電路指的是電路中元件的放電量無(wú)法點(diǎn)燃易燃的物品。在礦井下，當(dāng)?shù)V下氣體濃度達(dá)到8.5%時(shí)，最易發(fā)生爆炸；當(dāng)氣體濃度達(dá)到9.5%時(shí)，爆炸壓力值最高，只需要0.5 J 的能量就足以引起GAS 爆炸，所以火花能量需要低于一定的值[17]。

本安型防爆電路主要是預(yù)防電弧放電而產(chǎn)生的電火花，電弧放電極易點(diǎn)燃爆炸性氣體，所以本質(zhì)安全型防爆電路的基本內(nèi)容是電感電路[18]。

系統(tǒng)中的供電來(lái)源主要來(lái)自地面，地面上的電源必須跟斷路器連接后才可進(jìn)入配電箱，這樣即使發(fā)生意外也能及時(shí)切斷電源保障安全，同時(shí)在防爆配電箱內(nèi)部加入了礦井標(biāo)準(zhǔn)電壓127 V，并使用開(kāi)關(guān)電源達(dá)到降壓至24 V 電壓，其本安型電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 本安電路設(shè)計(jì)圖Fig. 3 Intrinsically safe circuit design diagram

2.4 以太網(wǎng)通信模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中監(jiān)控主站與上位機(jī)之間的通信是由通信速率高且可靠性強(qiáng)的以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。在以太網(wǎng)通信模塊中，可使用W5500、DP83848 等作為其核心芯片，其中W5500硬件電路簡(jiǎn)單，但是網(wǎng)口速度受限于SPI 接口，且成本較高，而DP83848 的網(wǎng)口速度可以接近100 M，成本低于W5500，因此在以太網(wǎng)通信模塊中選擇將DP83848 作為核心芯片。這是一種集成以太網(wǎng)的芯片，集成度高，全功能低功耗，性能十分優(yōu)越，其電路設(shè)計(jì)原理如圖4 所示。

圖4 以太網(wǎng)通信模塊電路原理圖Fig. 4 Schematic diagram of Ethernet communication module circuit

為了減少芯片引腳的使用數(shù)量，采用RMII 接口模式，同時(shí)在DP83848 的引腳34（X1）外接一個(gè)50 兆赫茲的振蕩器達(dá)到相應(yīng)的50 MHz 的時(shí)鐘傳輸速率，來(lái)保證DP83848 的正常運(yùn)行。

2.5 語(yǔ)音模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的語(yǔ)音模塊電路中將VS1063 作為主芯片，該芯片成本低，操作方便，可以獲得音質(zhì)較好的語(yǔ)音信號(hào)，是一款易于使用的多功能編碼器，能夠?qū)Σ煌纛l格式進(jìn)行編碼和解碼，其電路原理圖如圖5 所示。

圖5 語(yǔ)音模塊電路原理圖Fig. 5 Schematic diagram of the voice module circuit

當(dāng)監(jiān)控站之間進(jìn)行語(yǔ)音通話時(shí)，VS1063 芯片的引腳1（MICP）和引腳2（MICN）會(huì)將收集到的模擬語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳遞給芯片VS1063，然后VS1063將這些采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)音編碼[10]。然后通過(guò)芯片的引腳30（SO），由CAN 總線編碼并輸送到各個(gè)監(jiān)控分站中，接收到數(shù)據(jù)的監(jiān)控分站會(huì)通過(guò)語(yǔ)音模塊的VS1063 芯片的29（SI）腳將接收到相應(yīng)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳遞給芯片VS1063。然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)音解碼操作，最后通過(guò)與引腳39(RIGHT)和引腳46(LEFT)連接的揚(yáng)聲器將處理好的語(yǔ)音數(shù)據(jù)播放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)礦下皮帶語(yǔ)音對(duì)講功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程

皮帶運(yùn)輸安全維護(hù)語(yǔ)音通信控制系統(tǒng)主要包括PLC 上位機(jī)、操作臺(tái)、監(jiān)控主從站等。其中為了對(duì)帶式運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，皮帶沿線會(huì)布置傳感器，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，傳感器會(huì)將接受的信號(hào)傳輸給監(jiān)控分站，再由監(jiān)控分站逐步傳給主站，通過(guò)監(jiān)控主站與PLC 之間的聯(lián)系，上位機(jī)PLC 根據(jù)所獲得的信號(hào)做出相應(yīng)的操作，方便維修人員檢修的同時(shí)也對(duì)設(shè)備以及礦下作業(yè)人員的安全起到了保護(hù)作用。

中央控制模塊中的LPC1768 芯片對(duì)語(yǔ)音模塊進(jìn)行控制，各監(jiān)控站之間語(yǔ)音通話時(shí)，控制語(yǔ)音模塊中的VS1063 芯片對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼操作，然后再由CAN 總線傳遞給各監(jiān)控分站，再由芯片進(jìn)行解碼，然后通過(guò)揚(yáng)聲器播放，實(shí)現(xiàn)礦下的語(yǔ)音對(duì)講。如圖6 所示，系統(tǒng)在啟動(dòng)之前，需要將系統(tǒng)每個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，接下來(lái)系統(tǒng)將會(huì)判斷采集到的數(shù)據(jù)類型，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給相應(yīng)的模塊，各個(gè)模塊會(huì)分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程Fig. 6 System software design flow chart

3.2 語(yǔ)音模塊軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 語(yǔ)音收發(fā)切換控制軟件設(shè)計(jì)

如圖7 所示，系統(tǒng)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)收發(fā)模式的切換由第8 路數(shù)字量輸入控制，當(dāng)IN8 輸入有效時(shí)（低電平），單片機(jī)控制VS1063 芯片采樣麥克風(fēng)的模擬量音頻輸入信號(hào)，對(duì)采樣的數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并通過(guò)以太網(wǎng)芯片將編碼后的音頻數(shù)據(jù)包傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)，同時(shí)，VS1063 芯片停止解碼由MCU 轉(zhuǎn)發(fā)的音頻數(shù)據(jù)流，抑制揚(yáng)聲器的輸出。當(dāng)IN8 輸入無(wú)效時(shí)（高電平），單片機(jī)控制VS1063 芯片解碼所收到的同一網(wǎng)段上的所有音頻數(shù)據(jù)包，并將解碼的音頻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換后在揚(yáng)聲器上輸出[10]。

圖7 語(yǔ)音收發(fā)切換控制邏輯Fig. 7 Voice transceiver switching control logic

3.2.2 語(yǔ)音去噪軟件設(shè)計(jì)

由于礦下下惡劣的環(huán)境，聲音嘈雜，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的傳輸造成了極大的干擾。根據(jù)Claude Shannon所提出的采樣定理，作為連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)，即模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的基本橋梁，該定理說(shuō)明采樣頻率和信號(hào)頻譜之間的關(guān)系，是連續(xù)信號(hào)離散化的基本依據(jù)。當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)的最高頻率比采樣頻率的一半還要小，便可以采集到較完整的語(yǔ)音信號(hào)，能很大程度上的采集到有效的語(yǔ)音信號(hào)，可以提高語(yǔ)音傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。在系統(tǒng)中，使用二階低通濾波器對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)高頻的礦下噪聲進(jìn)行濾波，保障采集到的語(yǔ)音信號(hào)都是有效的。

經(jīng)過(guò)二階低通濾波器處理后的語(yǔ)音信號(hào)為：

式中：Y(z)是通過(guò)二階低通濾波器處理后的語(yǔ)音信號(hào)；X(z)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)二階低通濾波器處理過(guò)的語(yǔ)音信號(hào)；傳遞函數(shù)H(z)中的b(1)、b(2)、b(3)、a(2)和a(3)都是常數(shù)，分別為1、2、1、0.825、0.294。圖8為語(yǔ)音信號(hào)的濾波特性波形圖。

圖8 語(yǔ)音信號(hào)濾波特性波形圖Fig. 8 Waveform diagram of speech signal filtering characteristics

系統(tǒng)中的語(yǔ)音信號(hào)處理的采樣頻率為8 kHz，選擇的二階低通濾波器比較穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單。它可以有效將語(yǔ)音信號(hào)中的高頻諧波分量去除，采集到更加穩(wěn)定的語(yǔ)音信號(hào)。

3.3 CAN 總線通信軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)支持基于標(biāo)準(zhǔn)幀的CAN2.0 通信協(xié)議。CAN 協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通信、提供實(shí)時(shí)支持且具備檢錯(cuò)能力。CAN 通信報(bào)文的處理延時(shí)小于15 ms，并且由一個(gè)單獨(dú)的線程完成。每個(gè)系統(tǒng)板都可以與多個(gè)連接在同一總線上的通信板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

系統(tǒng)使用撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)CAN 總線進(jìn)行控制，當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)SWA1 處于OFF 狀態(tài)時(shí)，CAN 通信被激活，當(dāng)SWA1 處于ON 狀態(tài)時(shí)，CAN 通信接口停止發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。CAN 通信無(wú)主從站的區(qū)別，每個(gè)連接在總線上的監(jiān)控站既可以發(fā)送本地信息又可以接收遠(yuǎn)程信息，并將接收到的遠(yuǎn)程信息保存到設(shè)定的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)[19]。其具有多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn)的特點(diǎn)，任何站點(diǎn)都可以作為主站向總線發(fā)送信息并控制其他的站點(diǎn)或者獲取需用的狀態(tài)。

如圖9 所示，系統(tǒng)CAN 總線的起始幀為0，監(jiān)控站的地址內(nèi)容保存在11 位的標(biāo)識(shí)符當(dāng)中，每個(gè)監(jiān)控站都可以傳輸8 位數(shù)據(jù)。CAN 總線的通信幀的數(shù)據(jù)區(qū)與接收到的8 位數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，從SIG_IN8 接收到的數(shù)據(jù)與通信幀的數(shù)據(jù)區(qū)第一位是相呼應(yīng)的，而SIG_IN7 接收到的數(shù)據(jù)與通信幀的數(shù)據(jù)區(qū)第二位相呼應(yīng)，以此類推，其他接收到的數(shù)據(jù)都是與相應(yīng)的通信幀相匹配[20]。

圖9 CAN 總線通信幀數(shù)據(jù)定義Fig. 9 CAN bus communication frame data definition diagram

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了檢測(cè)面向礦下皮帶運(yùn)輸安全維護(hù)的語(yǔ)音通信控制系統(tǒng)是否可以正常運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試。

4.1 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)

使用PLC、顯示屏以及系統(tǒng)板搭建控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)PLC 與監(jiān)控站之間的通信進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖10 所示，在傳感器數(shù)據(jù)采集模塊處給傳感器一個(gè)模擬故障信號(hào)，此時(shí)數(shù)碼管會(huì)顯示異常信號(hào)“SH”，接著系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)通信將異常信號(hào)傳輸給上位機(jī)PLC，PLC 便會(huì)發(fā)出語(yǔ)音預(yù)警，同時(shí)對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的停車維修等操作。

圖10 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)Fig. 10 System joint debugging experiment

4.2 數(shù)碼管顯示模塊實(shí)驗(yàn)

顯示模塊使用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)控制數(shù)碼管的地址顯示，如圖11 所示，當(dāng)撥動(dòng)撥碼開(kāi)關(guān)時(shí)，數(shù)碼管地址顯示功能正常，且數(shù)碼管地址的顯示與撥碼開(kāi)關(guān)是一一對(duì)應(yīng)的。

圖11 數(shù)碼管監(jiān)控站地址顯示實(shí)物圖Fig. 11 The actual picture showing the address of the digital tube monitoring station

4.3 語(yǔ)音通話實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用示波器來(lái)模擬語(yǔ)音信號(hào)的采集，通過(guò)波形的變化直觀的顯示語(yǔ)音通話功能是否正常并將CAN 總線的波特率設(shè)置成不同的大小來(lái)對(duì)語(yǔ)音通話的波形進(jìn)行比較分析。將CAN 總線的波特率分別設(shè)置為50、100 Kb·s-1，得到的語(yǔ)音通話波形如圖12 所示。

圖12 語(yǔ)音通話波形圖Fig. 12 Voice call waveform

如圖12（a）所示，當(dāng)CAN 總線的波特率為50 kb·s-1，相鄰的數(shù)據(jù)之間的間隔為5 ms；如圖12（b）所示，當(dāng)CAN 總線的波特率為100 kb·s-1，相鄰的數(shù)據(jù)之間的間隔為2.5 ms。結(jié)果滿足當(dāng)波特率一定時(shí)，CAN 總線的數(shù)據(jù)傳輸速率穩(wěn)定，因此可以保證整個(gè)礦下語(yǔ)音通話功能的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以礦下帶式輸送機(jī)為目標(biāo)，使用嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)等完成礦下皮帶運(yùn)輸安全維護(hù)的語(yǔ)音通信控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)。根據(jù)系統(tǒng)的要求確定適用的通信技術(shù)以及語(yǔ)音編碼算法，通過(guò)維納濾波理論進(jìn)行去噪處理，使語(yǔ)音信號(hào)更加穩(wěn)定?？紤]煤炭開(kāi)采的安全性，采用本安型電路設(shè)計(jì)，將外部供電電源與系統(tǒng)板內(nèi)部的電路隔離，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

本文提出的礦下皮帶運(yùn)輸安全維護(hù)的語(yǔ)音通信控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)有帶式運(yùn)輸?shù)氖褂眯枨?，結(jié)合嵌入式技術(shù)、CAN 總線通信技術(shù)等，使皮帶運(yùn)輸保護(hù)與語(yǔ)音通信功能融合，實(shí)現(xiàn)礦下實(shí)時(shí)語(yǔ)音通話功能；同時(shí)采集皮帶沿線的保護(hù)傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)礦下皮帶運(yùn)輸監(jiān)控及保護(hù)功能。該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了皮帶運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本，有利于后期的維護(hù)和檢修。解決了目前市場(chǎng)上礦下帶式運(yùn)輸結(jié)構(gòu)因?yàn)榘踩Ｗo(hù)系統(tǒng)和語(yǔ)音通訊系統(tǒng)分開(kāi)，而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜的問(wèn)題。