CN107734401B - 基于二阶低通滤波器的多协议通讯板及多协议通讯系统 - Google Patents

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Abstract

基于二阶低通滤波器的多协议通讯板及多协议通讯系统。本发明公开了一种多协议通讯板，包括中央处理器单元、显示单元、键盘输入单元、音频处理单元、通讯单元、接口单元；能够方便的实现一点对多点的实时语音对讲（即一个水平面说话，所有水平面都能够听到），并且本通讯板可以与信号系统的数据共用工业以太网的物理链路。语音数据的传输采用数字编码，抗干扰能力强，音质好，无附加线缆铺设费用，理论上不受通讯距离的限制，抗干扰能力强，语音质量高，是现有语音通话系统的理想升级方案。还公开了一种多协议通讯系统，实现了皮带/猴车沿线的急停开关功能与语音通话功能可在本装置内合二为一的功能。一机多用，方便灵活。

Description

基于二阶低通滤波器的多协议通讯板及多协议通讯系统
技术领域
本发明属于集成电路通讯领域，具体涉及一种基于二阶低通滤波器的多协议通讯板及多协议通讯系统。
背景技术
在矿用提升机信号系统中。提升机信号系统由在各中段水平面的信号箱组成，信号箱之间的垂直间距一般在100-150米之间，中段水平面的数量可高达10个以上，而首尾信号箱之间的距离最远可达1000米。各水平面之间需要交换大量的模拟量与数字量信号来保证提升机安全、有序地运行。现有的提升机信号系统一般通过RS-485总线或者工业以太网的方式来实现各水平中段之间打点信息和运行数据的交换。然而，各水平面之间的工作人员经常会需要通过语音对讲的方式来协调提升机的工作。标准的串行通讯方式可以满足数字量和少量模拟量数据传输的要求，却不能够满足语音数据交换的要求。
备用语音通讯功能对于矿井的安全生产是非常重要的，现有的方案一般通过安装数字式程控电话或者大功率功放电路的方式来解决。数字式程控电话需要布设单独的通讯电缆，不能与提升机信号系统共享同一物理通讯链路，并且需要拨号才能开始语音对讲，无法实现一对多的广播式对讲。此方案建造成本高，操作复杂，不适应在矿井环境中的使用要求。基于功率放大器的方式传输的信号是模拟量信号，容易受到矿井中复杂电磁环境的干扰，并且通话质量随着距离和水平中段数的增加而降低，也存在着很大的局限性。
在矿用皮带机或者猴车的沿线急停。国家安全标准要求在皮带机与猴车沿线每隔100米设置一个紧急停车开关，在紧急情况下，任何人都可以通过拉拽钢丝绳的方式使设备停机，以保障井下工作人员的生命安全。现有的解决方案通过微动开关触点串联的方式将沿线所有拉停开关的状态经由一个数字量点接入到控制系统中。沿线有任何一个急停开关动作，检测回路就变为开路状态，控制系统由此判断系统存在紧急状况，从而控制驱动装置刹车停机。但是此解决方案无法区分沿线拉停开关的动作位置。换而言之，系统无法知道沿线十几甚至几十个拉停开关中哪个动作了，从而对故障的排查带来很大的难度。检修人员需要巡检所有的沿线拉停开关来确定故障点，检修时间长，效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于二阶低通滤波器的多协议通讯板，解决了现有技术中矿用提升机语音通讯容易受干扰、不稳定的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种多协议通讯板，包括中央处理器单元、显示单元、键盘输入单元、音频处理单元、通讯单元、接口单元；其中，
通讯单元包括以太网通讯模块、CAN总线通讯模块以及RS-485通讯模块；
接口单元包括以太网接口、CAN总线接口、音频接口、光耦隔离数字量接口，SD存储卡接口，LED显示接口；以太网接口、CAN总线接口均用于传输中央处理器单元与外部设备之间的数据，音频接口用于收发外部音频信息；
键盘输入单元用于设置通讯板的MAC地址、工作模式及通讯板数量；
音频处理单元用于处理音频数据包并将处理后的数据发送至中央处理单元；
显示单元用于显示多协议通讯板的工作状态和报警信息；
中央处理单元用于对接收的数据进行处理并传输。
音频处理单元包括语音采样模块、数据处理模块、数字滤波器；语音采样模块对接收的音频信息进行采样，并通过数字滤波器滤波，然后将滤波后的数字信号发送至中央处理单元，中央处理单元将接收到的数字信号压缩为数据包发送至以太网接口模块，所述数字滤波器为二阶低通滤波器。
二阶低通滤波器用于滤除麦克风电路输出信号中的高频谐波分量，根据如下公式获取滤波后的音频信号：
Figure GDA0001496315700000021
其中，Y(z)为滤波后的音频数字信号；H(z)为传递函数；X(z)为滤波前的音频数字信号；b(1)为1；b(2)·为0；b(3)为-1；a(2)为-0.417；a(3)为-0.523；z-1代表采样延时。其中b(1)、b(2)、b(3)与a(2)、a(3)均为滤波常数。
该滤波器滤除语音输入信号中高于奈奎斯特频率的频率分量。
键盘输入单元包括两个8位拨码开关，其中，一个用于设定多协议通讯板的串行工作模式，另一个用于设定多协议通讯板的数量及每个多协议通讯板的IP地址。
显示单元包括数码管和LED指示灯，数码管显示多协议通讯板的故障状态及站号，LED指示灯显示数字量传输状态和电源的状态。
多协议通讯板的数字信号与外部接口之间设置光耦隔离元件。
为了进一步解决现有技术中矿用提升机沿线急停不能够准确定位、容易误操作的问题，还提供一种多协议通讯系统，为解决该问题，采用如下技术方案：
一种多协议通讯系统，包括多个多协议通讯板以及与每个多协议通讯板连接的急停按钮，多协议通讯板之间、多协议通讯板和外部控制器之间均通过工业以太网或标准CAN总线进行信号传输。
急停按钮与多协议通讯板上的中央处理器单元通过光耦隔离模块连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、能够方便的实现一点对多点的实时语音对讲(即一个水平面说话，所有水平面都能够听到)，并且本通讯板可以与信号系统的数据共用工业以太网的物理链路。语音数据的传输采用数字编码，抗干扰能力强，音质好，无附加线缆铺设费用，理论上不受通讯距离的限制，抗干扰能力强，语音质量高，是现有语音通话系统的理想升级方案。
2、应用于备用语音通讯系统中时，无需另外架设通讯线路，帮助用户降低建设成本。
3、通过工业以太网或者标准CAN总线通讯的方式，所有急停开关的状态(包括急停开关的位置)都能通过一路电缆/光缆传送到了控制系统中。如果有人触动沿线拉停开关的话，系统维护人员就能非常清楚地获知故障点的数量和位置，从而为快速排除故障，恢复设备的正常运行提供了坚实的基础。
4、具有系统健康自诊断功能，确保设备在关键时刻的可靠性。
5、如果井下部有通信光缆或者以太网网络的话，皮带/猴车沿线的急停开关功能与语音通话功能可在本装置内合二为一。即本装连接到矿山井下集控系统后，既可以实现急停事故的精准定位，又可以实现沿线的广播与语音对讲功能，可以兼作广播通讯卡，从而大大减少了设备的数量和基建成本，一机多用，方便灵活。
6、可以作为通用的远距离信号采集子站使用，适应性广，在一个板面上集成了Ethernet、CAN、Modus RTU、VoIP、Digital IO等多重通讯协议可供灵活选择。
附图说明
图1为本发明多协议通讯板的硬件模块组成简图。
图2为本发明多协议通讯板CANBUS的通讯电路图。
图3为本发明音频信号滤波特性波形图。
图4为本发明多协议通讯系统的软件控制流程图。
图5为本发明多协议通讯系统CANBUS通讯协议数据格式定义图。
图6为本发明多协议通讯系统以太网通讯报文数据格式定义图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。
本文所述的CAN是CANBUS的简写形式，两个代表同一个含义。
如图1所示，一种多协议通讯板，包括中央处理器单元、显示单元、键盘输入单元、音频处理单元、通讯单元、接口单元；其中，
通讯单元包括以太网通讯模块、CAN总线通讯模块以及RS-485通讯模块；
CAN总线通讯模块的电路图如图2所示，通讯接口通过专用高性能CAN收发芯片(TJA1051)实现。外部CAN总线电源与通讯板工作电源实现完全隔离，保证了通讯板在强电磁干扰环境下的可靠性。与中央处理器单元直接连接的收发脉冲信号与CAN收发芯片之间也采用光耦实现了完全电气隔离，任何外部强电磁脉冲都无法对板载敏感电气元件造成损伤，从而使得本发明的适用范围更广。为增强远距离通讯的抗干扰能力，总线终端电阻可方便地通过端子跳线的方式接入系统。
接口单元包括以太网接口、CAN总线接口、音频接口、光耦隔离数字量接口，SD存储卡接口，LED显示接口；以太网接口、CAN总线接口均用于传输中央处理器单元与外部设备之间的数据，音频接口用于收发外部音频信息；
键盘输入单元用于设置通讯板的MAC地址、工作模式及通讯板数量；键盘输入单元包括两个8位拨码开关，其中，一个用于设定多协议通讯板的串行工作模式，另一个用于设定多协议通讯板的数量及每个多协议通讯板的IP地址。
音频接口包括音频输入接口、音频输出接口，音频输入接口用于连接外部音频采集设备，将外部音频设备的模拟量传输至语音采样模块；音频输出接口用于将模拟量音频信号输出至外部音频功放设备；音频采样模块对音频输入模拟量进行采样并传输至中央处理器；
音频处理单元用于处理音频数据包并将处理后的数据发送至中央处理单元；
显示单元用于显示多协议通讯板的工作状态和报警信息；显示单元包括数码管和LED指示灯，数码管显示多协议通讯板的故障状态及站号，LED指示灯显示数字量传输状态和电源的状态。
中央处理单元用于对接收的数据进行处理并传输。
CPU的工作参考频率使用外引12MHz高精度晶振，在CPU内部经过锁相环滤波后进行4倍频处理。CPU的实际工作频率为48MHz，能完全满足处理大量通讯数据和进行人机交互的需求。CPU的大多数引脚既可以定义为通用IO使用，也可以激活其预制的数据交互模式，使得系统的配置非常灵活。本系统CPU也预留的一定数量的备用引脚，为将来的系统升级奠定了很好的基础。
RS-485总线通讯采用系统内外完成隔离的设计来保证抗干扰能力与电磁兼容性。通讯模块与CPU之间的接口采用高速光耦进行隔离，保证任何外部暂态过电压引起的冲击都不会对CPU的工作造成影响。包括总线的工作电源采用高性能恒压芯片进行内外隔离的方式。板载CPU与其它内部回路均使用内部稳压电源输出供电，与外部系统连接的总线回路使用专门的隔离电源(ISO-5V/ISO-G)工作。从信号与电源两个方面确保了系统内外电路的完全隔离，改善了系统的抗干扰能力。
音频处理单元包括语音采样模块、数据处理模块、数字滤波器；语音采样模块对接收的音频信息进行采样，并通过数字滤波器滤波，然后将滤波后的数字信号发送至中央处理单元，中央处理单元将接收到的数字信号压缩为数据包发送至以太网接口模块，所述数字滤波器为二阶低通滤波器。
二阶低通滤波器用于滤除麦克风电路输出信号中的高频谐波分量，根据如下公式获取滤波后的音频信号：
Figure GDA0001496315700000051
其中，Y(z)为滤波后的音频数字信号；H(z)为传递函数；X(z)为滤波前的音频数字信号；b(1)为1；b(2)·为0；b(3)为-1；a(2)为-0.417；a(3)为-0.523；z-1代表采样延时。其中b(1)、b(2)、b(3)与a(2)、a(3)均为滤波常数。
该滤波器滤除语音输入信号中高于奈奎斯特频率的频率分量。
该音频信号滤波特性波形图如图3所示，采用此滤波器的意义在于剔除麦克风电路输出信号中的高频谐波分量，保留有效的语音信息。依据Claude Shannon所提出的采样定理，如果输入信号所含最高频率小于采样频率的二分之一，那么离散的采样点能够完全重构原信号。本语音通讯系统设计采用的采样频率为8kHz，即每秒进行8000次A/D转换。基于此数模转换频率的设计，语音输入信号中高于奈奎斯特频率(4kHz)的频率分量会导致混叠，从而影响语音对讲的质量。因此，非常有必要对高频噪声分量进行抑制，以确保只有在有效采样频率内的信号才会被发送到接收端。此数字电路滤波器实现简单，与模拟电路滤波器相比具有稳定性强、精度高、无电压与温度漂移等优势，完全满足了语音通信采样预处理的要求。
多协议通讯板的数字信号与外部接口之间设置光耦隔离元件。
由于需要处理的信息量非常大，传统的串行处理模式已经无法适应控制和通讯速率的要求，因而本发明采用了先进的多线程并行处理模式。对于电路健康状态的检测在背景线程中执行，不会影响高速线程的性能。IO输入量的检测、CAN通讯数据的处理，以太网通讯数据的处理，语音数据的读取与播放以及Modbus数据的交换等都在独立的线程中完成。各线程拥有固定分配的CPU资源，保证了每个子模块处理的速率。主要的线程由硬件看门狗监控，完全避免在出现意外情况时系统进入死循环的情况。
一种多协议通讯系统，包括多个多协议通讯板以及与每个多协议通讯板连接的急停按钮，多协议通讯板之间、多协议通讯板和外部控制器之间均通过工业以太网或标准CAN总线进行信号传输。
该系统采用多线程处理数据，数据处理流程如图4所示，中央处理器共计有6个并行线程以各自独立的周期循环运行。这六个线程分别负责以下功能：系统运行状态自检、按钮及数字量输入检测、通讯板之间的以太网或CAN总线通讯数据的收发、从板载SD卡读取音频数据并播放、同第三方现场总线设备进行Modbus数据交换、人机界面状态输出。所有的线程均配置有预设的CPU资源，任意线程的使用率都不会对其它线程的执行效率造成影响，并且系统的循环时间由硬件看门狗(Watchdog)进行监测，确保不会由于程序意外进入死循环而影响系统的正常工作。
依据现场应用的特点，本发明专利同时支持基于TCP/IP的以太网通讯与基于CANBUS网络的总线通讯，但这两种通讯方式在任何时候只允许有一种处于激活状态。
CPU通过采样SW A1拨码开关的状态来确定哪种通讯协议处于有效状态。当SW A1处于ON状态时，TCP/IP通讯有效；当SW A1处于OFF状态时，CANBUS通讯处于激活状态。
CANBUS通信模式的工作模式及工作原理如下：
本发明装置支持四种不同的CANBUS通信波特率，分别为250Kbps、125Kbps、100Kbps与50Kbps。CANBUS通讯接口的通讯波特率由拨码开关SW A2与SW A3确定。拨码开关位置与CANBUS通讯波特率的对应关系如表1所示。
表1
组合 SW A2 SW A3 CAN通讯波特率
1 0 0 50Kbps
2 0 1 100Kbps
3 1 0 125Kbps
4 1 1 250Kbps
本发明装置既可运行在CANBUS/以太网主站(Master)模式，又可以运行在子站(Slave)模式下。主站负责接受所有从站发送的8路数字量采样信号，其数据既可来源于CANBUS总线，也可以来源于以太网。运行模式的切换由拨码开关SW A4确定。当SW A4处于ON状态时，系统运行在主站模式下；当SW A4处于OFF状态时，系统运行在从站模式下。
SW A1-SW A8分别对应一个拨码开关的一个位。
基于TCP/IP与CANBUS总线通讯只有一种能处于激活状态的设计理念，这两种通讯协议的地址统一由8个拨码开关(SW B1-SW B8)设定。
IP地址的长度为32位，分为4段，每段8位，可表示为0-255的十进制数。本发明的IP地址前三段固定为192、168与50，最后一段参数可设，即设备的IP地址为：192.168.50.XXX。第四段地址由拨码开关SW B1-SW B8确定，其中SW B1的状态代表8位二进制数的最高位(MSB)，SW B8的状态代表8位二进制数的最低位(LSB)。表2举例说明拨码开关状态与设备IP地址之间的对应关系。
表2
组合 SW B1 SW B2 SW B3 SW B4 SW B5 SW B6 SW B7 SW B8 设备IP地址
1 0 0 0 0 0 0 0 0 192.168.50.0
2 0 0 0 0 0 0 0 1 192.168.50.1
3 . . . . . . . .
4 . . . . . . . .
5 . . . . . . . .
6 0 0 0 1 1 0 0 1 192.168.50.25
7 . . . . . . . .
8 . . . . . . . .
9 . . . . . . . .
10 1 1 1 1 1 0 0 1 192.168.50.249
11 1 1 1 1 1 1 1 1 192.168.50.255
当CANBUS总线通讯处于激活状态时，CAN通信站号也由拨码开关SW B1-SW B8确定，拨码开关位置与CAN通讯地址的对应关系与以太网IP地址的匹配方式相同，即SW B1的状态代表8位二进制数的最高位(MSB)，SW B8的状态代表8位二进制数的最低位(LSB)。CAN通讯地址的范围为0-255(十进制)，其中，CAN通讯主站地址必须为1。
本发明装置CAN通讯采用标准的CAN2.0协议规范,其通讯帧数据定义如图5所示，起始帧(SOF)总是为显性(0)，11位的辨识位用来存储站号信息。每个CAN子站(Slave)都发送8位数据(1Byte)，故而4位数据长度区域的值固定为0X0001。硬件电路采样的八路数字量信号对应地映射到CAN通讯帧的数据区。其中，第八路数字量输入(SIG_IN8)映射到数据区的第一位，第七路数字量输入(SIG_IN7)映射到数据区的第二位，其它数字量输入信号的映射以此类推。换而言之，每个CAN子站都周期性地将八路数字量输入信号发送到CAN主站(Master)。CAN主站接受所有连接在总线上子站所发出的数字量信号，并将收到的数据保存在CPU公用数据库内。
TCP/IP的以太网通讯的工作模式及工作原理如下：
本发明装置备用语音通讯采用标准的以太网报文格式，如图6所示，以太网报文的前导码(Preamble)为7个字节长的交替0和1。通讯的目标MAC地址(Destination MAC)前40位固定为：01-3F-A9-55-97，从而确保了以太网报文的多播(Multicast)特性，最后8位可设，即设备的目标MAC地址为：01-3F-A9-55-97-XX。
Destination MAC地址的最后一段由拨码开关SW B1-SW B8确定，映射匹配与IP地址的设置方式相同。
通讯的源MAC地址(Source MAC)前24位固定为：00-3F-A9-55-97，最后8位可设，即设备的目标MAC地址为：00-3F-A9-55-97-XX。
Source MAC地址的最后一段由拨码开关SW B1-SW B8确定，映射匹配与IP地址的设置方式相同。
以太网报文的类型(EtherType)固定为0X892A，作为本发明通讯系统发送报文的辨识符。
本装置每4ms发送一帧以太网报文，即每秒发送250个报文。音频输入采样使用12位的高精度A/D转换芯片，每秒采样8000次(8kHz)。依此计算，每秒钟产生的数据为12BitsX8000＝96000Bits，因此每个报文需要发送96000/250＝384Bits＝48Bytes的音频数据信息。音频数据在报文内的排布依据先入先出(FIFO)的原则，最高位(MSB)先进入缓存区，其它低位数据再依次进入。
除了音频信息外，每个子站(Slave)每隔4ms都在以太网报文中发送8位数字量数据(1Byte)。硬件电路采样的八路数字量信号对应地映射到以太网通讯帧的数据区，紧随音频数据。其中，第八路数字量输入(SIG_IN8)首先进入缓存区，第七路数字量输入(SIG_IN7)映射到缓存区的后一位，其它数字量输入信号的映射以此类推。换而言之，每个子站都周期性地将八路数字量输入信号发送到主站(Master)。主站接受所有局域网内同一网段子站所发出的所有数字量信号，并将收到的数据保存在CPU公用数据库内。
本发明具有完整的Modbus子站功能，支持两种最常用的Modbus功能代码，即功能码03H(读取保持寄存器)与功能码10H(预置多寄存器)。
急停按钮与多协议通讯板上的中央处理器单元通过光耦隔离模块连接。

Claims (7)

1.一种多协议通讯系统，其特征在于：包括多个多协议通讯板以及与每个多协议通讯板连接的急停按钮，多协议通讯板之间、多协议通讯板和外部控制器之间均通过工业以太网或标准CAN总线进行信号传输，所述多协议通讯板包括中央处理器单元、显示单元、键盘输入单元、音频处理单元、通讯单元、接口单元；其中，
通讯单元包括以太网通讯模块、CAN总线通讯模块以及RS-485通讯模块；
接口单元包括以太网接口、CAN总线接口、音频接口、光耦隔离数字量接口，SD存储卡接口，LED显示接口；以太网接口、CAN总线接口均用于传输中央处理器单元与外部设备之间的数据，音频接口用于收发外部音频信息；
键盘输入单元用于设置通讯板的MAC地址、工作模式及通讯板数量；
音频处理单元用于处理音频数据包并将处理后的数据发送至中央处理单元；所述音频处理单元包括语音采样模块、数据处理模块、数字滤波器；语音采样模块对接收的音频信息进行采样，并通过数字滤波器滤波，然后将滤波后的数字信号发送至中央处理单元，中央处理单元将接收到的数字信号压缩为数据包发送至以太网接口模块，所述数字滤波器为二阶低通滤波器；
显示单元用于显示多协议通讯板的工作状态和报警信息；
中央处理单元用于对接收的数据进行处理并传输。
2.根据权利要求1所述的多协议通讯系统，其特征在于：二阶低通滤波器用于滤除麦克风电路输出信号中的高频谐波分量，根据如下公式获取滤波后的音频信号：
Figure FDA0003022051170000011
其中，Y(z)为滤波后的音频数字信号；H(z)为传递函数；X(z)为滤波前的音频数字信号；b(1)为1；b(2)为0；b(3)为-1；a(2)为-0.417；a(3)为-0.523；z-1代表采样延时；其中b(1)、b(2)、b(3)与a(2)、a(3)均为滤波常数。
3.根据权利要求1所述的多协议通讯系统，其特征在于：该滤波器滤除语音输入信号中高于奈奎斯特频率的频率分量。
4.根据权利要求1所述的多协议通讯系统，其特征在于：键盘输入单元包括两个8位拨码开关，其中，一个用于设定多协议通讯板的串行工作模式，另一个用于设定多协议通讯板的数量及每个多协议通讯板的IP地址。
5.根据权利要求1所述的多协议通讯系统，其特征在于：显示单元包括数码管和LED指示灯，数码管显示多协议通讯板的故障状态及站号，LED指示灯显示数字量传输状态和电源的状态。
6.根据权利要求1所述的多协议通讯系统，其特征在于：多协议通讯板的数字信号与外部接口之间设置光耦隔离元件。
7.根据权利要求1所述的多协议通讯系统，其特征在于：急停按钮与多协议通讯板上的中央处理器单元通过光耦隔离模块连接。
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