針對煤礦井下聲光報警設備存在語音和聲光報警形式單一，不具備遠程通信功能，只能小范圍報警，不能滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造要求的分級報警要求，設計了 1 款新型的礦用本質(zhì)安全型語音聲光報警器。該報警器主要采用音頻文件播放方式實現(xiàn)語音分類報警; 采用紅、綠、黃 3 色高亮 LED 閃光形式實現(xiàn)分級報警。在煤礦井下實際使用中，可通過 ＲS-485 總線接口，與安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)動，當井下安全環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)工況參數(shù)等超限時，及時有效地進行了分類和分級聲光報警，可提醒井下人員撤離至安全區(qū)域，保障了礦井安全生產(chǎn)。

 

礦用本安型聲光語音報警器的設計的硬件設計采用 AＲM 嵌入式技術設計，集語音處理、模擬閃光控制、音頻文件管理、外部電平觸發(fā)、數(shù)據(jù)通信于一體，實現(xiàn)集成度高、成本低、可靠性高、操作方便的語音聲光報警。

礦用本安型聲光語音報警器的設計

1． 1 AＲM 處理器系統(tǒng)

語音聲光報警器采用 LPC1768 微控制器，使用高性能的 32 位 AＲM Cortex-M3 內(nèi)核，最高工作速度為 100MHz，擁有 512 kB 閃存和 64 kB SＲAM，串行外設有 USB2． 0 全速器件/主機/OTG 控制器、4 個 UAＲT、SPI 控制器等，模擬外設有 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、10 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及豐富的 I/O 資源。使用微控制器內(nèi)高度集成的這些外設資源進行硬件接口設計，包括 2 路開關量輸入、1 路 ＲS-485 總線接口、 1 路 USB 接口、紅外遙控接收器、模擬音頻信號輸出和高亮 LED 燈陣列控制，以及擴展串行 Flash 存儲器。

1． 2 光報警

采用紅、綠雙色高亮 LED 燈組成 5 個燈條陳列，置于半透明圓柱形燈罩內(nèi)，經(jīng)過燈罩內(nèi)壁菱紋的折射，可均勻發(fā)出紅、綠、黃( 紅綠合成) 3 種顏色的光，實現(xiàn) 360°可視范圍閃光報警的視覺效果。光報警原理實現(xiàn)如圖 2 所示，每個燈條有 8 個 LED 燈，借助 8 位串入并出移位寄存器 74LV595 進行控制。把每個燈條的 74LV595 芯片級聯(lián)起來，通過微控制器的 I/O 口模擬串行總線，定時把編碼數(shù)據(jù)移位輸出和鎖存顯示，報警器就呈現(xiàn)出閃爍、旋轉(zhuǎn)、跳越等多種閃光類型。

 

1． 3 ＲS-485 總線

通過 LPC1768 控制器的一路 UAＲT，連接 ＲS485 總線驅(qū)動器 SN65LBC184，掛接到上級 ＲS-485 總線，可構(gòu)成遠程控制報警系統(tǒng)。其 ＲS-485 電路采用了電氣隔離和接口保護設計，提高了通信接口抗干擾性。電氣原理框圖如圖 3 所示，其中電氣隔離是通過 DC-DC 將系統(tǒng)電源和 SN65LBC184 收發(fā)器的電源隔離，通過光耦將信號隔離。接口保護通過氣體放電管和瞬態(tài)電壓抑制二級管構(gòu)成前后級浪涌電壓防護，以及信號線上串聯(lián)共模扼流圈，可有效減小高頻共模噪聲［2］。

 

2 MP3 語音文件播放設計

利用 LPC1768 微控制器 MCU 創(chuàng)建 1 個單一、成本低、單芯片的 MP3 播放器，實現(xiàn)語音報警功能。語音文件播放原理如圖 4 所示，主要把報警器當作 U 盤，使 用 PC 機 拷 入 MP3 文 件，存 儲 在 AT45DB321D 閃存芯片中。采用 Fatfs 文件系統(tǒng)，從存儲芯片中讀入 MP3 數(shù)據(jù)給 Libmad 解碼，最后通過 LPC1768 的 DAC 轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。

2． 1 Libmad 音頻解碼庫

MAD( libmad) 是 1 個開源的高質(zhì)量 MPEG 音頻解碼庫，其全稱是MPEG Audio Decoder。Libmad支持 MPEG-1、低采樣率的 MPE2-2 和 MPEG2． 5 格式的 LayerⅠ、LayerⅡ、LayerⅢ( 即 MP3) 的解碼。libmad 提供 24-bit/s 的 PCM 輸出，完全定點計算，非常適合在沒有浮點支持的嵌入式硬件平臺上使用［3］。

通過嵌入式 FatFS 文件系統(tǒng) API 函數(shù)打開 MP3 文件，把音頻文件流讀入給 Libmad 解碼核心，Libmad 解碼出來的數(shù)據(jù)為 24bit 的 PCM 數(shù)據(jù)，通過舍入裁剪，將 24bit 高分辨率樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到 10bit 格式，然后推入 FIFO 緩沖區(qū)。中斷服務程序周期性地從軟件 FIFO 緩沖區(qū)中讀取音頻原樣本信號，送入 LPC2368 的 DAC，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后通過音頻功率放大器驅(qū)動喇叭進行聲音播放。

2． 2 文件存儲與訪問

報警器設計有 USB 接口，把報警器模擬成 1 個 U 盤，可以添加刪除音頻文件，方便用戶自編報警內(nèi)容時，操作簡單易用。USB 設備端口采用 LPC1768 芯片自帶的 USB 設備端口，完全符合 USB V2． 0 全速 器 件 規(guī) 范。存 儲 設 備 采 用 SPI 總 線 接 口 的 AT45DB321D 閃存芯片。整個文件存儲與訪問軟件設計如圖 5 所示。

 

USB 大容量存儲設備類規(guī)范包括 4 個獨立的子類規(guī)范，這 4 個子類規(guī)范分別是批量單獨輸送 ( Bulk- Only) 、控制/批量/中斷輸送( CBI) 、UFI 命令規(guī)范和 ATA 命令塊［4］。設計使用其中的 1 種塊存儲 Bulk-Only 協(xié)議。USB 設備( 報警器) 通過響應主機的標準設備請求，使主機能識別到。主機得到 USB 設備的描述符后，即完成了設備的配置，識別出 Bulk-Only 的 Mass Storage 設備，然后會進入 BulkOnly 傳輸方式。在此方式下，設備與主機通過 USB 端點按 Bulk-Only 模式響應 UFI( SCSI 命令子集) 中的指令，以扇區(qū)為單位讀寫 Flash 存儲芯片。由于存儲芯片只有 4M byte 存儲空量，F(xiàn)lash 芯片的存儲單元組織形式采用 FAT16 文件系統(tǒng)，以減小 FAT 表占用存儲空間。通過 Windows 進行格式化，并負責對 FAT16 文件系統(tǒng)的管理。

Flash 存儲芯片上已有了 FAT16 文件系統(tǒng)，以及拷入的 MP3 音頻文件。通過移植的嵌入式 FatFS 文件系統(tǒng)，調(diào)用 FatFs 提供給用戶的一系列應用接口函數(shù)，如 f_open、f_read、f_write、f_close、f_unlink 等，就可以像在 PC 上讀/寫文件那樣簡單。FatFS 主要需要 1 個存儲媒介讀/寫接口 DiskIO 。DiskIO 接口是由 LPC1768 微控制器通過 SPI 總線操 作 AT45DB321D 芯片，實現(xiàn)磁盤驅(qū)動器的初始化、狀態(tài)和控制參數(shù)獲取、讀/寫 1 個扇區(qū)等。