CN207995113U - 一种矿用语音广播终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种矿用语音广播终端，包括交换机、微控制器、音频编解码模块和音频功率放大模块；交换机能够通过IP网络与广播服务器相通信；微控制器与交换机相连接；音频编解码模块为MAX9860型音频编解码器；音频编解码模块通过I2C接口与微控制器连接；音频放大器的工作模式控制端CTR与微控制器的输出口相连接；音频放大器的信号输出正端VOP与扬声器相连接；音频放大器的信号输出负端VON与扬声器相连接。本实用新型具有语音质量高、并且能消除背景噪音引起的各种回音和啸叫的优点。

Description

一种矿用语音广播终端

技术领域

本实用新型涉及一种音频功率放大模块，具体是一种矿用语音广播终端，属于测控技术领域。

背景技术

长期以来，我国井下的有线通信方式均采用调度电话的方式进行，最早的矿用广播也是在电话的基础上发展起来的，通常称为扩播电话，即是在电话线路上改装一个扬声器，使主控制室的语音通过电话网络传输到井下各电话机上，再经过接在该电话上的扬声器进行广播。但扩播电话因其落后的技术原理，有着无法克服的缺点：扩播电话是电话机供电，无法像地面公共广播一样长时间进行音乐播放；其次扩播电话呈单线型，即无法在同一线路上播放不同语音，不利于分组广播。到2010年，国内煤矿行业研发机构开始研发IP广播在井下应用的各种技术，矿用井下语音广播终端的研发便是这其中的关键技术之一。

但是现有矿用广播终端设计方案大多参照地面公共广播系统的相关技术，没有考虑到系统在煤矿井下应用的特殊情况。例如，广播播放过程中偶尔出现语音效果粗糙、卡滞、掉字等现象。再如，由于井下环境的特殊性，井下广播出现的各种回音、啸叫等噪音，具体的，当没有语音广播时由于背景噪音等输入被逐级放大后在音频功率放大模块的音频输入端仍出现微弱信号，因此与音频放大模块相连接的喇叭发出滋滋声噪音，从硬件设计方面讨探原因可以发现：这一现象是由于音频功率放大模块的音频输入端无信号或者信号较弱的情况下，音频功率放大模块内的音频功率放大器件没有停止工作导致的。

综上，一种适用于煤矿井下特殊环境，具有稳定的通讯联络功能、高质量语音通话效果的矿用广播系统已经成为一个迫切需要解决的问题

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种语音质量高、并且能消除背景噪音引起的各种回音和啸叫的矿用语音广播终端。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种矿用语音广播终端，其特征在于：包括交换机、微控制器、音频编解码模块和音频功率放大模块；

所述交换机能够通过IP网络与广播服务器相通信；

所述微控制器与交换机相连接；

所述音频编解码模块为MAX9860型音频编解码器；所述音频编解码模块通过I2C接口与微控制器连接；

所述音频功率放大模块包括音频放大器、运算放大器和定时器；所述音频放大器为NS4158型数字音频功率放大芯片；所述音频放大器具有信号输入端IN、信号输出正端VOP、信号输出负端VON和工作模式控制端CTR；

所述音频编解码模块的解码信号输出端与所述音频放大器的信号输入端 IN相连接；

所述运算放大器的负输入端与第一静音门限调节电阻R1的一端相连接，第一静音门限调节电阻R1的另一端与电源VCC相连接；运算放大器的负输入端与第二静音门限调节电阻R2的一端相连接，第二静音门限调节电阻R2 的另一端接地；所述音频放大器信号输入端IN与运算放大器的正输入端相连接；

定时器的高电平触发端TH与定时器的低电平触发端TR连接在一起，连接电节点记为电节点A；电节点A与运算放大器的输出端相连接；

所述定时器的输出端VO与微控制器的输入口相连接；

所述音频放大器的工作模式控制端CTR与微控制器的输出口相连接；音频放大器的信号输出正端VOP与扬声器相连接；音频放大器的信号输出负端 VON与扬声器相连接。

进一步的，所述微控制器为LM3S8962型微控制器。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：

本实用新型所选用的音频编解码器MAX9860是低功耗、单声道音频编解码器，适用于移动电话、便携式导航设备、智能电话和VoIP电话等领域。音频编解码器MAX9860内部具有16位的ADC和DAC，由于ADC和DA C数据位数较高，并且无论工作在同步或异步方式，ADC和DAC均可支持8kHz 至48kHz的采样速率，因此声音还原精度好，高保真度高，并且无咔嗒声操作，这使得本实用新型广播终端具有较高语音质量。此外音频编解码器

本实用新型的音频功率放大模块中，运算放大器的正输入端电压大于比较器模块的比较参考电位时，运算放大器输出高电平，当运算放大器的正输入端电压小于比较器模块的比较参考电位时，运算放大器输出低电平，运算放大器输出的信号经过定时器构成的波形整形器处理为规则方波后发送给音频放大器的工作模式控制端，音频放大器的工作模式控制端接收到高电平时音频放大器处于正常放大工作状态；当音频放大器的工作模式控制端接收到低电平音频放大器处于停机状态。当没有正常的语音广播时(音频放大器的信号输入端信号电压小或者没有输入信号)音频放大器不工作，因此喇叭不会发声当然也不会再出现滋滋声等干扰噪声。综上，本实用新型具有能在无正常语音广播时关闭音频功率放大模块，避免干扰噪声出现的优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，一种矿用语音广播终端，包括交换机、微控制器、音频编解码模块、音频功率放大模块。

一、交换机

交换机用于与矿井广播服务器通信；广播服务器发送的MP3格式的音频数字信号通过IP网络传输至设置在井下的本实用新型，从交换机的光口或者 RJ45接口进入交换机，交换机将音频数字信号传递给微控制器。

二、微控制器

微控制器采用ARM公司提供的LM3S8962型微控制器，该微控制器为 32位微控制器，具有功耗低、速度快、封装尺寸小，适用于小型化设备的优点。

三、音频编解码模块

音频编解码模块为MAX9860型音频编解码器。音频编解码器MAX9860 是单声道音频编解码器，适用于移动电话、便携式导航设备、智能电话和VoIP 电话等领域。音频编解码器MAX9860内部具有16位的ADC和DAC，由于 ADC和DA C数据位数较高，并且无论工作在同步或异步方式，ADC和DAC 均可支持8kHz至48kHz的采样速率，因此声音还原精度好，高保真度高，并且无咔嗒声操作。

MAX9860在1.8V单电源供电时能够向32Ω听筒输出30mW的功率，器件的超低功耗使其成为电池供电设备的理想选择。MAX9860灵活的时钟电路采用10MHz至60MHz的公共系统时钟频率，省去了外部PLL和多个晶体振荡器。

MAX9860具有两路差分麦克风输入，因此本实用新型还可实现对讲功能。

MAX9860具有I2C数据通信接口，因此微控制器通过2线的I2C接口与音频编解码器MAX9860进行连接，系统电路结构简单，软件编程难度小。器件的模式设定、音量控制以及关断等可通过2线、I2C兼容接口进行编程设置。

相关电路连接关系是：音频编解码模块通过I2C接口与微控制器连接。

四、音频功率放大模块

音频功率放大模块包括音频放大器、运算放大器和定时器三大核心器件。

音频放大器是实现音频功率放大的核心器件，选用NS4158型数字音频功率放大芯片，NS4158是一款带放失真功能、超低EMI、无需滤波器的单声道数字音频功放。独特的防失真功能可以通过检测输出信号的失真动态调整系统增益，不仅防止过载输出对喇叭的损坏，同时带来舒适的听觉感受。NS4158 输出无需滤波器的PWM调制结构及反馈电阻内置方式，减少了外部原件、 PCB面积和系统成本。NS4158共8个引脚：工作模式控制端(1脚)、旁路电容连接端(2脚)、空脚(3脚)、信号输入端(4脚)、输出负端(5脚)、电源输入端(6脚)、电源地(7脚)和输出正端(8脚)。NS4158支持使用脉冲信号通过其工作模式控制端控制芯片进入不同的工作模式：当工作模式控制端管脚上出现低电平，并且保持100us以上，芯片进入关机模式；当工作模式控制端管脚上出现第一个上升沿时音频放大器工作在普通模式，当第二个上升沿出现时工作在仿失真模式。因而可以通过向作模式控制端发送特点的边沿或者电平信号来控制其工作状态。

运算放大器为常用器件，型号较多，本实用新型采用常规选择即可。

定时器采用555定时器，555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及波形整形器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的管脚情况如下：

1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端TR。 3脚：输出端Vo。4脚：是直接清零端，当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01uF电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端TH。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型路VCC的范围是4.5～16V， CMOS型电路VCC的范围为3～18V。

具体电路结构如下：

由运算放大器构成一个比较器电路。运算放大器的负输入端与第一静音门限调节电阻R1的一端相连接，第一静音门限调节电阻R1的另一端与电源 VCC相连接；运算放大器的负输入端与第二静音门限调节电阻R2的一端相连接，第二静音门限调节电阻R2的另一端接地。

定时器在本实用新型中构成一个波形整形器。定时器的高电平触发端TH 与定时器的低电平触发端TR连接在一起并与运算放大器的输出端相连接；

定时器的输出端VO与微控制器的输入口相连接；

音频放大器的工作模式控制端CTR与微控制器的输出口相连接；音频放大器的信号输出正端VOP与扬声器相连接；音频放大器的信号输出负端VON 与扬声器相连接。

音频放大器是本实用新型实现音频放大的核心器件。音频放大器的信号输入端与上级模块(通常是音频解码电路)的输出相连接，并且还与与运算放大器的正输入端相连接。

具体工作原理如下：

运算放大器的负输入端即是比较器电路的参考电位输入端，

第一静音门限调节电阻R1和第二静音门限调节电阻R2之间的比值就决定了比较器模块的比较参考电位大小，通过合理设置上述两电阻的阻值比便可以有效设置参考电位；当运算放大器正输入端电压(也是音频放大器的信号输入端信号电压)大于比较器模块的比较参考电位时，比较器(运算放大器)输出高电平，当运算放大器正输入端电压小于比较器模块的比较参考电位时，比较器(运算放大器)输出低电平，但运算放大器输出的信号并非规则的方波信号，因此需要整形处理：运算放大器输出的信号经过定时器构成的波形整形器处理为规则方波后发送给微控制器。

微控制器接收到高电平时说明此时有正常的语音广播信号，此时微控制器通过其输出口向音频放大器的工作模式控制端发送一个或者两个上升沿使其工作在普通工作模式或者防失真工作模式。当微控制器接收到低电平时，说明此时没有正常的语音广播信号，此时微控制器通过其输出口向音频放大器的工作模式控制端发送一个低电平，并且低电平保持100us以上，芯片进入关机模式。

综上，核心控制过程在于：当音频放大器的工作模式控制端接收到低电平，音频放大器处于停机状态(也即是当没有正常的语音广播，此时音频放大器的信号输入端信号电压小或者没有输入信号时)，由于音频放大器不工作因此喇叭不会发声当然也不会再出现滋滋声等干扰噪声。

由于定时器构成的波形整形器的具体波形整形过程为本领域技术人员公知常识，并且并非本实用新型新型解决其技术问题的关键，因此这里不再赘述。

五、本实用新型数据信号处理整体过程

广播服务器发送的MP3格式的音频数字信号通过IP网络传输至设置在井下的本实用新型，从交换机的光口或者RJ45接口进入交换机，交换机将音频数字信号传递给微控制器，微控制器通过I2C接口将音频数字信号传递给音频编解码模块，音频编解码模块内部的DAC将音频数字信号转换为模拟信号，该模拟信号自解码信号输出端发送给音频功率放大模块进行处理，音频功率放大模块的信号处理与控制过程如前所述；音频功率放大模块放大处理后的模拟信号加载在扬声器上实现语音广播。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方。案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种矿用语音广播终端，其特征在于：包括交换机、微控制器、音频编解码模块和音频功率放大模块；

所述交换机能够通过IP网络与广播服务器相通信；

所述微控制器与交换机相连接；

所述音频编解码模块为MAX9860型音频编解码器；所述音频编解码模块通过I2C接口与微控制器连接；

所述音频功率放大模块包括音频放大器、运算放大器和定时器；所述音频放大器为NS4158型数字音频功率放大芯片；所述音频放大器具有信号输入端IN、信号输出正端VOP、信号输出负端VON和工作模式控制端CTR；

所述音频编解码模块的解码信号输出端与所述音频放大器的信号输入端IN相连接；

所述运算放大器的负输入端与第一静音门限调节电阻R1的一端相连接，第一静音门限调节电阻R1的另一端与电源VCC相连接；运算放大器的负输入端与第二静音门限调节电阻R2的一端相连接，第二静音门限调节电阻R2的另一端接地；所述音频放大器信号输入端IN与运算放大器的正输入端相连接；

定时器的高电平触发端TH与定时器的低电平触发端TR连接在一起，连接电节点记为电节点A；电节点A与运算放大器的输出端相连接；

所述定时器的输出端VO与微控制器的输入口相连接；

所述音频放大器的工作模式控制端CTR与微控制器的输出口相连接；音频放大器的信号输出正端VOP与扬声器相连接；音频放大器的信号输出负端VON与扬声器相连接。

2.根据权利要求1所述的一种矿用语音广播终端，其特征在于，所述微控制器为LM3S8962型微控制器。