鄒德東，吳 晶

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.撫順市技術(shù)創(chuàng)新研究院，遼寧 撫順 113006）

隨著煤礦井下智能化程度越來越高，智能化設(shè)備也越來越多。這些系統(tǒng)雖然功能各不相同，但是傳輸平臺基本相同，對信息發(fā)布有著同樣的需求。然而目前井下各類信息發(fā)布系統(tǒng)，功能單一，各自為戰(zhàn)，為煤礦井下統(tǒng)一管理及智能化的提升帶來了一定的困難。煤礦井下的主要系統(tǒng)有監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)等[1]。監(jiān)控系統(tǒng)信息只能通過分站自身顯示屏顯示；人員定位信息會以點陣屏的形式顯示，但是沒有音頻報警功能；應(yīng)急廣播系統(tǒng)雖然可以播放音頻信息，但沒有文本發(fā)布功能。此外，目前大多煤礦仍沒有一套功能合理，性能可靠的逃生引導(dǎo)信息指示系統(tǒng)。針對上述問題，設(shè)計出一種既能顯示文字、又能播放聲音的智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端，智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端同時具有多系統(tǒng)聯(lián)動及逃生線路引導(dǎo)指示功能。

1 智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端整體設(shè)計方案

煤礦井下信息內(nèi)容包括文本通知內(nèi)容、引導(dǎo)警示圖形、通知報警聲音等。智能發(fā)布方式包括地面主動發(fā)布、地面定時發(fā)布、井下終端固定發(fā)布、井下各系統(tǒng)聯(lián)動發(fā)布[2]。信息發(fā)布形式包括屏幕顯示及語音播報。設(shè)計的智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端，采用LED 顯示屏作為文本及圖形顯示；采用網(wǎng)絡(luò)音頻模塊結(jié)合功放電路完成語音播報；采用集成串口服務(wù)器實現(xiàn)井下各系統(tǒng)聯(lián)動發(fā)布。智能終端具體包括通信模塊、主控模塊、網(wǎng)絡(luò)音頻模塊、文本朗讀模塊、點陣顯示模塊及功放模塊單元。智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端功能圖如圖1。

圖1 智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端功能圖Fig.1 Function diagram of intelligent information guidance and release terminal

智能終端具備播放上位機(jī)音頻流媒體播放功能。內(nèi)部主控模塊設(shè)置1 片單片機(jī)進(jìn)行整機(jī)工作流程協(xié)調(diào)。通電后首先初始化各個模塊狀態(tài)并播放、顯示預(yù)置信息，然后等待系統(tǒng)聯(lián)動發(fā)布命令及通信模塊命令，收到命令之后，對命令進(jìn)行解析，處理完畢后，返回重新等待接收。命令共3 條：①停止發(fā)布命令：關(guān)閉信息發(fā)布然后重新等待接收；②點陣顯示命令：驅(qū)動點陣顯示模塊進(jìn)行信息顯示；③語音播報命令：停止上位機(jī)音頻流媒體播放并同時驅(qū)動文本朗讀模塊進(jìn)行音頻播放。

2 智能終端功能

結(jié)合煤礦現(xiàn)場對智能終端的性能要求進(jìn)行設(shè)計，智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端電路原理圖如圖2。

1）主控模塊。主控模塊是整個智能終端的核心,負(fù)責(zé)與各個功能模塊共5 個UART 端口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互解析并根據(jù)解析結(jié)果進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。U4為CPU 芯片，采用STC15W4K32S4，供電電源為DC3.3 V，通過P1 端口進(jìn)行程序下載。STC15W4K32S4 芯片擁有4 個UART 接口，無法滿足5 個UART 端口的連接。通過對各模塊功能性質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，文本朗讀模塊及點陣顯示模塊端口方向相同，均為接收，因此這2 個模塊可以共用1 組UART 端口，只需通過協(xié)議命令進(jìn)行區(qū)分即可。如圖2，UART1 的復(fù)用管腳P3.6、P3.7 連接通信模塊，接收外部的命令和數(shù)據(jù)；UART3 管腳P0.0、P0.1 連接網(wǎng)絡(luò)音頻模塊串口服務(wù)器端口，接收網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備發(fā)送的聯(lián)動命令和數(shù)據(jù)；UART4 的管腳P0.2、P0.3 連接網(wǎng)絡(luò)音頻模塊配置端口，控制流媒體播放停止；UART2 的管腳P1.0、P1.1 分別連接文本朗讀模塊和點陣顯示模塊，發(fā)送朗讀文本及顯示數(shù)據(jù)。

圖2 智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端電路原理圖Fig.2 Circuit schematic diagram of intelligent information guidance and release terminal

2）通信模塊。通信模塊用于接收外部命令及數(shù)據(jù)，并傳輸給主控模塊。為提高智能終端的兼容性，采用在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的RS485 總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[3]。U6為增強(qiáng)型嵌入式隔離RS485 收發(fā)器RSM3485ECHT。該收發(fā)器采用單一DC3.3 V 電源供電，內(nèi)部隔離，隔離電壓高達(dá)2 500 V?？偩€最多可連接256 個節(jié)點。為提高抗電磁干擾能力，引入了由限流電阻、共模電感、磁珠、TVS 管和放電管構(gòu)成的信號端抗電磁干擾電路[4]，提高終端的抗干擾能力。其中，R1、R2吸收干擾能量，D1、D2抑制浪涌沖擊；L1、L2、L3抑制脈沖群干擾。

3）網(wǎng)絡(luò)音頻模塊。網(wǎng)絡(luò)音頻模塊負(fù)責(zé)將上位機(jī)下發(fā)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字音頻流解析并轉(zhuǎn)換成模擬語音信號[5]。U7為網(wǎng)絡(luò)音頻模塊，型號為SV-2101TP。該模塊支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和音頻編解碼協(xié)議，可用于VoIP 和IP 尋呼以及高質(zhì)量音樂流媒體播放等應(yīng)用。SV-2101TP 采用DC12 V 供電，同時提供RJ45網(wǎng)絡(luò)接口、模擬音頻信號輸出接口、UART 配置端口以及串口服務(wù)器UART 透明傳輸接口，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器兼容TCP、UDP 協(xié)議。RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口連接外部網(wǎng)絡(luò)信號，完成網(wǎng)絡(luò)音頻流媒體接收及網(wǎng)絡(luò)透明傳輸數(shù)據(jù)交互。當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)音頻流媒體信號后，通過解碼芯片將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號，通過模擬音頻輸出接口輸出至功放電路；當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)透明傳輸數(shù)據(jù)時，通過內(nèi)部集成串口服務(wù)器轉(zhuǎn)換成TTL 信號[6]，由串口服務(wù)器接口發(fā)送給主控模塊CPU。配置端口負(fù)責(zé)接收主控模塊CPU 的配置命令控制流媒體播放停止，避免與多系統(tǒng)聯(lián)動信息發(fā)布造成沖突，提高多系統(tǒng)聯(lián)動信息發(fā)布的優(yōu)先級。此功能可以實現(xiàn)多系統(tǒng)在脫離上位機(jī)的情況下進(jìn)行聯(lián)動，提高聯(lián)動效率及可靠性。

4）文本朗讀模塊。文本朗讀模塊負(fù)責(zé)將主控模塊發(fā)送的文本信息進(jìn)行解碼[7]，轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號。U8為文本朗讀模塊主芯片SYN6288，SSOP28L封裝，供電電源為DC3.3 V，通過UART 接口與主控模塊通信。該芯片支持GB2312、GBK、BIG5 格式的文本，可合成任意中文英文組合，具有智能文本分析，可正確識別不同格式的文本符號，芯片接收到主控模塊CPU 命令數(shù)據(jù)以后根據(jù)實際場景進(jìn)行智能音頻合成，最后形成模擬音頻信號輸出給功放模塊，最終實現(xiàn)朗讀文本的功能。

5）點陣顯示模塊。點陣顯示模塊用于將主控模塊發(fā)送的文本內(nèi)容、符號或圖案通過LED 點陣顯示出來[8]，供電電源為DC5 V，通過UART 接口與主控模塊進(jìn)行顯示信息交互。顯示屏采用128×32 的LED 點陣顯示，可以顯示16 個標(biāo)準(zhǔn)漢字或32 個字母或數(shù)字。采用1 片STC15W4K32S4 作為核心處理器，64 片74HC595 作 為 行 陽 極 驅(qū) 動 芯 片，1 片74HC238 作為行陰極驅(qū)動芯片，結(jié)合8 個N 溝道場效應(yīng)管作為動態(tài)掃描開關(guān)完成顯示驅(qū)動[9]。

6）功放模塊。功放模塊將網(wǎng)絡(luò)音頻模塊及文本朗讀模塊傳輸?shù)哪M音頻信號，經(jīng)過功率放大，驅(qū)動揚聲器發(fā)出聲音。通過2 對電容C12～C15，對2 路音頻信號進(jìn)行輸入耦合，實現(xiàn)音源0 延時切換。U9為功放芯片，采用CS8623E，屬D 類功放，DC12 V 供電，效率高達(dá)92%，峰值功率可達(dá)30 W，完全滿足信息發(fā)布的需要。可根據(jù)應(yīng)用場景的不同，通過主控模塊控制管腳2、管腳3 的狀態(tài)調(diào)整輸出功率。在不需要播放音頻的情況下，通過控制管腳SD 使芯片處于休眠狀態(tài)，可有效降低設(shè)備功耗。

3 智能終端設(shè)計要點

3.1 終端供電

供電電路的可靠性決定了設(shè)備工作的穩(wěn)定性。其設(shè)計依據(jù)主要是智能終端內(nèi)部各個功能模塊的額定工作電壓及最大工作電流。

由功能設(shè)計可知各模塊供電電壓分別為：網(wǎng)絡(luò)音頻模塊12 V、功放模塊12 V、主控模塊3.3 V、通信模塊3.3 V、文本朗讀模塊3.3 V、點陣顯示模塊5 V。所以智能終端電源部分需要設(shè)計3 個電壓等級，分別為12、5、3.3 V。經(jīng)過測試，各模塊最大工作電流分別為：網(wǎng)絡(luò)音頻模塊150 mA、功放模塊620 mA、主控模塊45 mA、通信模塊95 mA、文本朗讀模塊35 mA、點陣顯示模塊860 mA?？梢姡?2、5 V 負(fù)載對電源功率要求較高，3.3 V 負(fù)載對電源性能要求較高。因此，采用開關(guān)電源降壓電路分別產(chǎn)生12 V 和5 V，再由5 V 電源通過線性降壓電路產(chǎn)生3.3 V，既能有效提高供電效率又可以提高關(guān)鍵負(fù)載的電源性能[10]。

計算可知12 V 電源最大工作電流為網(wǎng)絡(luò)音頻模塊與功放模塊最大工作電流之和770 mA；3.3 V電源最大工作電流為主控模塊、通信模塊、文本朗讀模塊最大工作電流之和175 mA；5 V 電源最大工作電流為點陣顯示模塊與3.3 V 電源最大工作電流之和為1 035 mA。為穩(wěn)定可靠工作，考慮預(yù)留20%以上的余量，12 V 電源設(shè)計電流為1 000 mA，5 V 電源設(shè)計電流為2 000 mA，3.3 V 電源設(shè)計電流為300 mA。智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端供電框圖如圖3。

圖3 智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端供電框圖Fig.3 Power supply block diagram of intelligent information guidance and release terminal

圖2 原理中U3型號為K7812-1000R3，提供12 V 電源輸出；U2型號為K7805-2000R3，提供5 V 電源輸出；U1型號為LM1117-3.3，提供3.3 V 電源輸出。C2～C6為各級電源濾波電容。

3.2 點陣顯示方式及掃描時間

點陣顯示方式分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示優(yōu)點是無閃爍，缺點是功耗大；動態(tài)掃描顯示優(yōu)點是功耗低，缺點是易產(chǎn)生閃爍。動態(tài)顯示是基于人眼的“余暉效應(yīng)”將有時間關(guān)聯(lián)的不連續(xù)的圖案形成連續(xù)圖形或動畫。人眼的“余暉效應(yīng)”平均時間為100 ms，只要動態(tài)顯示周期不大于這個時間，就能實現(xiàn)顯示效果，同時又能有效降低功耗。因此，采用動態(tài)顯示的方式。

設(shè)計將整個屏幕連續(xù)分為4 頁，每頁8 行，顯示過程采用單次驅(qū)動512 只發(fā)光二極管，分4 次循環(huán)驅(qū)動的方式完成。74HC595 是移位寄存器芯片，移位脈沖頻率高達(dá)25 MHz，并且支持級聯(lián)、三態(tài)輸出及鎖存功能。通過級聯(lián)的方式一次性寫入512 位的數(shù)據(jù)，然后使能TTL 輸出，完成1 次行陽極驅(qū)動。74HC238 是三－八譯碼器芯片，通過CPU 控制數(shù)據(jù)口線A，B，C 的狀態(tài)可以實現(xiàn)8 位譯碼輸出，某一時刻只有1 條輸出口線為高電平，通過驅(qū)動N 溝道長腰硬管使發(fā)光二極管的陰極與電源地導(dǎo)通，完成1次行陰極驅(qū)動。另外為了防止在行間切換的時候產(chǎn)生閃爍，可以通過控制管腳OE1 實現(xiàn)所有行均關(guān)閉，可有效防止行間的交叉顯示形成重影現(xiàn)象[11]。

為保證定時精度，避免顯示閃爍，設(shè)計采用定時器中斷的方式進(jìn)行動態(tài)掃描顯示。試驗證明，為了保證人眼觀看舒適度，動態(tài)掃描1 個循環(huán)的最大時間不能超過16 ms。由于顯示過程分4 次進(jìn)行，所以定時器的定時周期設(shè)為4 ms。

4 結(jié) 語

在充分了解煤礦井下信息發(fā)布需求的情況下，結(jié)合了礦用設(shè)備的特點，設(shè)計了一種具有應(yīng)急聯(lián)動功能的智能信息引導(dǎo)發(fā)布終端。采用通用的485 總線傳輸并增加了抗電磁干擾電路，提高了設(shè)備使用的兼容性及可靠性；利用集成網(wǎng)絡(luò)串口服務(wù)器的透明傳輸功能，在節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源的同時實現(xiàn)了井下設(shè)備間最短距離、最快速度的應(yīng)急聯(lián)動功能；選用D類功放芯片，比傳統(tǒng)AB 類功放提高了電源效率、提升了音質(zhì)；設(shè)計了128×32 的點陣顯示電路，通過合理硬件電路設(shè)計及軟件驅(qū)動方式，使其功耗相比同類產(chǎn)品有了大幅度的降低，為智能終端實現(xiàn)單路本安電源供電創(chuàng)造了可能性。設(shè)計產(chǎn)品已經(jīng)配接廣播通信系統(tǒng)成功應(yīng)用，得到現(xiàn)場用戶一致好評，完全滿足煤礦用戶對信息發(fā)布的要求。