具备对讲功能的矿用广播终端系统设计

摘要：本文针对现有广播终端存在的不足，设计了一种既能支持实时广播、点对点对讲，还能实现本地和在线高品质音乐播放的广播终端。该广播终端采用集成高性能DSP的模拟电话适配器KSZ8342作为核心部件，利用MP3编解码芯片、音频功放设备、本地SD存储卡，实现实时广播、本地和在线音乐播放功能;另外，利用用户线接口电路芯片、外挂话柄、拨号键盘和显示屏实现点对点对讲功能。

关键词：矿用广播;音频功放;用户线接口电路;模拟电话适配器

引言

矿用广播系统是煤矿进行生产指挥调度、安全避险和应急救援的重要工具。广播系统应具备播放通知、音乐、对讲等多种功能。现有矿用广播终端大多数功能单一，只支持单向广播，或支持对讲但功能不完善，不支持本地和在线高品质音乐播放的功能。

本文根据现有广播终端存在的缺点，设计了一种支持实时广播、本地和在线高品质音乐播放、支持点对点对讲的广播终端。

1 矿用广播终端的设计方案

矿用广播终端的主要功能是将广播通信服务器下发的音频数据或本地音频数据通过扬声器对外播放;同时支持外挂话柄，实现各个终端之问的点对点通信。

广播通信服务器通过光纤将音频数据传输到广播终端。广播终端采用光电转换将音频数据传输给模拟电话适配器KSZ8342进行处理。KSZ8 342将处理完毕后的音频数据通过并口数据线传输到MCU—STM32F103，再通过SPI总线传输到音频解码芯片VS1003B进行处理，最后通过音频放大器驱动喇叭播放在线音乐或语音。

如需要播放本地音乐，广播通信服务器会下发相应的控制命令，广播终端通过STM32F103读取本地SD存储卡中的音乐，利用VS1003B解码后通过功放驱动喇叭播放本地音乐。

广播终端采用类似电话拨号的方式来实现点对点对讲功能。广播终端外挂电话话柄，当话柄摘机并拨号后，STM32F103将获取到的号码上传到KSZ8342，然后通过光纤上传到服务器进行处理。本地用户的语音数据通过用户线接口电路(SLIC)芯片SI32260进行PCM编码并通过光纤传输到目的广播终端上，同时将对方用户的语音数据进行PCM解码后通过话柄听筒还原，从而实现点对点对讲功能。

广播终端的原理框图如图1所示。

 

2 矿用广播终端硬件设计

矿用广播终端硬件主要包括模拟电话适配器电路、微控制器单元、音频放大器和用户线接口电路等。

2.1 模拟电话适配器电路

KSZ8342是一个高度集成的模拟电话适配器，内部集成了一个MIPS32 RISC CPU、一个ZSP、标准编解码器、语音优化器，并支持两路PCM和以太网接口。

KSZ8342采用RISC CPU和DSP构成的嵌入式多处理器体系结构，通过ZSP400 DSP处理器，提供PCM、G729语音编解码算法，以提供卓越的语音质量。

2.2 微控制器单元

广播终端采用STM32F103芯片微控制器，主要是用于扩展KSZ8342的GPIO口，以支持多种外部设备的接入。STM32F103采用8位并口数据线和3位控制数据线与KSZ8342进行数据交换。KSZ8342结构框图如图2所示。

STM32F103外接SD存储卡，用于存储本地音乐;外接音频解码芯片VS1003B，用于播放高品质的MP3音乐;外接显示屏、拨号键盘、摘机检测等外设，用于实现点对点对讲功能;外接RS485通信接口，用于井下无光网络环境时的通信。

2.3 音频放大器

本广播终端中的音频放大器是其重要组成部分。音频放大器需要有较大的功率输出，满足井下巷道200 m以上的声强要求。同时本广播终端采用本安电源供电，供电电流峰值电流受限，因此需选用效率高、电流小的D类功放。

选用PAM8403型D类芯片作为音频放大器，该音频放大器具有低EMI调制方式，可以省去传统D类放大器输出低通滤波器，同时能提供3 W的立体声输出(4Ω、THD+N=1%)，效率高达90%。矿用广播终端音频放大器电路如图3所示。

 

在扬声器输出端需增加TVS管限制输出电压。

2.4 用户线接口电路

SI32260是一款双通道ProSLIC芯片，支持两路电话接入。该芯片采用3.3 V供电，具备标准的SPI接口、静态功耗低(小于0.1 W)、尺寸小(8 mm×8 mm)。

在SI32260的一路电话接口上集成了一个简单电话机电路，再通过外接话柄、拨号键盘、显示屏和摘机检测来实现点对点功能。矿用广播终端用户线接口电路如图4所示。

 

3 广播终端结构

广播终端尺寸为390 mm×270 mm×160 mm，外形结构如图5所示。

 

矿用广播终端上左右各放置一个喇叭，分别与功放左右声道相连。外面板上放置一个话柄、一个拨号键盘以及一个显示屏，用于实现点对点对讲。8个防水喇叭接口支持2路光纤、1路电源、1路话柄、1路RS485通信线接入，备用3个接口用于以后扩展使用。

结语

本文展示了一种矿用广播终端的系统架构以及设计思路，并详细地阐述了广播终端中重要功能模块的硬件电路设计。本矿用广播终端采用光网络接入，可在线实时播放高品质音乐，也可实时更新本地SD存储卡上的音乐。在网络中断的情况下，可切换播放本地SD存储卡上存储的音乐。

经测试，音频信号最大不失真输出电压高达5 V，在1 mm处的声强不低于90 dB。

同时，还支持点对点对讲功能，可实现各个广播终端之间实时对讲，完全满足煤矿广播的要求。