針對(duì)煤礦井下聲光報(bào)警設(shè)備存在語(yǔ)音和聲光報(bào)警形式單一，不具備遠(yuǎn)程通信功能，只能小范圍報(bào)警，不能滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造要求的分級(jí)報(bào)警要求，設(shè)計(jì)了 1 款新型的礦用本質(zhì)安全型語(yǔ)音聲光報(bào)警器。該報(bào)警器主要采用音頻文件播放方式實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音分類報(bào)警; 采用紅、綠、黃 3 色高亮 LED 閃光形式實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警。在煤礦井下實(shí)際使用中，可通過(guò) ＲS-485 總線接口，與安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)井下安全環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)工況參數(shù)等超限時(shí)，及時(shí)有效地進(jìn)行了分類和分級(jí)聲光報(bào)警，可提醒井下人員撤離至安全區(qū)域，保障了礦井安全生產(chǎn)。

 

礦用本安型聲光語(yǔ)音報(bào)警器的設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)采用 AＲM 嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)，集語(yǔ)音處理、模擬閃光控制、音頻文件管理、外部電平觸發(fā)、數(shù)據(jù)通信于一體，實(shí)現(xiàn)集成度高、成本低、可靠性高、操作方便的語(yǔ)音聲光報(bào)警。

礦用本安型聲光語(yǔ)音報(bào)警器的設(shè)計(jì)

1． 1 AＲM 處理器系統(tǒng)

語(yǔ)音聲光報(bào)警器采用 LPC1768 微控制器，使用高性能的 32 位 AＲM Cortex-M3 內(nèi)核，最高工作速度為 100MHz，擁有 512 kB 閃存和 64 kB SＲAM，串行外設(shè)有 USB2． 0 全速器件/主機(jī)/OTG 控制器、4 個(gè) UAＲT、SPI 控制器等，模擬外設(shè)有 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及豐富的 I/O 資源。使用微控制器內(nèi)高度集成的這些外設(shè)資源進(jìn)行硬件接口設(shè)計(jì)，包括 2 路開關(guān)量輸入、1 路 ＲS-485 總線接口、 1 路 USB 接口、紅外遙控接收器、模擬音頻信號(hào)輸出和高亮 LED 燈陣列控制，以及擴(kuò)展串行 Flash 存儲(chǔ)器。

1． 2 光報(bào)警

采用紅、綠雙色高亮 LED 燈組成 5 個(gè)燈條陳列，置于半透明圓柱形燈罩內(nèi)，經(jīng)過(guò)燈罩內(nèi)壁菱紋的折射，可均勻發(fā)出紅、綠、黃( 紅綠合成) 3 種顏色的光，實(shí)現(xiàn) 360°可視范圍閃光報(bào)警的視覺(jué)效果。光報(bào)警原理實(shí)現(xiàn)如圖 2 所示，每個(gè)燈條有 8 個(gè) LED 燈，借助 8 位串入并出移位寄存器 74LV595 進(jìn)行控制。把每個(gè)燈條的 74LV595 芯片級(jí)聯(lián)起來(lái)，通過(guò)微控制器的 I/O 口模擬串行總線，定時(shí)把編碼數(shù)據(jù)移位輸出和鎖存顯示，報(bào)警器就呈現(xiàn)出閃爍、旋轉(zhuǎn)、跳越等多種閃光類型。

 

1． 3 ＲS-485 總線

通過(guò) LPC1768 控制器的一路 UAＲT，連接 ＲS485 總線驅(qū)動(dòng)器 SN65LBC184，掛接到上級(jí) ＲS-485 總線，可構(gòu)成遠(yuǎn)程控制報(bào)警系統(tǒng)。其 ＲS-485 電路采用了電氣隔離和接口保護(hù)設(shè)計(jì)，提高了通信接口抗干擾性。電氣原理框圖如圖 3 所示，其中電氣隔離是通過(guò) DC-DC 將系統(tǒng)電源和 SN65LBC184 收發(fā)器的電源隔離，通過(guò)光耦將信號(hào)隔離。接口保護(hù)通過(guò)氣體放電管和瞬態(tài)電壓抑制二級(jí)管構(gòu)成前后級(jí)浪涌電壓防護(hù)，以及信號(hào)線上串聯(lián)共模扼流圈，可有效減小高頻共模噪聲［2］。

 

2 MP3 語(yǔ)音文件播放設(shè)計(jì)

利用 LPC1768 微控制器 MCU 創(chuàng)建 1 個(gè)單一、成本低、單芯片的 MP3 播放器，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警功能。語(yǔ)音文件播放原理如圖 4 所示，主要把報(bào)警器當(dāng)作 U 盤，使 用 PC 機(jī) 拷 入 MP3 文 件，存 儲(chǔ) 在 AT45DB321D 閃存芯片中。采用 Fatfs 文件系統(tǒng)，從存儲(chǔ)芯片中讀入 MP3 數(shù)據(jù)給 Libmad 解碼，最后通過(guò) LPC1768 的 DAC 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。

2． 1 Libmad 音頻解碼庫(kù)

MAD( libmad) 是 1 個(gè)開源的高質(zhì)量 MPEG 音頻解碼庫(kù)，其全稱是MPEG Audio Decoder。Libmad支持 MPEG-1、低采樣率的 MPE2-2 和 MPEG2． 5 格式的 LayerⅠ、LayerⅡ、LayerⅢ( 即 MP3) 的解碼。libmad 提供 24-bit/s 的 PCM 輸出，完全定點(diǎn)計(jì)算，非常適合在沒(méi)有浮點(diǎn)支持的嵌入式硬件平臺(tái)上使用［3］。

通過(guò)嵌入式 FatFS 文件系統(tǒng) API 函數(shù)打開 MP3 文件，把音頻文件流讀入給 Libmad 解碼核心，Libmad 解碼出來(lái)的數(shù)據(jù)為 24bit 的 PCM 數(shù)據(jù)，通過(guò)舍入裁剪，將 24bit 高分辨率樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到 10bit 格式，然后推入 FIFO 緩沖區(qū)。中斷服務(wù)程序周期性地從軟件 FIFO 緩沖區(qū)中讀取音頻原樣本信號(hào)，送入 LPC2368 的 DAC，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后通過(guò)音頻功率放大器驅(qū)動(dòng)喇叭進(jìn)行聲音播放。

2． 2 文件存儲(chǔ)與訪問(wèn)

報(bào)警器設(shè)計(jì)有 USB 接口，把報(bào)警器模擬成 1 個(gè) U 盤，可以添加刪除音頻文件，方便用戶自編報(bào)警內(nèi)容時(shí)，操作簡(jiǎn)單易用。USB 設(shè)備端口采用 LPC1768 芯片自帶的 USB 設(shè)備端口，完全符合 USB V2． 0 全速 器 件 規(guī) 范。存 儲(chǔ) 設(shè) 備 采 用 SPI 總 線 接 口 的 AT45DB321D 閃存芯片。整個(gè)文件存儲(chǔ)與訪問(wèn)軟件設(shè)計(jì)如圖 5 所示。

 

USB 大容量存儲(chǔ)設(shè)備類規(guī)范包括 4 個(gè)獨(dú)立的子類規(guī)范，這 4 個(gè)子類規(guī)范分別是批量單獨(dú)輸送 ( Bulk- Only) 、控制/批量/中斷輸送( CBI) 、UFI 命令規(guī)范和 ATA 命令塊［4］。設(shè)計(jì)使用其中的 1 種塊存儲(chǔ) Bulk-Only 協(xié)議。USB 設(shè)備( 報(bào)警器) 通過(guò)響應(yīng)主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求，使主機(jī)能識(shí)別到。主機(jī)得到 USB 設(shè)備的描述符后，即完成了設(shè)備的配置，識(shí)別出 Bulk-Only 的 Mass Storage 設(shè)備，然后會(huì)進(jìn)入 BulkOnly 傳輸方式。在此方式下，設(shè)備與主機(jī)通過(guò) USB 端點(diǎn)按 Bulk-Only 模式響應(yīng) UFI( SCSI 命令子集) 中的指令，以扇區(qū)為單位讀寫 Flash 存儲(chǔ)芯片。由于存儲(chǔ)芯片只有 4M byte 存儲(chǔ)空量，F(xiàn)lash 芯片的存儲(chǔ)單元組織形式采用 FAT16 文件系統(tǒng)，以減小 FAT 表占用存儲(chǔ)空間。通過(guò) Windows 進(jìn)行格式化，并負(fù)責(zé)對(duì) FAT16 文件系統(tǒng)的管理。

Flash 存儲(chǔ)芯片上已有了 FAT16 文件系統(tǒng)，以及拷入的 MP3 音頻文件。通過(guò)移植的嵌入式 FatFS 文件系統(tǒng)，調(diào)用 FatFs 提供給用戶的一系列應(yīng)用接口函數(shù)，如 f_open、f_read、f_write、f_close、f_unlink 等，就可以像在 PC 上讀/寫文件那樣簡(jiǎn)單。FatFS 主要需要 1 個(gè)存儲(chǔ)媒介讀/寫接口 DiskIO 。DiskIO 接口是由 LPC1768 微控制器通過(guò) SPI 總線操 作 AT45DB321D 芯片，實(shí)現(xiàn)磁盤驅(qū)動(dòng)器的初始化、狀態(tài)和控制參數(shù)獲取、讀/寫 1 個(gè)扇區(qū)等。