【正文】 最終系統(tǒng)可以通過(guò)控制臺(tái)觀察到架空人車(chē)的運(yùn)行情況是否正常、轎廂內(nèi)人員數(shù)量并且可以和轎廂內(nèi)的人員進(jìn)行語(yǔ)音通訊，還可以播放固定的語(yǔ)音訊息，如安全事項(xiàng)、通知、音樂(lè)等。設(shè)計(jì)的最終目的在于為煤礦的安全生產(chǎn)提供一定的保障措施，降低煤礦事故發(fā)生的可能性，從而提高煤礦生產(chǎn)的社會(huì)效益。7 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析系統(tǒng)的技術(shù)分析的目的就是確定所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否有價(jià)值投入生產(chǎn)。4）用地線把數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)隔離，數(shù)字地與模擬地不可以直接連接，最后通過(guò)電容相連接。所謂輻射干擾是指通過(guò)空間輻射傳播到元器件的干擾。減小干擾源的電壓變化率通常是在干擾源的兩極并聯(lián)電容，電容有阻礙電壓變化作用。例如：雷擊、繼電器開(kāi)斷、可控硅的通斷、電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁干擾、高頻時(shí)鐘都可能成為干擾源。如圖58所示為中控臺(tái)主程序流程圖。圖54 OLED模塊接口 OLED module interface 控制臺(tái)鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)控制臺(tái)的鍵盤(pán)模塊同樣使用和轎廂機(jī)一樣的編碼鍵盤(pán)，如圖55所示。 控制臺(tái)語(yǔ)音處理模塊電路 控制臺(tái)的語(yǔ)音處理模塊與轎廂機(jī)的語(yǔ)音處理模塊均采用AMBE1000，完全一樣如圖53所示，電路也基本相同，在此就不再重復(fù)敘述。615控制臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制臺(tái)是用來(lái)完成調(diào)度人員與轎廂內(nèi)的工人進(jìn)行語(yǔ)音通話(huà)和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，同時(shí)控制臺(tái)與中繼站都是CAN總線上的外置設(shè)備，包含了語(yǔ)音模塊，顯示模塊，F(xiàn)lash模塊和CAN總線模塊，單片機(jī)仍然選擇Freescale公司的MK60DN512ZVLQ10微處理控制芯片。中繼站主程序流程如圖45所示圖45 主程序流程圖 Main program flow chart of base station system 中繼站無(wú)線通訊模塊軟件設(shè)計(jì)無(wú)線通訊模塊的初始化包括上電復(fù)位以及各個(gè)寄存器的配置，而各寄存器的配置又包括頻率合成寄存器、頻率控制字寄存器、信道數(shù)、頻率控制詞寄存器、調(diào)制解調(diào)器配置寄存器、主通信控制狀態(tài)機(jī)配置寄存器、頻率偏移補(bǔ)償配置寄存器、AGC控制寄存器、電磁波激活控制寄存器、前末端RX 配置寄存器、前末端TX 配置寄存器、頻率合成器校準(zhǔn)寄存器、RC振蕩器配置寄存器、頻率合成器校準(zhǔn)控制寄存器，通過(guò)配置各寄存器完成對(duì)NRF24L01+的初始操作，隨后只要將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)寄存器即可，接收數(shù)據(jù)的時(shí)候只要讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)即可。 中繼站電源電路圖44 中繼站電源電路 Node power supply circuit中繼站系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)和轎廂機(jī)的電源電路主體是相同的，不同的只有兩點(diǎn)：轎廂機(jī)是由電池供給穩(wěn)壓芯片電壓的，而中繼站是直接由220V交流電經(jīng)過(guò)變壓器變壓（220V~12V）、整流橋整流、阻容濾波后得到的+12V電壓供給穩(wěn)壓芯片的；光電耦合6N137要想完全的隔離，必須將輸入與輸出的電源也分開(kāi)（即分開(kāi)供電），否則不能完全隔離，所以要有兩個(gè)+5V穩(wěn)壓電路。為促進(jìn)CAN技術(shù)的發(fā)展，1992年在歐洲成立了CiA。物理上，現(xiàn)行的CAN總線大多使用二線制作為物理傳輸介質(zhì)，使用差分電壓表達(dá)邏輯0和邏輯1。RS232是最早的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，在短距離（15M），較低波特率串行通訊當(dāng)中得到了廣泛應(yīng)用。中繼站就是作為控制臺(tái)與轎廂機(jī)的中轉(zhuǎn)站，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞與交換。然后依次獲取本幀的另外9 Bytes控制字?jǐn)?shù)據(jù)，都符合要求后，送往AMBE1000的解碼器。AMBE1000復(fù)位完成后，單片機(jī)發(fā)送控制幀，設(shè)定AMBE1000的采樣頻率以及幀同步信號(hào)的頻率，使其按照單片機(jī)的要求工作。語(yǔ)音芯片的發(fā)送流程圖如圖317所示。圖315 轎廂機(jī)主程序流程圖 The car engine main program flow chart 轎廂機(jī)無(wú)線通訊子程序的設(shè)計(jì)轎廂機(jī)的無(wú)線模塊采用nRF24L01+模塊，因而無(wú)線通訊的子程序設(shè)計(jì)就是對(duì)nRF24L01+進(jìn)行發(fā)送接收的控制。轎廂機(jī)中還包括按鍵模塊以實(shí)現(xiàn)一些特定功能，所以需要單片機(jī)對(duì)鍵盤(pán)是否按下做檢測(cè)。LM1117也有可調(diào)電壓的版本，～。圖314 電源模塊 power supply module。轎廂機(jī)人員檢測(cè)獨(dú)立按鍵電路如圖313所示。圖311 編碼鍵盤(pán)原理圖 Schematic coding keyboard74LS148是8線3線優(yōu)先編碼器，管腳圖如圖312所示。當(dāng)然要提高聲音音質(zhì)，就必須有更多的語(yǔ)音數(shù)據(jù)位。缺點(diǎn)是解碼器在解碼語(yǔ)音數(shù)據(jù)前需要接收1012幀的數(shù)據(jù)才能達(dá)到與數(shù)據(jù)同步的目的。AMBE1000的格式有幀格式和非幀格式。選擇芯片時(shí)要特別注意信號(hào)與噪聲的比例，以及濾波器的頻率響應(yīng)是否夠快。這種特性可以大大地減輕單片機(jī)的負(fù)荷，也可能使得單片機(jī)在半雙工的低速通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)全雙工的語(yǔ)音通話(huà)。它采用先進(jìn)的 AMBE壓縮算法。當(dāng)處于解壓語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，主控制芯片K60將語(yǔ)音壓縮后的數(shù)據(jù)發(fā)送給語(yǔ)音芯片，語(yǔ)音芯片解壓語(yǔ)音壓縮數(shù)據(jù)，然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器，接下來(lái)將語(yǔ)音的模擬信號(hào)放大，再通過(guò)喇叭播放出去。（3）配置模式在配置模式，15字節(jié)的配置字被送到nRF24L01+，這通過(guò)CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，具體的配置方法請(qǐng)參考本文的器件配置部分。當(dāng)使用nRF24L01+片內(nèi)的CRC技術(shù)時(shí)，要確保在配置字中CRC校驗(yàn)被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF24L01++可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同通道的數(shù)據(jù)。JTAG程序下載端口結(jié)合機(jī)載軟件IAR可實(shí)現(xiàn)程序的單步或同步調(diào)試功能，可以在線仿真同步看變量動(dòng)態(tài)數(shù)值等人性化的功能。K60芯片使用多組電源引腳分別為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、I/O引腳驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器位內(nèi)核和振蕩器等供電。工作人員在乘轎廂下井的過(guò)程中，需要隨時(shí)和地面上的控制臺(tái)保持聯(lián)系，為了確保轎廂正常運(yùn)行和工作人員的人身安全。圖23 轎廂機(jī)系統(tǒng)組成 Subsystems of cable car 中繼站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中繼站作為控制臺(tái)和轎廂機(jī)間的紐帶，用于傳輸控制臺(tái)和轎廂機(jī)的數(shù)據(jù)，主要工作方式是通過(guò)無(wú)線模塊接收轎廂機(jī)的信號(hào)并讀出其中的數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)CAN總線將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制臺(tái)。圖21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖 All system block diagram車(chē)廂與上控制臺(tái)通過(guò)中繼站收發(fā)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行語(yǔ)音通信，轎廂中的工人可以隨時(shí)向地面控制室報(bào)告車(chē)廂的運(yùn)行狀態(tài)并請(qǐng)求相關(guān)指令，控制臺(tái)也可以隨時(shí)詢(xún)問(wèn)各個(gè)車(chē)廂的運(yùn)行狀態(tài)以便做出相應(yīng)的調(diào)整。2 架空人車(chē)通訊監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的設(shè)計(jì)礦山井下架空人車(chē)通訊監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是地面控制室人員對(duì)架空車(chē)廂進(jìn)行實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，架空車(chē)廂內(nèi)的人員可以在意外事故發(fā)生時(shí)按下緊急按鈕，及時(shí)的通知地面控制室采取有效的安全措施，阻止事故的發(fā)生。它可以應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、圖像處理設(shè)備、安全設(shè)備、娛樂(lè)設(shè)備、汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)備、家用電器、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。從提出該技術(shù)至今，藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展極其迅速。：多個(gè)RS232工業(yè)設(shè)備可組成對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)，互相通訊。典型的產(chǎn)品和應(yīng)用為：2004年Honeywell推出的基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線變送器XYR 5000系列；OMRON的無(wú)線鏈接Device Net現(xiàn)場(chǎng)總線主機(jī)WD30ME和從機(jī)WD30SE；德國(guó)schild knecht公司推出的無(wú)線ProfibusDP產(chǎn)品DE 3000系列；ABB在瑞典的Boliden加工廠利用Ember協(xié)議的無(wú)線技術(shù)進(jìn)行的無(wú)線通信評(píng)估試驗(yàn)。3）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納一個(gè)主機(jī)設(shè)備和最多65536個(gè)從機(jī)設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線通訊技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)后工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)全新領(lǐng)域，國(guó)際主流自動(dòng)化供應(yīng)商與專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠商所推出的無(wú)線通訊產(chǎn)品層出不窮，而近幾年來(lái)的工業(yè)重點(diǎn)是無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)與中、短程無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)。 礦山井下無(wú)線通訊技術(shù)概述 無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展歷程遠(yuǎn)距離無(wú)線通信已經(jīng)有一百多年的歷史，可以追溯到1901年馬可尼將電報(bào)信息發(fā)送到一千八百英里外的大西洋彼岸。架空人車(chē)系統(tǒng)的電機(jī)與轎廂實(shí)景圖如圖11所示。1 礦山井下架空人車(chē)及無(wú)線通訊技術(shù)概述 礦山井下架空人車(chē)簡(jiǎn)介礦山井下架空人車(chē)系統(tǒng)，是煤礦井下人員運(yùn)輸設(shè)備，負(fù)責(zé)運(yùn)輸煤礦工作人員上下礦井或遠(yuǎn)距離運(yùn)輸人員使用。為了提高工作效率，減少工人的體力消耗，在礦山井下建設(shè)架空人車(chē)系統(tǒng)是非常重要的?？刂婆_(tái)安裝在地面，配有顯示模塊，通過(guò)CAN總線與中繼站通訊，在與指定轎廂機(jī)語(yǔ)音通話(huà)的同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控其余轎廂的運(yùn)行狀況。本設(shè)計(jì)礦山井下架空人車(chē)通訊監(jiān)控系統(tǒng)主要分為：轎廂機(jī)、中繼站和控制臺(tái)三個(gè)部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,“安全”這個(gè)詞匯已經(jīng)深入人心，人們已經(jīng)對(duì)生活和生產(chǎn)中的安全問(wèn)題加大了重視，生產(chǎn)安全也一度被定為最熱的話(huà)題。架空人車(chē)系統(tǒng)的安全性能遠(yuǎn)高于斜井機(jī)，功率遠(yuǎn)小于斜井機(jī)，對(duì)電能的節(jié)省效果非常明顯，在礦山井下人員運(yùn)輸領(lǐng)域，具有前景非常好的應(yīng)用前景，架空人車(chē)系統(tǒng)也會(huì)給企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。架空人車(chē)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、能夠連續(xù)工作、可多轎廂同時(shí)工作，運(yùn)輸效率更高。而很少有對(duì)轎廂內(nèi)人員進(jìn)行監(jiān)控和語(yǔ)音通信的控制系統(tǒng)。這種基于無(wú)線技術(shù)的新型智能傳感器，使得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)無(wú)線線路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。（1）無(wú)線通訊傳感器網(wǎng)絡(luò)（Sensor Networks）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層無(wú)線通訊技術(shù)迅速進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，其中一個(gè)技術(shù)核心是現(xiàn)場(chǎng)總線和無(wú)線通訊技術(shù)的結(jié)合。為了可靠傳遞，提供全面的握手協(xié)議。無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備使用隔離型信號(hào)轉(zhuǎn)換器，將工業(yè)設(shè)備的RS232串口通訊信號(hào)與無(wú)線局域網(wǎng)及以太網(wǎng)絡(luò)信號(hào)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，符合無(wú)線局域網(wǎng)IEEE ，支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，高效的解決了工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通訊問(wèn)題。：無(wú)線局域網(wǎng)在開(kāi)放空間覆蓋半徑可達(dá)達(dá)550米，室內(nèi)一般覆蓋半徑為300400米，通過(guò)室外無(wú)線設(shè)備傳輸距離可以達(dá)到幾十公里，可是同樣存在著缺點(diǎn)，那就是無(wú)限信號(hào)的穿墻能力弱。國(guó)內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家與研究部門(mén)也準(zhǔn)備開(kāi)始組織藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)。GPRS目前支持TCP/、GPRS空中接口加密、GPRS附加業(yè)務(wù)、增強(qiáng)型短信業(yè)務(wù)、GPRS分組數(shù)據(jù)計(jì)費(fèi)等等，其中最顯著的是TCP/，可以通過(guò)TCP/、WWW瀏覽、專(zhuān)用數(shù)據(jù)、LAN接入等業(yè)務(wù)。中繼站安裝在轎廂運(yùn)行的巷道內(nèi)，將轎廂機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線接收到中繼站，再將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)娇刂婆_(tái)。在這部分中主要分為無(wú)線通訊模塊，語(yǔ)音編解碼模塊，電源模塊以及主控制器。圖25 控制臺(tái)系統(tǒng)組成 Control room system ponents上述為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，下面主要對(duì)轎廂機(jī)，中繼站和控制臺(tái)三部分進(jìn)行介紹。MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)是Freescale半導(dǎo)體公司自主設(shè)計(jì)并制造的32位高性能通用嵌入式微處理器。圖32 主控芯片MK60DN512ZVLQ10 Master chip MK60DN512ZVLQ10雖然MK60DN512ZVLQ10將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路芯片中，但仍然需要一些匹配的外部電路。本設(shè)計(jì)無(wú)線通訊模塊采用nRF24L01+模塊。ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個(gè)部分：（1）數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。nRF24L01+無(wú)線模塊的模式介紹：（1）直接收發(fā)模式在直接收發(fā)模式下，nRF24L01+如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。關(guān)機(jī)模式下，配置字的內(nèi)容也會(huì)被保持在nRF24L01+片內(nèi)，這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。在芯片內(nèi)部有相互獨(dú)立的語(yǔ)音編碼/解碼單元，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)編碼與解碼，并且所有的編碼/解碼操作都能在AMBE1000內(nèi)部完成，不需要額外的存儲(chǔ)器。同理，解碼器接收數(shù)據(jù)并合成語(yǔ)音數(shù)據(jù)。CSP1027S芯片有回聲抵消、VAD（語(yǔ)音激活檢測(cè)）、睡眠模式、數(shù)據(jù)/前向糾錯(cuò)速率等功能，這些功能由外圍管腳或輸入到解碼器的命令幀數(shù)來(lái)決定，并且送往解碼器用于控制的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音數(shù)據(jù)是不同的?；镜男诺澜涌谟写锌诤筒⑿锌?，有兩種工作模式，主動(dòng)模式和被動(dòng)模式，模式選擇的信號(hào)可以在芯片內(nèi)部進(jìn)行設(shè)定也可以通過(guò)外部電平輸入。在幀格式下，系統(tǒng)需要在傳送編碼數(shù)據(jù)的同時(shí)傳送足夠的信息，這些信息可以使解碼器解壓縮語(yǔ)音數(shù)據(jù)。壓縮數(shù)據(jù)由兩部分組成：語(yǔ)音數(shù)據(jù)和前向糾錯(cuò)數(shù)據(jù)。圖310 語(yǔ)音處理模塊 Voice processing module 轎廂機(jī)鍵盤(pán)電路相對(duì)普通的矩陣鍵盤(pán)，由硬件進(jìn)行譯碼是編碼鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)，減輕了CPU的負(fù)荷，軟件簡(jiǎn)單，但是電路相對(duì)普通矩陣鍵盤(pán)要復(fù)雜一些。此時(shí)數(shù)據(jù)口的電平為0b01110100,由單片機(jī)進(jìn)行讀值，進(jìn)而判斷是哪一個(gè)按鍵被按下。由于本設(shè)計(jì)需要提供兩種穩(wěn)定的電壓為轎廂機(jī)系統(tǒng)提供電能，所以本設(shè)計(jì)需要輸出兩路穩(wěn)定電壓。最主要的是LM2576在一般情況下不需要或只要很小的尺寸的外加散熱片，這個(gè)特征大大的簡(jiǎn)化了開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，所以在電源設(shè)計(jì)這部分，選擇了LM2576系列輸出為+5V的穩(wěn)壓器。之所以在LM1117的輸出端加了電容是用來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。當(dāng)CPU接收到無(wú)線模塊數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生中斷信號(hào)，CPU在中斷服務(wù)函數(shù)中判斷是否接受來(lái)自控制臺(tái)的通話(huà)。A/DD/A芯片的選擇要慎重，最好要選16 bit的器件。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，因?yàn)槭褂糜布M(jìn)行語(yǔ)音壓縮，不需要在單片機(jī)中執(zhí)行壓縮算法，單片機(jī)的主要功能就是控制和判斷。在本設(shè)計(jì)中，MCU采用中斷服務(wù)程序來(lái)進(jìn)行串行通信，當(dāng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到信號(hào)后，執(zhí)行34Bytes的數(shù)據(jù)傳輸功能。本設(shè)計(jì)的周期定時(shí)器每5s產(chǎn)生一次中斷，每次中斷子程序執(zhí)行時(shí)間僅2ms，在接收端有Flash存儲(chǔ)，不會(huì)使語(yǔ)音信號(hào)失真。 中繼站CAN總線模塊電路本設(shè)計(jì)主要通過(guò)CAN總線與控制臺(tái)進(jìn)行通訊，物理層的CAN總線是通過(guò)PCA82C250芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體電路接法如圖42所示，在PCA82C250芯片與單片機(jī)之間接入6N137光耦隔離芯片，主要是將數(shù)字信號(hào)與電路進(jìn)行隔離，以免產(chǎn)生干擾，減少誤碼率。實(shí)際上大多數(shù)使用雙絞線，利用差分法進(jìn)行信號(hào)表達(dá)，它是一