具備對講功能的礦用廣播終端系統設計

摘要：本文針對現有廣播終端存在的不足，設計了一種既能支持實時廣播、點對點對講，還能實現本地和在線高品質音樂播放的廣播終端。該廣播終端采用集成高性能DSP的模擬電話適配器KSZ8342作為核心部件，利用MP3編解碼芯片、音頻功放設備、本地SD存儲卡，實現實時廣播、本地和在線音樂播放功能;另外，利用用戶線接口電路芯片、外掛話柄、撥號鍵盤和顯示屏實現點對點對講功能。

關鍵詞：礦用廣播;音頻功放;用戶線接口電路;模擬電話適配器

引言

礦用廣播系統是煤礦進行生產指揮調度、安全避險和應急救援的重要工具。廣播系統應具備播放通知、音樂、對講等多種功能。現有礦用廣播終端大多數功能單一，只支持單向廣播，或支持對講但功能不完善，不支持本地和在線高品質音樂播放的功能。

本文根據現有廣播終端存在的缺點，設計了一種支持實時廣播、本地和在線高品質音樂播放、支持點對點對講的廣播終端。

1 礦用廣播終端的設計方案

礦用廣播終端的主要功能是將廣播通信服務器下發的音頻數據或本地音頻數據通過揚聲器對外播放;同時支持外掛話柄，實現各個終端之問的點對點通信。

廣播通信服務器通過光纖將音頻數據傳輸到廣播終端。廣播終端采用光電轉換將音頻數據傳輸給模擬電話適配器KSZ8342進行處理。KSZ8 342將處理完畢后的音頻數據通過并口數據線傳輸到MCU—STM32F103，再通過SPI總線傳輸到音頻解碼芯片VS1003B進行處理，最后通過音頻放大器驅動喇叭播放在線音樂或語音。

如需要播放本地音樂，廣播通信服務器會下發相應的控制命令，廣播終端通過STM32F103讀取本地SD存儲卡中的音樂，利用VS1003B解碼后通過功放驅動喇叭播放本地音樂。

廣播終端采用類似電話撥號的方式來實現點對點對講功能。廣播終端外掛電話話柄，當話柄摘機并撥號后，STM32F103將獲取到的號碼上傳到KSZ8342，然后通過光纖上傳到服務器進行處理。本地用戶的語音數據通過用戶線接口電路(SLIC)芯片SI32260進行PCM編碼并通過光纖傳輸到目的廣播終端上，同時將對方用戶的語音數據進行PCM解碼后通過話柄聽筒還原，從而實現點對點對講功能。

廣播終端的原理框圖如圖1所示。

2 礦用廣播終端硬件設計

礦用廣播終端硬件主要包括模擬電話適配器電路、微控制器單元、音頻放大器和用戶線接口電路等。

2.1 模擬電話適配器電路

KSZ8342是一個高度集成的模擬電話適配器，內部集成了一個MIPS32 RISC CPU、一個ZSP、標準編解碼器、語音優化器，并支持兩路PCM和以太網接口。

KSZ8342采用RISC CPU和DSP構成的嵌入式多處理器體系結構，通過ZSP400 DSP處理器，提供PCM、G729語音編解碼算法，以提供卓越的語音質量。

2.2 微控制器單元

廣播終端采用STM32F103芯片微控制器，主要是用于擴展KSZ8342的GPIO口，以支持多種外部設備的接入。STM32F103采用8位并口數據線和3位控制數據線與KSZ8342進行數據交換。KSZ8342結構框圖如圖2所示。

STM32F103外接SD存儲卡，用于存儲本地音樂;外接音頻解碼芯片VS1003B，用于播放高品質的MP3音樂;外接顯示屏、撥號鍵盤、摘機檢測等外設，用于實現點對點對講功能;外接RS485通信接口，用于井下無光網絡環境時的通信。

2.3 音頻放大器

本廣播終端中的音頻放大器是其重要組成部分。音頻放大器需要有較大的功率輸出，滿足井下巷道200 m以上的聲強要求。同時本廣播終端采用本安電源供電，供電電流峰值電流受限，因此需選用效率高、電流小的D類功放。

選用PAM8403型D類芯片作為音頻放大器，該音頻放大器具有低EMI調制方式，可以省去傳統D類放大器輸出低通濾波器，同時能提供3 W的立體聲輸出(4Ω、THD+N=1%)，效率高達90%。礦用廣播終端音頻放大器電路如圖3所示。

在揚聲器輸出端需增加TVS管限制輸出電壓。

2.4 用戶線接口電路

SI32260是一款雙通道ProSLIC芯片，支持兩路電話接入。該芯片采用3.3 V供電，具備標準的SPI接口、靜態功耗低(小于0.1 W)、尺寸小(8 mm×8 mm)。

在SI32260的一路電話接口上集成了一個簡單電話機電路，再通過外接話柄、撥號鍵盤、顯示屏和摘機檢測來實現點對點功能。礦用廣播終端用戶線接口電路如圖4所示。

3 廣播終端結構

廣播終端尺寸為390 mm×270 mm×160 mm，外形結構如圖5所示。

礦用廣播終端上左右各放置一個喇叭，分別與功放左右聲道相連。外面板上放置一個話柄、一個撥號鍵盤以及一個顯示屏，用于實現點對點對講。8個防水喇叭接口支持2路光纖、1路電源、1路話柄、1路RS485通信線接入，備用3個接口用于以后擴展使用。

結語

本文展示了一種礦用廣播終端的系統架構以及設計思路，并詳細地闡述了廣播終端中重要功能模塊的硬件電路設計。本礦用廣播終端采用光網絡接入，可在線實時播放高品質音樂，也可實時更新本地SD存儲卡上的音樂。在網絡中斷的情況下，可切換播放本地SD存儲卡上存儲的音樂。

經測試，音頻信號最大不失真輸出電壓高達5 V，在1 mm處的聲強不低于90 dB。

同時，還支持點對點對講功能，可實現各個廣播終端之間實時對講，完全滿足煤礦廣播的要求。