（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的多节点语音通信系统设计.pdf

型些盔堂堡主堂垡丝 a b s t r a c t h p r a c t i c a lw o 血s p o t v o i c ec o m m u i l i c a t i o nw i l l9 0o ni nv e d rb 删yc i r c 啪s t 柚c e a s c a nb l l sw 髂聊 r cw i d e l y1 1 s e di ni n d u s 伍a 1 6 e l d w ed e s i 辨av o i c ec o m m u t i c 撕o n s t 咖w h i c hi sb a s e do nc a nb u s 1 k ss y s t 啪t 锄d st oh 锄s m i tv o i c es i 舯a l s 踟o n g s e v e r a lr 埘e sb yc a nb u s t h i sp a p e ri n 仃o d u c e sah a r d a r ec i r c u i td e s i 印o f av o i c e 蝴u 血c a t i o ns y s t 咖b a s e d o nc a nb u s t h es y s t e mc o n s i s t so ft w oi m p o f t 姐tc o m p o n e n t o n ei sm em o t o r o l a t s m c l 4 l c 5 4 8 0w h i c hw o r k i n ga sa u d i os a n l p l i n g 觚dc o d e c t 1 1 eo t h e ri sa t 9 0 c a n l 2 8a s m c u ht h e 五r s th a l fo ft l l i sp 印 i tp r e s e i l tc a nb u s 锄m u n i c a 垃o nn 咖 出a 1 1 dv o i c e s i g 眦l sd i 舀t a lp r o c e s s i n g na l s oe s t i m a l c s 也ea d v 卸t a g eo f t h ev o i c es i 舶a lo v 钌c a nb u s t h es e c o i l dh a l fo ft h i sp 印e rd i s c u s st h es o f w a r e m a r d w a 阳t e c m o l o 百e so ft h ev o i c e c o m m 砌c a t i o ns y s t 锄w h i c hb 船c do nc a nb u s t h i s p a p e ra l s oa i l a l y s e se a c hc o r r e l a t i v e 鼬l c 石0 nm o d u l ei nt h es y s t e i i l i n c i u d ev o i c ec o d e cc i d c u i t d i 百t a ls i g n a lp r o c e s sc j r a l i t 柚dc a nb u st r 趴s m i tc i r c u i t f i n a l l y v o i c ec o n l n l u l l i c a t i o nm a y9 0o n 锄0 n gs e v e f a ln o d e si nl a b o r a t o 吼 k 码 硒b r d s v o j e ec o 咖u n i c a t i o nc o d e cc a nb u ss 毋嗡训h 幽 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得韭直至些太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 捌签字日期珈衅钿7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j b 直王些盔堂有关保留 使用学位论文的规定 有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阕 本人授权j b 直王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 喜牟 签字日期 腑6 月7 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 菇签名 左0 4 虹 1 洲 一 签字日期 啦钿7 日 电话 邮编 北方工业大学硕士学位论文 1 1c a n 总线技术 1 1 1c a n 总线的发展及其特点 c a n c o n 的1 1 e rm e an 出 岫总线是德国b o s c h 公司为解决现代汽车工业中众多的 控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线 c a n 已成为国际标 准化组织i s o 的1 1 8 9 8 和1 1 5 1 9 标准 得到国际上许多大公司的支持 如m o d r o l a h l t e l 蹦l i p s 等厂商均生产具有c a n 接口的芯片产品 c a n 具有低成本 易丌发 实 时性好以及抗噪声性能好等优点 传输速率最高为1 m b p s 最大传输距离为 1o l 廿n 5 k b p s 同时c a n 废除了传统的站地址编码使网络上的节点理论上为无穷大的缺 点 c a n 诸多优点使它在最近几年得到广泛应用 世界上一些著名的汽车制造商 如 b e n z 奔驰 b m w 宝马 p o r s c h e 保时捷 r o l l s r o y c e 劳斯来 斯 j a g l a r 美洲豹 等均采用c a n 总线来实现汽车内部控制系统及各检测和执 行机构间的数据通信 现在它逐步发展成为用于工业部门控制和通信的现场总线 c a n 属于总线式串行通讯网络 由于其采用了许多新技术及独特的设计 与一般 的通讯总线相比 c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 其特点 可概括如下 1 c a nb u s 接口芯片支持8 位 1 6 位c p u 基于p c i 的c a n 卡可任意插在p c 等兼容机上 方便的构成分布式系统 也可置于温度 压力 流量等物理量的变送器 中 构成智能化仪表 2 c a n 的国际标准是i s o 一1 1 8 9 8 协议规范为c a n2 0p a r ta p a i 汀b 3 c a n 为多主方式工作 网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上的其它 节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 并且无需站地址等节点信息 利用这一特 点可方便的构成多机备份系统 4 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级 可满足不同的实时要求 高优先级 的数据最多能在1 3 4 us 内得到传输 5 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路 目前可达到1 1 0 个 报文标识符可 达到2 0 3 2 种 c a n2 o a 而扩展标准 c a n2 o b 的报文标识符几乎不受限制 6 c a n 只需通过报文滤波便可以实现点对点 一点对多点及全局广播等几种方式 传送数据 北方工业大学硕士学位论文 7 o n 采用非破坏仲裁技术 当多个节点同时向总线发送信息时 优先级较低的 节点会主动退出发送 而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据 从而大大节省 了总线冲突仲裁时间 尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现瘫痪的情况 以太网 则有可能 8 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施 保证了低的数据出错率 同 时降低了应用程序的复杂程度 从而使通信更加可靠 9 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 使总线上其它节点的操 作不受影响 1 0 c a n 的直接通信距离最远可达到lo l 叫 速率在5 k b p s 以下 通信速率最高 可达到l m b p s 此时的通信距离最长为4 0 m 1 1 c a n 的通信介质可以为双绞线 同轴电缆或光纤 选择灵活 1 1 2c a n 总线的分层结构 c a n 协议建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上 不过 其模型结构只 有三层 即只取0 s i 底层的物理层 数据链路层和顶层的应用层 c a n 的分层结构和 功能如图1 1 下面将详细对各层进行分析 1 c a n 总线物理层分析 物理层主要是网络上节点间的物理数据传输 物理层定义了传输线和接口硬件的机 械 电气和电信号特征及功能 机械特性包括连接器尺寸 类型等 电气特性包括最大 传输速率 最大传输距离 信号电平状态代表意义等 电信号特征包括对应电平信号的 逻辑信号 信号的传输时序 数据采样方式等 c a n 协议执行媒体介质访问控制 m a c 在传输媒介上实行位对位的非破坏性 的报文优先权传输机制 具有高优先权标识符的报文在经过仲裁域后获得介质访问权并 将继续传输 不会被中断 这是由于这种报文拥有的显性标识符优于其它报文的隐性标 识符 因此任何c a n 物理层都需要在传输介质上支持显性和隐性状态 换句话说 如 果没有总线节点发送显性位 传输介质将保持隐性状态 而如果一个或多个总线节点发 送显性位 传输介质将进入显性状态 从而优先于隐性状态 c a n 物理层最常用的是i s 011 8 9 8 标准 它是由国际q n 使用商和工业组织共同 提议的 i s o11 8 9 8 标准包括了两线差分电压链路的电气特性规范 在4 0 m 总线长度下 位速率最高达到1 m b i s 最多可连接3 0 个节点 北方工业大学硕士学位论文 数 l l c 逻辑链路控制子层 据 链接收滤波 路 一 层 超载通知 m a c 介质访问层 数据封装与拆装 帧编码 填充与解除填充 媒体访问管理 一理 错误检测 出错标定 物 p l s 物理信令层 理 层位编码懈码 位定时 同步 p m a 物理介质附加属性 驱动器 接收器特性 m d i 与介质相关的接口 连接器 图1 1c a n 的分层结构和功能 如果想实现总线长度的扩展或者是总线节点数量的增加 可以使用目前最先进的 c a n 收发器产品 那么总线长度最大可达到5 0 0 m 可以连接节点6 4 个 位速率 1 2 5 k b i t s 2 c a n 总线数据链路层分析 c a n 网络的数据链路层主要分为逻辑链路控制子层 u c 和媒体访问控制子层 m a c m a c 子层主要完成传送的功能 可进行消息成帧 总线仲裁 帧应答 错 误检错与标定 l l c 子层的主要功能是消息的逻辑管理 如帧滤波 超载通知和恢复管 理等 1 逻辑链路子层 u c 北方工业大学硕士学位论文 l l c 子层作为目标层 实现逻辑上的消息发送与接收 进行消息与状态的处理 下面详细介绍一下它提供的三类功能帧接收滤波 超载通知和恢复管理 帧接收滤波 在l l c 子层上帧内容由标识符表示 标识符不仅是用于指示帧 的目的地址 还可以描述更多的信息 比如 数据的含义 网络节点属性等 每个接收器将通过帧接收滤波确定是否接收此帧 超载通知 如果接收器要求下一个l l e 帧 包括数据帧和超载帧 延迟到 达 则需要通过l l c 子层发送超载帧 恢复管理 对于仲裁失败或被错误干扰的帧 l l c 子层具有自动重新发送的功 能 2 媒体访问控制子层 m a c m a c 子层是c a n 协议的核心 它描述l l c 子层 逻辑链路控制子层 接收到的 报文和u 子层发送的认可报文 以下将介绍m a c 子层的功能 m a c 子层功能由 i e e e8 0 2 3 中规定的功能模型描述如图1 2 所示 il l c 子层 it tl l 发送数据封装il 接收数据拆装i j rt i 发送媒体访问管理li 接收媒体访问管理f i li 发送数翥解码l 物理信令层 i 接收主据解码l 图1 2m a c 子层功能模型描述 在该模型中 将m a c 子层划分为完全独立工作的两个部分 即发送部分和接收部 分 它们的功能如下 发送部分功能 北方 业大学硕士学位论文 发送数据封装 接收u c 帧及接口控制信息 进行c r c 循环计算 通过向l l c 帧附加帧头帧尾信息构造m a c 帧 发送媒体访问管理 确认总线空闲后 开始发送过 程 通过帧间空闲应答来实现 m a c 帧串行化 插入位在丢失仲裁的情况下 退出 仲裁并转入接收状态 错误检测 比如控制错误 格式校验等 应答校验 确认超载 条件 构造超载帧并进行发送 构造出错帧并进行发送 将串行的比特流输出至物理 层 接收部分功能包括 接收数据拆装 从接收到的帧中去除m a c 特定信息 将拆装得到的l l c 帧和接 口控制信息传送至l l c 子层 接收媒体访问管理 由物理层接收串行比特流 解除串 行结构并重新构造帧结构 检测位填充 错误检测 比如c r c 与格式校验 位填充规 则校验等 发送应答信息 构造错误帧并进行发送 确认超载条件 重新激活超载帧 结构并开始发送 c a n 系统中数据在节点之间发送和接收 以四种不同类型的帧出现 和控制 其中数据帧将数据由发送节点传至接收节点 远程帧由节点发送 以请求发送 具有相同标识符的数据帧 出错帧可由任意节点发送 以检测总线错误 超载帧则用于 提供先前和后续的数据帧或远程帧之间的附加延时 3 c a n 总线应用层分析 在实际的基于c a n 的分布式系统中 仅有物理层和数据链路层的功能是远远不能 满足要求的 比如对于传输长度超过8 个字节的数据块 带有握手协议的数据传输过 程 标识符分配 网络管理等功能 就不能实现 在物理层和数据链路层之外附加的一 层以支持应用过程 这一层称为 应用层 应用层对应o s i 七层协议模型中上五层 主要完成网络层和传输层的工作 实现应用进程 如用户程序 终端操作员 之间的信 息交换 同时具有一系列业务处理所需要的服务功能 并且提供接口 使得通信模块和 具体应用模块分离 n 物理层和数据链路层协议在c a n 相关器件中已经基本实现了 而应用层协议 至今仍然没有统一的标准 目前存在着多种c a n 应用层协议 它们都是为工业控制系 统发展起来的 其中理论最完善的是v l s a v i r t u a ll 删e l e ds 舛e ma r c h i t o c t l 艚 它 不仅是一个网络系统 v l s a 还给出如何不应用明确的软件接口而将网络融入到传统应 用中的建议 它们都以i s o o s i 国际标准作为理论背景 并且明确的围绕c a n 而发 展 c a i a na p p l i 衄h 0 nl a y e r 紧随v l s a 它是由欧洲c a n 使用集团 c a i l i n a u t 咖a t i o n c 趴 标准化的 c a l 为通信和网络管理定义了一系列丰富的功能和 协议 它可以在不同的范围内改变大小规模 c a n o p e n 也源于c 认 它是基于 北方工业大学硕士学位论文 c a l 的 为了提高效率 它仅使用了c a l 中的一小部分 并且加入了协议和设备的描 述 其余的标准有比如 d e v i c e n e t s m 础d i s 埘b u t e ds 懈吼 s d s d l e v i c e n e t 最开始是a l l 锄b m d e y 的个人标准 后来成了一个基于自身的网络系统 s d s 也是这样 它由h o n e y w e h 公司发展起来的 1 1 3 基于c a n 总线的控制系统网络拓扑结构 网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步 也是实现各种网络协议的基础 它 对网络的性能 可靠性和通信费用等都有很大影响 网络拓扑结构按照几何图形形状可 分为4 种类型 总线拓扑 环形拓扑 星型拓扑和网状拓扑 这些形状也可以混合构成 混合拓扑结构 按照o n 总线协议 c a n 总线可以是任意拓扑结构的 但一般来说 c a n 总线主要有一下4 种常见的拓扑结构 1 总线拓扑 总线拓扑结构是单根电缆组成 该电缆连接网络中所有节点 单根电缆称为总线 它仅仅只能支持一个通道 所有节点共享总线的全部带宽 在总线网络中 当一个节点 向另外一个节点发送数据时 所有节点都将侦听数据 只有目标节点接收并处理发给它 的数据后 其他节点才能忽略该数据 基于总线拓扑结构的网络很容易实现 且组建成 本低 但其拓展性较差 当网络中节点增加时 网络性能将下降 此外 总线网络的容 错能力较差 总线上的某个中断或故障将会影响整个网络的数据传输 因此 很少 c a n 总线网络采用一个单纯的总线拓扑结构的 2 环形拓扑 在环形拓扑结构中 每个节点与两个相邻的节点相连接以使整个网络形成一个环 数据沿着环向一个方向发送 坏中的每个节点如同一个再生和发送信号的中继器 它们 接收环中传送的数据 再将其转发到下一个节点 与总线拓扑结构相同 当环中的节点 增加时 响应时间变长 网络性能也将下降 因此单纯地环形网络拓扑结构非常不灵 活 而且不易扩展 在一个简单的环形拓扑结构中 单个节点或一处线缆发生故障将会 造成整个网络瘫痪 因此 一些c a n 总线网络采用双环结构以提供容错 3 星型拓扑结构 在星型拓扑结构中 网络中的每个节点通过一个中央设备 如集线器连接在一起 网络中的每个节点都将数据发送到中央设备 再由中央设备将数据转发到目标节点 一 个典型的星型网络拓扑结构所需的电缆一般会稍多于环型网络和总线网络的电缆 由于 在星型网络中任何单根电缆只连接两个设备 如一个工作站和一个接线器 因此电缆问 题最多影响两个节点 单个电缆或节点发生故障 将不会导致整个网络的通信中断 但 北方工业大学硕士学位论文 中央设备的失败将会造成一个星型网络的瘫痪 由于使用中央设备作为连接点 星型网 络结构可以很容易地移动 隔离或与其他网络连接 这使得星型网络易于扩展 因此 星型网络是目前c a n 总线局域网中最常用一种网络拓扑结构 而且该结构也是以太网 现在最常用地拓扑结构 4 网状拓扑 在网络拓扑结构中 每两个节点之间都互相连接的 网络拓扑常用于广域网 在这 种情况下 节点是指地理场所 由于每个节点都是互联的 数据能够从发送地传输到目 的地 如果一个连接出了问题 将能够轻易并迅速地更改数据传输路径 由于对两节点 之间的数据传输提供了多条链路 因此 网状拓扑是最具有容错性的网络拓扑结构 网 络拓扑的一个最大缺点就是成本问题 将c a n 网络中的每个节点与其他节点相连接需 要大量的专用线路 要缩减开支 可以选择半网状结构 在半网状结构中 直接连接网 络中关键节点 通过星型或环形拓扑结构连接次要的节点 与全网状结构相比 半网状 结构更加实用 因而在当前的应用中使用得更加广泛 1 1 4c a n 总线系统的通信方式 c a n 总线系统根据节点的不同 可以采取不同的通信方式以适应不同的工作环境 和效率 它可以分为多主式 m l l l d m a s e t r 结构和主从式叫a r f 日蒯j h 动结构两种 1 多主式结构 网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上地其他节点发送信息 而不分主 从 不需占地址节点信息 通信方式灵活 在这种工作方式下 c a n 网络支持点对 点 一点对多点和全局广播方式接收 发送数据 为避免总线冲突 c a n 总线采用非 破坏性总线仲裁技术 根据需要将各个节点设定为不同的优先级 并以标识符 d 标 定 其值越小 优先级越高 在发生冲突的情况下 优先级低的节点会主动停止发送 从而解决了总线冲突的问题 这是c a n 总线的基本协议所支持的工作方式 无需上层 协议的支持 2 主从式结构 c a n 总线在主从式通信方式下工作时 其网络各节点的功能是区分的 节点间无 法象多主式结构那样进行平等的点对点信息发送 在主从式结构系统的通信方式下 整 个系统的通信活动要依靠主站中的调度器来安排 如果系统调度策略设计不当 系统的 实时性 可靠性就会很差 而且容易引起瓶颈向题 妨碍正常有效的通信 所以采取主 从式结构的网络都需要采取必要的措施去解决瓶颈问题 目前的c a n 网络一般采用多 主式和主从式结合的结构 这种结构比较灵活又具有较高的实时性和可靠性 北方 r 业大学硕士学位论文 1 2 语音信号处理技术的现状与发展 声音是通过空气传播的一种连续的波 声波压力的大小体现声音的强弱 声音的频 率体现音调的高低 声音具有信息量大 精细 精确等特点 按照声音所在的频率范 围 可以把声音分类为 1 亚音 s u b s 砌e 频率小于2 0 比的信号 2 音频 a u d i o 频率范围为2 0 h z 一2 0 k h z 的信号 3 超音频 u 1 缸a s o 玎i c 高于2 眦的信号 人能够听到的声音是音频 音频信号又可分为语音信号和非语音信号 风声 雨 声 鸟叫声 机器声等 即乐音和杂音 非语音信号的特点是不具有复杂的语义和语 法信息 信息量低 识别简单 将模拟的 连续的 声音波形数字化 离散化 可以得到 数字音频 这个过程主要包括采样和量化两个方面 数字音频的质量取决于采样频率和 量化位数这两个重要参数 语音信号处理的研究可以分为以下几个方向 即语音分析 语音增强 语音编码 语音合成和语音识别与理解 1 语音分析 语音分析是语音信号处理的基础 只有通过语音分析将语音信号分析成各种参数 才有可能用这些参数进行语音通信 才能建立用于语音合成的语音库 也才可能建立识 别与理解的模板或知识库 语音信号分析大体上有时域 频域 倒谱域等分析方法 2 语音增强 人们在语音通信的过程中不可避免地会受到来自周围环境 传输媒介引入的噪声 通信设备内部电噪声 乃至其他讲话者的干扰 这些干扰最终将使接收者收到的语音信 号己非纯净的原始语音信号 而是受噪声污染的语音信号 语音增强的一个主要目标是 从带噪声的语音信号中提取尽量纯净的原始语音 3 语音编码 对语音信号进行编码处理 目的是为了减少传输码率和提高音质 除了传统的一些 脉冲编码调制外 目前己经开始使用自适应和矢量量化技术以及一些变换域编码技术和 基于语音特点的编码技术 4 语音合成 语音合成是讨论如何使机器说出人的语音 以满足人类的各种需要的问题 语音合 成的最大特点是要从有限的存储单元中合成出无限词汇的连续语句出来 5 语音识别与理解 北方 t 业大学硕士学位论文 语音识别的目标是让机器 听懂 人类口述的语言 听懂有两种含义 第一种是将 口述语言逐词 字 地转换为相应的书面语言 即文字 第二种则是对口述语言中所包含 的要求或询问做出正确的响应 而不拘泥于所有的词正确转换为书面文字 语音理解企 图模仿人脑的思维功能 是语音处理的高级阶段 目前 采用模拟的方法己经无法适应语音信号处理研究向纵深发展的要求 采用数 字技术进行处理已经成为主流 l 3 课题的研究意义及主要内容 在实际工作现场 常常需要在一个非常恶劣的环境中进行通话 这个时候有几种方 案可供选择 用对讲机直接呼叫或者用普通电话通话 但是恶劣的工作环境下对通话提 出了极其严格的要求 首先要保证通话的实时性 任何的延迟都会给通话造成不良的后 果 比如在火车或者轮船上的通话 发生故障时 要马上根据指示进行操作 如果有时 间上的偏差误了检修 严重的会影响乘客的人身安全 其次要保证通话的不失真 若是 丢失数据包 会给通话者理解造成歧异 在更多的时候 需要通话的严格保密性 在军 事或公安系统的行动中 通话的内容都必须严格保密 不允许有任何的泄漏 这不但是 保证行动的成功 更是保证人员的安全 如果用传统电话进行通话 首先在安装上会有 麻烦 因为传统电话需要交换机和路由器 在线路上会复杂不少 在成本上也要增加 若是p 电话更有数据包丢失不再接收得到的可能 用对讲机是以损失通话的保密性换 取通话的简易性 这都不满足恶劣环境中的通话需要 用c a n 总线进行语音通信 可 以使得我们只需要用两根c a n 总线 就可以把需要通话的节点电话连接起来 本论文研究的主要内容是基于a n 总线的多节点语音通信系统的软硬件设计 硬 件部分包含的内容有语音采集编解码数据部分 c p u 及c a n 总线部分 语音部分和 c p u 部分连接的串并 并串转换部分 以及系统各部分之间的接口设计 软件部分重要 的是c a n 的初始化子程序 发送子程序 接收子程序 以及整个软件部分的协调工 作 北方一i 业大学硕士学位论文 2 基于c 州总线的多节点语音通信系统的硬件结构 2 1 系统的总体设计方案及硬件总图 基于c a n 总线的多节点语音通信系统由多个c a n 节点形成通信网络 单个c a n 节点设计时分为语音部分和c p u 及c a n 总线部分 语音部分使用m c l 4 l c 5 4 8 0 作为语 音采集编解码器 c p u 及c a n 总线部分选用带c a n 模块的a t 9 0 c a n l 2 8 作为处理器 使用处理器自带的c a n 模块实现多个c a n 节点间的通信 在语音部分和c p u 之间加入数 字信号的串并和并串转换部分 使各部分之问的数字信号处理达到协调 通过c a n 总 线把多个这样的节点连接在一起 就形成了通信网络 单个c a n 节点的结构如图2 1 所示 童一c a n 总线驱动器 l 话筒卜 n 叫串并转换卜 蚕 j 拨码盘按键 一 p l h 一并串转换r 喇叭卜 舡 o o 图2 1 单个c a n 节点的结构图 单个c a n 节点的硬件总图如图2 2 所示 i i 图2 2 单个c a n 节点的硬件总图 北方工业大学硕士学位论文 2 2 语音部分 语音部分包括图2 l 的话筒 喇叭 m c l 4 l c 5 4 8 0 及串并转换 并串转换部分 由 于采用的是p c m 编码 所以系统采用8 l 1 舷的采样频率和8 b i t 的量化精度 在选择语 音芯片时要考虑的因素有系统c p u 的主频 语音的码率等因素 综合语音采样方案 芯片规格 性能 价格等各种因素 选用了摩托罗拉公司生产的m c l 4 l c 5 4 8 0 这是摩 托罗拉公司生产的一款通用单信道p c m 编码解码器滤波器 能实现p c m 系统的所要 求的语音数字化和频带限制及平滑 m c l 4 l c 5 4 8 0 的特性有 单一的5 v 电源供电 2 3 i n w 的标准耗散功率 掉电o 0 1 l i f w 最低噪声的全差分模拟信号 在片的发送带通滤波器和接收低通滤波器 有源r c 预滤波和后滤波 m u 律和a 律压扩引脚选择 在片的精确基准电压 1 5 7 5 v 具有外部增益调节的3 0 0q 推挽式功率驱动器 在设计串并转换部分时选择了7 4 h c l 6 4 并串转换部分选择了锁存器7 4 h c 3 7 7 和 并串转换芯片7 4 h c l 6 5 2 2 1 信号的p c m 编码 脉冲编码调制f p c m 是模拟信号数字化的最基本的方法 理论简单 应用成熟 脉 冲编码调制的概念是1 9 3 7 年由法国工程师a l e cr o e 燃最早提出来的 随着集成电路技 术的飞速发展 超大规模集成电路的p c m 编 解码器出现 使它在光纤通信 数字微 波通信 卫星通信 信号处理 军事及民用电子技术领域发挥着越来越重要的作用 目 前广泛应用于通信 计算机 数字仪表 遥控遥测等领域 其应用广度和深度也在不断 地扩展和深化 随着全球数字化 信息化的不断推进 脉冲编码调制会有更加良好的发 展和应用前景 p c m 是一种将模拟信号转换为数字信号的基本方法 主要包括抽样 量化与编码3 个过程 抽样是把时间连续的模拟信号转换成时间上离散 幅度连续的抽 样信号 量化是把时间离散 幅度连续的抽样信号转换成时间离散 幅度离散的数字信 号 编码是将量化后的信号编码形成多位二进制码组成的码组表示抽样值 完成模拟信 北方工业大学硕士学位论文 号到数字信号的转换 编码后的二进制码经数字信道传输 在接收端经过译码和滤波 还原为模拟信号 1 抽样 模拟信号数字化的第一步是在时间上对模拟信号进行离散化处理 即将时间上连续 的模拟信号处理成时间上离散的信号 这一过程称为抽样 抽样是利用采样脉冲序列万 f 从连续时间信号坟t 中抽取一系列离散样值 t s 1 凰称为鹏采样间隔或采样周期 蠡称为采样频率 抽样是通过抽样电路来实现 的 由于后续的量化过程需要一定的时间t 对于随时间变化的模拟输入信号 要求瞬 时采样值在时间t 内保持不变 这样才能保证转换的j 下确性和转换精度 这个过程就是 采样保持 一般用保持电路来实现 正是有了采样保持 实际上采样后的信号是阶梯形 的连续函数 理论和实践证明 时问连续信号坟t 其最高截止频率为厶 如果用时间间隔为 t s 他厶的开关信号对聃进行抽样 则f t 就可被样值信号矗 沪f n t s 来唯一地表 示 或者说 要从样值序列无失真地恢复原时间连续信号 其抽样频率应选为蠡 2 厶 这就是著名的抽样定理 2 量化 抽样后信号仍然是模拟信号 其幅值为无限多个值 若直接转换成二进制数字信号 表示需要无限多位二进制信号与之对应 这是不可能实现的 因此要采用量化的办法 用有限个值来表示模拟信号抽样值 量化可以分为均匀量化与非均匀量化两种方式 实际应用普遍采用非均匀量化 非 均匀量化的特点是 信号幅度小时量化间隔小其量化误差也小 信号幅度大时量化问隔 大 其量化误差也大 采用非均匀量化可以改善小信号的量化信噪比 实现非均匀量化的方法之一是采用压缩扩张技术 目前普遍采用数字电路实现 其 特性是 信号通过这种压缩电路处理后就改变了大信号和小信号之间的比例关系 大信 号时比例基本不变或变化较小 而小信号则相应按比例增大 目前广泛采用的两种对数 压缩特性是u 压缩律和a 压缩律 我国使用的是a 律1 3 折线特性 3 编码 编码就是把抽样并量化的量化值变换成一组二进制码组的过程 此时信号称为 p c m 信号 从概念上讲 编码过程可以用天平称某一物体重量的过程类比 编码可以分 为线性编码 解码与非线性编码 解码两种 实际电路中 量化和编码电路常合在一 起 称为模 数转换电路 北方工业大学硕士学位论文 2 2 2m c l 4 l c 5 4 8 0 部分 m c l 4 l c 5 4 8 0 部分的硬件电路如图2 3 所示 这一部分的作用一是把话筒采集到的 模拟语音信号转化成数字信号 进行a 巾变换 传送给7 4 h c l 6 4 二是把从7 4 h c l 6 5 传过来的串行数字信号转换成模拟信号传送给喇叭 进行d 情变换 图2 3m c l 4 l c 5 4 8 0 部分的硬件电路 对于m c l 4 l c 5 4 8 0 来说 使用p c m 编码 是一个通用单信道p c m 编码解码滤波 器 内部有一个线性的1 3 比特a d c 和 妃 对于编码部分来说 它有一个输入运算 放大器 运算放大器的输出输入到编码器 编码器部分以 个有源r c 滤波器对模拟信 号进行低通滤波 消除在进行调制时由开关电容滤波器进到通频带时产生的噪声 经有 源r c 滤波器后模拟信号变换为一差分信号 在差分转化后 经过一个差分开关电容带 通滤波器 使模拟信号有2 0 0 h z 到3 删z 频带 再由差分压缩a 仍转换器对信号进行 数字化 对于解码部分来说 解码器接收到p c m 数据后使用一个差分d a 转换器加以 转换 d 幔的输出是3 删z 以下的低通滤波输出 并由差分开关电容滤波器作s i r l x 补偿 这时得到的信号再由有源r 滤波器滤波以消除开关电容滤波器的能带输出 得 到的信号就是解码后的模拟信号 如图 r 0 r o 和耵 一分别是模拟语音信号的差分输出和输入 p i p 0 p 旺用来放大模拟语音信号以驱动模拟语音设备 发送帧同步f s t 接受帧同步f s r 是 同步控制部分 主要用于控制帧同步和比特位同步 控制引脚m u a 伊d i 主要用于 m u a 律的选择和低功耗模式的选择 f s r 和f s t 接8 k h z 的同步时钟脉冲 b c u 艰 b c u 汀和m c 接2 0 4 8 m h z 的同步时钟脉冲 当从话筒进行语音采集并且经过a d 转换后 生成的p c m 编码由m c l 4 l c 5 钙0 的1 3 脚d t 送出 是串行输出的数字量 送给串并转换部分7 4 h c l 6 4 要对并串转换 北方工业人学硕士学位论文 部分7 4 h c l 6 5 所产生的串行语音数据量进行语音解码还原 需将串行数字量从8 脚 d r 输入 经过d 舱转换后的模拟量声音就会从喇叭发出 2 2 3 脉冲时钟源部分 系统脉冲时钟源部分的电路如图2 4 所示 这一部分所起的作用是提供8 l 赴和 2 0 4 8 m h z 两种脉冲时钟源 供系统的各个部分使用 图2 4 系统脉冲时钟源部分的电路 对于脉冲时钟源部分来况 s n 7 4 h c 4 0 6 0 是高速c m o s l 4 级二进制串行计豺分频 器 它在电路中的晶振源为2 0 4 8 m h z 晶振源接7 4 h c 4 0 6 0 的9 脚c l k 0 经过2 5 6 分频后进入c d 7 4 h c 7 3 的j k 触发器调整脉宽 最后生成8 k h z 的脉冲进入f s r 和 f s t 其脉宽为8 个2 0 4 8 m h z 的晶振周期 2 2 4 语音信号串并 并串转换部分 系统语音信号串并 并串转换部分硬件电路如图2 5 所示 串并转换部分负责把语 音芯片采集到的话筒的模拟信号进行 d 转换后产生的串行数字信号转换成并行数字 信号供c p u 处理 并串转换部分负责把c p u 传过来的并行数字信号先在7 4 h c 3 7 7 中 锁存 然后传送给7 4 h c l 6 5 转换成串行数字信号 提供给语音芯片进行d a 变换 北方工业人学硕士学位论文 图2 5 系统语音信号串并 并串转换部分硬件电路 对于7 4 h c l 6 4 来说 1 脚接d t 串行数据 3 6 1 0 一1 3 脚为并行数据输出端 移位控制时钟8 脚c l 0 c k 由2 0 4 8 m h z 和8 k h z 相与获得 这样每8 k h z 的脉冲时间 里就可以移动8 位串行数据 待8 k h z 的脉冲结束 8 k h z 的下降沿引发 次外部中断 o 就可以把转换好的并行数据输入c p u 中 对于7 4 h c 3 7 7 来说 当 c i k e n 为l 时 在c u 的上跳沿可以锁存数据 当 c l k e n 为h 时 输出o u t p u t 的值不变 把 7 4 h c 3 7 7 的 c l k e n 接y 3 c l k 接c p u 的m 佩 l d 8 d 分别接d o d 7 在8 k h z 的 脉冲下 就可以把c p u 传过来的并行数据进行锁存 对于7 4 h c l 6 5 来说 1 1 一1 4 3 6 脚为并行数据输入端 9 脚为串行输出端 从 c p u 输出的并行数据输入7 4 h c l 6 5 前先由7 4 h c 3 7 7 锁存 l 脚伊l 端是同步并行载入 输入 低电平有效 2 脚c p 是时钟输入 上升沿有效 1 5 脚 c e 是时钟使能输入 低 电平有效 在伊l 端输入8 k h z 的脉冲 c p 端输入由2 0 4 8 m h z 与8 k 比相与的脉冲 当 p l f o 时 7 4 h c l 6 5 为并行数据载入模式 把8 位并行数据载入8 位移位寄存器 当 p l 1 c p l 时 7 4 h c l 6 5 维持原态 p c 1 c p o 时 为串行移位模式 d 6 d o 依 次移出输出到q 7 端 这样就实现了8 位并行数据的并一串转换 这个串行数据就输入 到m c l 4 i c 5 4 8 0 的串行语音数据输入端d r 通过d 埝转换 就可以在喇叭听到语音 输出 2 3 c p u 及c a n 总线部分 2 3 1a t 9 0 c a n l 2 8 功能简介 m o c a n l 2 8 是一功能强大的 低功耗的具有r i s c 内核的单片机 该芯片是以 a 1 m e l 的高密度非易失j f 生内存技术生产的 它有6 4 个管脚 引脚与a r i m e g a l 2 8 完 全兼容 a r 9 0 c a n l 2 8 具有以下特点 1 2 8 k 字节具备写操作时可读的在系统可编程 丁 北方工业大学硕士学位论文 f l a s h 4 k 字节e e p 默 m 和4 k 字节s r 气m 带有执行周期为两个时钟周期的硬件 乘法器 具有5 3 个通用的 l 口 3 2 个通用工作寄存器 4 个具有比较模式的定时器 计数器 2 通道8 位的p w m 6 通道2 到1 6 位精度的p w m 2 个u s a r t s 和1 个主 从s p i 串行口 1 个两线串行接口 一个8 通道l o 位具有可选增益差分输入的 气仍转 换器 1 个带内部振荡器的可编程看门狗定时器 1 个符合正e e 砌 1 1 4 9 1 标准的 丌a g 测试接口可用于访问片内d e b u g 系统和编程 此外 该芯片内部集成了c a n 控 制器 与c a n 标准帧2 o a 和扩展帧2 o b 完全兼容 具有以下性能 1 能够处理所有的帧类型 数据帧 远程帧 错误帧和超载帧 2 具有1 5 个独立的信息对象 1l 位的标志码 标准2 o a 2 9 位的标志码 标准2 o b 11 位的屏蔽码 标准2 o a 2 9 位的屏蔽码 标准2 o b 8 位静态分配的数据缓冲区 发送 接收 帧缓冲区或自动恢复设置 3 晶振频率8m h z 时传送速率可以达到1 m b i 如 4 具有时间触发定时器 5 具有监听模式 2 3 2 c p u 内置 州控制器介绍 a t 9 0 c a n l 2 8 内置有完全符合c a n 2 o a 和2 o b 标准协议的c a n 控制器 采用 m o b 消息对象 方式进行数据的发送和接收 共有1 5 个m a b 它们具有相同的属性 有1l 位标识符 2 o a 协议 也可扩展至2 9 位 2 o b 议 8 位数据缓冲 静态分配 t x r x 帧缓冲或自动响应配置 时间标识 m o b 是一个c a n 消息帧的描述符 它包括处 理一个c a n 消息帧的所有信息 这意味着一个m o b 可以看成一个对象来描述一条 c a n 消息 m o b 的数目是从o 到1 4 它们相互独立 但在多重比较的时候 低位的 m o b 会获得优先权 每个m o b 都被安置在一个页中来保存 页的序号就是m o b 的序 号 c a n 控制器主要包括的寄存器有验收代码寄存器c a 卜i t 和验收屏蔽寄器 c a n d m 消息的m o b 页指示寄存器c a n p a g e 消息的m o b 命令寄存器和 c a n c d m o b 和状态寄存器c a n s l m o b 北方工业大学硕士学位论文 2 3 3 c a n 总线数据收发器8 2 c 2 5 0 及光电隔离部分1 i p l l 3 c a n 总线数据收发器及光电隔离部分硬件电路如图所示2 6 这一部分主要用来把 从c p u 的r x c a n 和t x c a n 引脚的信号传送到c a n 总线上 唧埘 图2 6a n 总线数据收发器及光电隔离部分硬件电路 在这一部分中 8 2 c 2 5 0 是c a n 总线驱动器 可以提供对总线的差分发送和接收功 能 它具有抗瞬间干扰 保护总线的能力 同时8 2 c 2 5 0 驱动电路内部具有限流电路 可以防止发送输出级对电源 地和负载短路 通过它可以实现c a n 控制器与驱动器之 间的光电隔离 从而实现总线上各节点间的电气隔离 8 2 c 2 5 0 的特性有 与i s o o s i1 1 8 9 8 标准全兼容 高速性 最高可达1 m b p s 具有抗汽车环境下的瞬间干扰 保护总线能力 降低射频干扰的斜率控制 热保护 总线与电源及地之间的短路保护 低电流待机方式 掉电自动关闭输出 可支持多达1 1 0 个节点相连接 a n 模块的的r x c a n 和t x c a n 并不是直接跟c a n 总线收发器8 2 c 2 5 0 相连 的 而是通过 p 1 1 3 后与8 2 c 2 5 0 相连 这是为了增强c a n 总线上的抗干扰能力 t l p l l 3 是高速光耦 光耦部分的电路所采用的电源v d d 和v c c 必须完全隔离 这里 采用的是5 v 的d c d cd c p 0 1 0 5 来实现 这个措施可以增强电路的稳定性和安全性 北方工业大学硕士学位论文 2 4 多节点选择部分 多节点选择部分的硬件电路如图所示2 7 所示 这一部分主要用来选择需要通话的 节点 图2 7 多节点选择部分的硬件电路 系统通过一个8 位的拨码开关设置节点的d 8 位i d 值分两部分 低4 位为节点 自身的d 值 高4 位为点到点通信时接收节点的d 值 i d 为o o h 时为广播地址 总 线上可设置1 5 个不同i d 值的节点 2 5 设计时需要注意的问题 在设计电路时还应考虑电路的抗干扰性 在电源旁边应增加去耦电容 在c a n 总线 的o n h 和c a n l 之间也应该增加电阻 2 6 系统的实物图 一个c a n 节点的实物图如果2 8 所示 北方工业大学硕士学位论文 图2 8 一个c a n 节点的实物幽 北方工业大学硕士学位论文 3 系统的软件设计 3 1 多个c a n 节点问语音通信的建立流程 c a n 节点之间欲进行语音通信 必须先建立起两个c a n 节点之间的连接 两个 c a n 节点语音通信的建立流程如图3 1 所示 节点l 欲与节点2 通话 l 节点l 设定拨码盘高4 位为节点2 i 告知节点2 自身d f 节点2 设定拨码盘高4 倚为节点ld 图3 1 两个c a n 节点语音通信的建立流程 3 2 系统软件的工作原理及总体软件流程 软件部分主要由系统初始化子程序 语音数据接收存储子程序 c a n 数据发送子程 序 c a n 数据接收子程序组成 系统初始化子程序对系统进行初始化 在有通话请求 时 根据拨码盘的高4 位设置报文的标识符 低4 位设定验收代码寄存器和验收屏蔽寄 存器 确定要互相通话的节点 开启中断 系统就可以进行语音数据的接收存储和c a n 消息的发送和接收 从而实现了语音通话 语音数据接收存储子程序负责从语音芯片 淝1 4