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基于CANopen協議的礦用語音通信系統研究
1 引言
現場總線的研究與應用早已成為工業數據總線領域的熱點，CAN 總線作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式，已被廣泛應用到自動化控制系統中。由于CAN 本身并非一個完整的協議，因而進行高效率的通訊還需要進一步開發高層協議，而CANopen 協議就是建立在CAN 協議物理層和數據鏈路層基礎上的標準化應用層協議，其采用面向對象的思想設計，具有很好的模塊特性和很高的適應性，且精練透明、易于開發。本文圍繞由微控制器PIC18F458和語音處理芯片AMBE-1000 構成的語音通信系統研究了CANopen 協議在基于CAN 總線的語音通信系統中的應用情況。
2 語音通信系統的硬件設計
2.1 系統原理
系統由上位機，網關，節點，中繼等組成，利用已有的CAN 總線實現實時語音和監控數據的傳輸。通信過程為：語音數據通過麥克采集輸入后經A /D 轉換變成數字信號，而語音處理模塊AMBE-1000 對數字信號壓縮編碼后傳送給本地微處理器PIC18F458， 然后微處理器通過CAN 收發器將收到的數據經CAN 總線送給遠方微處理器。相應的，遠方微處理器對收到的數據經過上述步驟的反向處理最終還原為語音信號并由喇叭播放。當沒有語音信號需要處理傳輸時，系統自動開啟MP3 功能播放背景音樂。
2.2 信道接口設計
微控制器采用Microchip 公司的PIC18Fxxx 系列芯片，其內含有A/D、內部EEPROM 存儲器、CAN 控制器、SPI 接口、FLASH 程序存儲器讀/寫等強大功能。
語音處理模塊采用Digital Voice Systems 公司推出的語音壓縮/ 解壓芯片AMBE-1000，其壓縮率可在2.4kbps-9.6kbps 范圍內由軟件調節，且具有FEC（前向糾錯）、VAD（語音激活檢測）功能和DTMF 信號檢測功能。
AMBE-1000 與微控制器PIC18F458 進行通信的信道接口為串行SPI 接口，有兩種工作模式：主動模式和被動模式。本系統定義AMBE-1000 的引腳CH_SEL1～CHSEL0 將AMBE-1000 設置為串行被動模式，串口存在于幀格式下，通過模擬標準SPI 通信時序實現數據包的傳輸。
3 CANopen 協議的實現
在系統中，選取網關為主節點，其它節點為從節點。主節點除了具有啟動/停止網絡、檢查網絡工作狀態等功能外，還定義了網絡設備的標識符和訪問對象字典入口。
3.1 標識符的分配
主節點通過上位機發出的標識符字來改變從節點的狀態。在CANopen 協議應用層，設備之間交換的是通訊對象（COB），它們被映射到帶有標識符（ID）的CAN 幀中，然后在數據鏈路層上傳輸。
在CAN 標識符缺省的默認值分配方案中，COB-ID 有11 位，由4 位Function Code 和7位Node-ID 組成，Function Code 已經確定，網絡中不同的Node-ID 就決定了COB-ID 編碼。
在本設計中，井下節點以分組形式存在，每小組節點數不超過14 個（0 不可用，1 為主節點的Node-ID）上位機與井下節點通話分為廣播、組播、點播，分組數不超過3 個。同時考慮到PIC18F458 的緩沖器結構，節點的號定義為：0x01-0x03，節點的組內節點號0x02-0x0F，各節點Node-ID 分配如表1 所示。
11 位COB-ID 中，高四位為功能碼，語音模式時標識id6 位為0 ，MP3 模式時標識符id6位為1，id4-id5 位為小組號，id0-id3 位為每一小組內的節點號。通過對11 位中低4 位驗收屏蔽濾波器進行屏蔽，對高7 位進行濾波實現廣播、組播、點播等功能。語音模式下，廣播時使用PIC18F458 的驗收濾波寄存器2，組播和點播時使用驗收濾波寄存器3；Mp3 模式下，廣播時使用PIC18F458 的驗收濾波寄存器4，組播和點播時使用驗收濾波寄存器5。
3.2 對象字典的建立和變量的傳輸
CANopen 協議網絡中每個節點都有一個對象字典，它包含了描述這個設備和網絡行為的所有參數。下面以主節點對象字典的建立為例說明對象字典的建立方法。
每個PDO 都對應一個通信對象和一個映射對象；本系統中存放第一個發送PDO 通信參數的對象為0X1800，存放該PDO 影射參數的對象為0X1A00。其中對象0X2000子索引0x01 處存放語音模式下廣播變中的數據量，以下的變量類同；首先通過讀取1800H中的通訊模式，然后，讀取0X2000 中的數據幀的具體內容，通訊時，將確定通訊模式的相關信息和具體數據幀的地址信息按CANOpen 的映射規則寫入1A00H 中，從而完成PDO 的發送與接收。
3.3 CANopen 軟件實現
在整個CANopen 網絡中，SYNC 報文的優先級最高，因此用它來傳送同步信號，保持各節點間的同步，并且用來觸發PDO 報文的發送。Time-Stamp 報文的優先級比SYNC 稍低，它用來傳送時鐘信號，當主站需要各節點校時時，主站通過串口發出校時報文給主節點，然后主節點在全CAN網范圍內轉發包含時鐘信息的Time-Stamp 報文，子節點收到后完成校時。
廣播、組播等數據用PDO 來傳送。本系統為了保證PDO 傳送數據的快速、實時性，采用事件觸發的方式。參數配置數據由于數據量比較大，而且對于實時性的要求不高，所以用優先級比較低而且擁有可以傳送大量數據能力的SDO。由于其優先級較低，保證了此類大量數據的傳送不搶占實時性要求較高的語音數據的傳送。由于節點保護數據只是用來監測CAN節點是否在線正常工作，因此它的實時性要求更低，所以用發送優先級更低的Heart_beat報文來傳送。子節點定時的發送Heart_beat 報文，主節點收到后就修改節點保護定時器，如果隔了一定的時間還沒有收到某個子節點的Heart_beat 報文則主節點就認為此子節點的工作狀態產生了問題。
本系統CAN 控制器初始化工作流程為：系統上電后，從ROM 中讀取配置參數將CAN控制器、各個從節點的ID 地址以及CANopen 通訊對象進行配置，省略了CANopen 中常用的較復雜的使用主節點配置子節點的方式，而使用的是CANopen 協議的預定義連接集；啟動后，子節點定時發送心跳報文，告知主節點本子節點已進入工作狀態；同時監測主節點發送的同步報文，以確保主節點在工作狀態，這樣主節點和子節點即可通訊連接。
1）主節點程序：初始化后，如果中斷標志位置位，則轉入中斷程序，接收上位機發來的PDO 數據。然后，判斷上位機命令區分組播、廣播等命令類型，再修改存儲器中的標識符判定與哪些節點通信，隨后讀取語音數據并經CAN 總線發送給從節點。
2）從節點程序：在從節點處如果有通話需求，通過按通通話按鈕切換至語音模式，即可經CAN 總線傳輸語音數據，如無通話需求，則保持MP3 模式繼續播放音樂。
4 測試結果
測試界面如圖5，五個操作按鈕與一個grid 控件組成，按鈕分別為：語音測試、音樂測試、錄音測試、混合測試以及停止測試，grid 控件顯示測試結果。測試原理：1.選定測試模式（語音測試、音樂測試、錄音測試或者混合測試）2.啟動定時器3.定時促發事件：a 根據數據庫，利用地址指針自動選擇地址b 根據地址類型，進行可，操作的所有操作命令c 對地址指針進行相應的操作4.重復步驟3 直到停止測試為止。
經以上語音測試， 本系統可以正確切換組播、廣播、點播等模式，語音通信及時，且語音的主觀聽覺效果良好，具有較高的可懂度，符合設計要求。同樣，在錄音播報模式、音樂模式、混合模式下測試成功。
5 結語
經實踐證明，采用CANopen 協議的語音通信系統可以在CAN 總線上以極低的語音通信速率（2.4 kbit / s） 進行語音數據傳輸，能夠實現語音的廣播、組播、點播、MP3 播放功能，同時CANopen 協議使得節點具有較好的開放性和通用性，可與其他設備組建分布式控制網絡，在煤礦信息化系統中有著廣泛的應用前景。
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