基于STM32的矿用直流载波电话设计.docx
随着电子技术和通讯技术的不断进步,各种通讯理论和手段不断更新。 尤其是通讯领域,3G 无线通讯经被广泛应用。 有线通讯技术逐步淡出历史舞台。 但在煤矿井下由于条件限制和出于安全考虑, 无法使用大功率基站实施无线语音通讯1 。 鉴于此,有线通讯因其可靠性高而被广泛采用。为了充分利用现有供电线路、节约资源,煤矿井下常采用载波通讯2-6 。 目前国内煤矿井下语音通讯多采用 127 V 交流载波电话,该产品存在不能拨号、体积笨重、通话质量差等缺点,且在停电等极端情况下不能实现通讯。本直流载波可拨号电话,采用 12 V 蓄电池供电,特别适用于井下供电故障时的应急通话;采用低压直流载波技术,全部电路设计可达到矿用本安电收稿日期:2014-08-12修改日期:2014-09-14气标准,因而体积小、轻便;采用 32 位单片机 CAN 总线技术传输拨号盘数字信息以实现拨号功能;将多频道音频传输技术和 CAN 总线通讯技术应用到矿用可拨号全双工直流载波电话中,增强了产品的实用性和可靠性,功能和档次得以提升。1 直流载波电话方案矿用直流载波电话实现通话功能硬件结构包括咪头及 LM386 放大电路、LM567 音频信号调制电路、一对耦合变压器、LM567 音频信号解调电路、扬声器及其 LM386 放大电路、蓄电池及其充电电路、12 V 直流供电线路。 如图 1 所示。咪头产生的音频信号经 LM386 放大,由 LM567调制电路调制成高频信号,经耦合变压器耦合至直第 4 期吴克祥:基于 STM32 的矿用直流载波电话设计959应为 25 mV 以上、200 mV 以下。 LM386 芯片内建增益为 20,通过 1 脚和 8 脚间电容的搭配,增益最高可达 200。 本电路放大倍数为 20,二极管 D4 和 D5 用于限制放大后音频信号的幅值,使之与 LM567 电路相匹配。图 1 实现通话功能的硬件结构方框图流 12 V 主供电线路,该线路提供 12 V 本安电源给各个载波电话,其布线距离为通话距离,通常为 200 m 2 000 m 间距布置一个载波电话。 当呼叫某部电话时,该电话收到主供电线路传来的高频信号,经该电话内耦合变压器传至 LM567 解调电路,解调电路将解调出的音频信号传至 LM386 放大电路放大, 再由扬声器输出,从而实现语音通话。拨号功能由 STM32 单片机及其 CAN 总线传输实现7-8 。 所拨号码由拨号开关阵列输入单片机, 单片机再将号码信息经 CAN 总线传输至各部电话中的 STM32 单片机,该单片机将从 CAN 总线上收到的号码信息与本机号码比较,若相同,则实现振铃 及语音信号输出,否则,不予理会。2 直流载波电话主要电路设计该直流载波电话主要由咪头及其 LM386 放大电路、LM567 调制/ 解调电路、扬声器及其 LM386 放大电路、STM32 拨号及其 CAN 总线传输电路组成。2.1 咪头及其 LM386 放大电路咪头产生的音频信号需要经过放大、滤波处理 以后才能传给 LM567 调制电路, 其电路如图 2 所示。 对于调制解调电路来讲,理想的输入信号电压图 2 咪头及其 LM386 放大电路2.2 LM567 调制/ 解调电路LM567 调制/ 解调电路如图 3 所示。 经放大和滤波的音频信号,由 3 脚接入 LM567,其 5 脚和 6 脚之间的电阻 R11、6 脚与 GND 之间的电容 C8 决定了内部压控振荡器的中心频率 fo ,且 fo 1 / 1.1RC。 因 R11 = 5.6 k,C8 = 1 000 pF,故本电路调制信号的中心频率约为 150 kHz。 调制信号由 8 脚输出,再由耦合变压器耦合到直流 12 V 主供电线路,传至各个载波电话的耦合变压器上。 由于通话方式是单工的,传至耦合变压器的高频信号经二极管 D1 和 D2 限幅后接入 LM567 的 3 脚,再由其 2 脚输出解调信号。图 3 LM567 调制/ 解调电路9602.3 扬声器及其 LM386 放大电路电 子 器 件第 38 卷3 结束语扬声器及其 LM386 放大电路如图 4 所示。 解调后的音频信号经滤波后进入 LM386 的 3 脚。 由于煤矿井下环境噪声较大,故在LM386 的 1 脚和 8 脚之间配置的电容 C20为 10 F,因而本电路放大倍数为 200倍。 放大后的音频信号由 LM386 的 5 脚输出,经光耦传至 10 W 8 的扩音扬声器输出。 光耦受到STM32 单片机的控制,若本机被呼叫则光耦导通。图 4 扬声器及其 LM386 放大电路2.4STM 单片机及其相关电路4×4STM 单片机及其相关电路如图 5 所示。 拨号由的键盘实现,也可以做成增减按钮外加两位数码管实现。 通讯线路上所有电话的 CANH 和 CANL 分别相连,也可以理解为与直流 12 V 主供电线路平行设置两根通讯线,所有电话 CANH 和 CANL 分别相连到这两根通讯线上。 实质上,本电路上还可设置一些控制功能按钮,通过 CAN 总线远距离启停连接于其他通话终端的电气设备,以扩展本载波电话的功能。 STM 单片机内软件主要由 CAN 总线初始化、CAN 总线收发中断、拨号键盘扫描以及呼叫响应等程序构成。 每部电话可由软件或外部硬件设定其号码,若本机被呼叫,则开启光耦开关,先由扬声器播放振铃音,再单工传输音频。 若所拨号码特殊, 比如“0”,则启动广播功能,由呼叫电话喊话,其余线上电话均能听到广播。图 5 STM 单片机及其相关电路设计了一种可拨号直流载波电话,提出了音频 信号的传输方案,并设计了拨号信息的传输模式,限 于篇幅,可拨号直流载波电话的直流充电电路没有赘述。 原理图设计完成后,开发了 PCB 图并委托深圳创立电子有限公司加工电路板,最终研制出了基于 STM32 的矿用直流载波电话。直流载波电话的调试工作在淮南矿业集团潘北矿实施,在井下每隔 2 000 m 布置一个电话终端,共设 8 只,绵延十几公里。 每部电话均能对其他 7 部电话自由呼叫,也能沿线群呼,在近采掘工作面采煤机械大噪声环境下可实现正常通话,实测电话扬声 器输出音量大于 85 dB。本直流载波电话为煤矿井下语音通讯提供了一种新的选择,且为非正常断电时提供了一种应急通话方案。 另外,本直流载波电话通过 CAN 总线传输拨号信息的方案可拓展用于远距离启停连接于其他 通话终端的电气设备。参考文献:1 周学华,吴君. Mesh 技术在矿井无线通信系统中的应用研究 J. 矿山机械,2010(22):67-69.2 付扬,姜美玲. 基于 GPRS 和低压电力线载波通信的智能远程抄表系统的设计 J. 工矿自动化,2009(6):125-128.3 宗伟林,毛江,高洋. 基于电力载波的综掘工作面监测系统设计 J. 工矿自动化,2013(7):82-84.4 朱晓芳,杨立东, 李艳慧. 电牵引采煤机 PLC 载波电控系统 J. 工矿自动化,2009(5):95-96.5 刘润花,王春生,侯巨林,等. 井下电力线载波自动抄表系统原理及其应用 J. 工矿自动化,2007(2):39-40.6 杜建华,张认成. 基于低压电力载波通信的温度采集系统 J.仪表技术与传感器,2007(5):31-34.7 丁红斌,秦会斌,孙顺远. 基于 STM32 的虚拟示波器的设计与实现 J. 电子器件,2009(6):1007-1010.8 苏晨,刘敬彪,章雪挺. CAN 总线在海洋数据监控系统中的设计与实现 J. 电子器件,2011(3):269-272.
