基于无线通讯的缆车监控系统设计

1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文）引言缆车作为斜坡道的运输工具应用非常广泛，主要应用在煤矿斜井、斜坡道码头、旅游景点等地。缆车使用钢丝绳牵引，在地面上沿着一定轨迹行走，主要用于大高差地段上人员和货物的提升，相对于其它运输工具，地面缆车的主要特点是提升能力强，线路坡度可以相当大。在某些特殊地段，地面缆车可以发挥其它运输工具不可替代的作用，我国早期的地面缆车基本从矿用斜井人车发展而来，技术相对落后，安全性不足1。目前国内地面缆车的电气控制系统是交直流调速控制系统均用，控制水平表现在以下几个方面：l 交流绕线式电机转子串电阻调压调速，其调速比为1比3，特点是线路简单、成本低易维修、但调速性能差、无低速

2、下降、效率低、功率因数低运行费用高。l 绕线式电机转子串电阻调压调速，配合直流能耗制动，可以在重载下降时有1比5的调速比。如配合涡流制动器时可以有1比10的调速比(但不能长期低速运行，而且加大了系统的GDZ且效率低)。l 交流鼠笼型电机变级调速，可有1比4的调速比，但只能适用于小电机且调速时有冲击。l 交流变频调速使用通用鼠笼型电机或专用鼠笼型电机，可以获得1比100或更高的调速比，可以在整个范围内连续调速，实现基频以下为恒转矩控制，基频以上为恒功率控制。l 直流调速，使用直流电动机，调速比可达1比100，可以在整个范围内连续控制，在额定转速以下为恒转矩、额定转速以上为恒功率，其缺点是直流电动

3、机有机械式换相器，易坏，维修不方便，成本高，使用环境受限制。缆车作为交通工具在国外使用非常广泛，比如：城市轨道交通、港口运输以及旅游景点载客等。特别是作为港口运输工具，历史悠久。l 美国西部海港城市旧金山，缆车仍是重要的交通工具，其牵引和制动方式如下：在两条铁轨中间有一凹槽，槽内有一连续移动的钢缆，为缆车提供牵引动力。缆车底部有一具夹固装置，伸入凹槽内。驾驶员操纵控制杆，即能使夹固装置牢牢夹住钢缆，钢缆牵引缆车前进。反之，若夹固装置松开钢缆，则缆车失去牵引力，减速行驶，驾驶员通过手动制动器可以将缆车停住。l 瑞士缆车公司设计的缆车系统:该系统由两台缆车组成，靠一套平衡驱动绳联在一起，两台缆车在

4、同一个轨道上行驶，在斜坡中间有一个让车道，会车时，可以错开行驶，同时该系统具有过载保护、地震保护等安全措施。l 锡金首都甘托克缆车情况:由一套270kw的柴油发电机提供动力，另外还有一套热备用的发电机，在紧急情况下可以投入运行。本设计中的缆车监控系统主要是面向煤矿生产过程。缆车系统是煤矿生产的一个重要组成部分，它担负着井下工作人员的运输，井下环境恶劣，很容易出现突发事故，缆车运行情况的正常与否直接关系到工人的生命安全和煤矿生产任务的完成。在生产过程中，主控室要随时和缆车中的工作人员保持联系，实时了解缆内部的情况，方便做出相应调整，保证缆车的正常运行。同时，如有突发事故，缆车内工作人员可以通过紧

5、急按钮告知主控室采取有效措施，并及时向控制中心报告缆车及周边的状况，降低甚至可以避免事故对生命财产造成的损失，也对事后的事故产生原因分析提供了第一手材料，为煤矿的安全生产提供了有效保障。651 无线通讯技术概述1.1 无线通讯技术的发展远距离无线传输已经有一百多年的历史，可以追溯到1901年马可尼将电报信号发送到1800英里外的大西洋彼岸。无线传输技术在过去的一个世纪里经历了无线电、雷达、电视、卫星和移动电话等不同的发展和应用阶段。在20世纪70年代后期，蜂窝无线和个人通信系统进入加速发展期，这个阶段是无线通讯技术发展的黄金时期，相继成功引入了第一代（1G）、第二代（2G）和第三代（3G）蜂窝

6、系统，到目前为止，无线通讯技术已经在现代社会中为人们提供了无处不在的移动通讯服务，能够满足人们语音、数据、图像等诸多的需求。无线通讯网络，顾名思义是利用无线电波而非线缆来实现与计算机设备位置无关的网络数据传输系统，是现代数据通信系统发展的一个重要方向。随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线通讯技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在

7、一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。无线通讯技术尤其是移动通讯技术的发展，给无线通讯技术在工业控制领域的应用提供坚实的理论基础，从上世纪80年代就开始普及应用的数传电台与远程RTU，到近几年开始崛起的各种标准的中、短程无线通讯技术，此项技术正逐渐渗透入工业控制领域。无线通讯技术正成为继现场总线、工业以太网技术后工业控制领域的又一个热点，国际主流自动化供应商与专业厂商所推出的无线技术与产品层出不穷，而近年来的重点是无线局域网技术与中、短程无线通讯网络。无线传输进入工业控制领域的趋势无可质疑。目前主流无线通讯技术与标准主要包括WLAN、Bluetooth、

8、Zigbee、WiMax、GSM/GPRS/CDMA等2。1.2 常用无线通讯技术原理及应用目前，在工业自动化领域中无线通讯技术协议主要是：对于可用于现场设备层的无线短程网，采用的主流协议是IEEE 802.15.4（如ZigBee）；对于大数据容量的短程无线通信，则是IEEE 802.15.3；而对于适应较大传输覆盖面和较大信息传输量的无线局域网，采用的是IEEE 802.11系列。其应用的重点是无线短程网、无线局域网及GPRS/CDMA网络3。1)无线传感器网络（Sensor Networks）现场设备层无线通信迅速进入工控领域，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。以Zigbee

9、网络为例，其特点是：1）功耗低：由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用休眠模式。2）数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。3）网络容量大：一个Zigbee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。4）时延小：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。5）兼容性：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用

10、CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。6）安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。7）实现成本低：模块的初始成本较低33。典型的产品和应用为：2004年Honeywell推出的基于ZigBee无线传输协议的无线变送器XYR 5000系列；OMRON的无线链接Device Net现场总线主站WD30-ME和从站WD30-SE；德国schild knecht公司推出的无线Profibus-DP产品DE 3000系列；ABB在瑞典的Boliden加工厂利用Ember的无线技术进行的无线通信评估试验。2

11、)无线局域网(Wireless LAN)自从1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。然而，在工业8天津大学硕士学位论文基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统的研究现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不断发展，无线局域网技术将在工业控制网络中发挥越来越大的作用。在工业自动化领域，有成千上万的感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-4

12、85。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE 802.11b和以太网络IEEE 802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力。无线网通信协议可采用IEEE802.3来实现点对点传输方式或采用IEEE802.11实现一点对多点传输方式，也可以在普通局域网基础上通过无线Hub、无线接入站、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，其中现场以无线网卡使用最为普遍。利用无线局域网组建自动化工业网络，相比之下具有有线固定网络无法比拟的优势：（1）无线网络拓扑更适合工业网络应

13、用：支持RS-232工业设备点到点的连接。支持广播的拓扑，多个RS-232工业设备可组成对等网络，相互通信。(RS-232通信协议无法支持多点通信)。客户机/服务器的拓扑，每个RS-232工业设备都可以方便、快捷的接入无线网络中，极大的提高了信息处理能力。（2）无需布线，省去了施工的麻烦：无线局域网利用无线电波传输数据信号，适合于难于布线的环境中搭建数据传输网络。在工业现场，铺设的线缆容易受到频繁的触碰损坏，无线网络则保证了网络的安全性。（3）覆盖范围广：无线局域网在开放空间覆盖半径达550米，室内一般覆盖半径为300-400米，通过室外无线设备传输距离可以达到几十公里。现主要应用在远程视频传

14、输、门禁/考勤管理系统、安防管理系统、生产设备联网自动化、电信/光纤网络监控、医疗/实验仪器联网自动化、工业/流程联网控管等领域。3)蓝牙技术(Bluetooth)4蓝牙是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。自从提出该技术以来，蓝牙技术的发展异常迅速。蓝牙Bluetooth作为一种新的短距离无线通信技术标准，受到全世界越来越多工业界生产厂家和研究机构的广泛关注。近年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在关注蓝牙技术标准的制定和发展。例如，IEEE的标准化机构，也已经成立了802.15工作组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展

15、等问题。IEEE 802.15.2 TG2是探讨蓝牙如何与IEEE 80211b无线局域网技术共存的问题；而IEEE 802.15.3 TG3则是研究未来蓝牙技术向更高速率(如10-20Mbits/s)发展的问题。国内的一些生产厂家与研究部门也准备开始组织蓝牙技术产品的开发。蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通信技术，工作频段是全球开放的2.4GHz频段，可以同时进行数据和语音传输，传输速率可达到10Mb/s，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。蓝牙技术的应用非常广泛而且极具潜力。它可以应用于无线设备(如PDA、手机、智能电话、无绳电话)、图像处理设备(照相机、打印机、扫描仪)、安

16、全产品(智能卡、身份识别、票据管理、安全检查)、消费娱乐(耳机、MP3、游戏)、汽车产品(GPS、ABS、动力系统、安全气袋)、家用电器(电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机)、医疗健身、建筑、玩具等领域。4)GPRS技术5GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是一个叠加在GSM（Global System for Mobile）上专为高速数据通信而设计的新网络，属于一种分组交换的数据承载和传输方式，称为2.5G数字移动通信技术，是GSM向3G移动通信发展的必经阶段。它充分利用现有移动通信网络设备，通过在GSM网络上增加一些硬件设备和软件

17、升级形成一个新的网络逻辑实体，手机通话继续使用GSM，而数据传输则使用GPRS。它采用分组交换方式传输数据，理论上最高数据速率可达171.2Kbps，客户可以在移动状态下通话的同时使用各种高速数据业务。通俗的讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务。GPRS目前支持TCP/IP和X.25业务、GPRS空中接口加密、GPRS附加业务、增强型短信业务（E-SMS）、GPRS分组数据计费（即根据数据量计费）等，其中最显著的是TCP/IP和X.25功能，可以通过TCP/IP和X.25提供电子

18、邮件、WWW浏览、专用数据、LAN接入等业务。GPRS采用分组交换技术，在数据业务的承载和支持上具有明显优势，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，能更有效地利用无线网络信息资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；支持的数据传输速率更高，理论峰值达171.2Kbps；按数据流量计费的核算方式更加灵活；GPRS还支持在进行数据传输的同时进行语音通话。本次系统设计根据应用的实际情况采用Zigbee无线通讯技术，并以此为基础实现煤矿缆车的监控功能。2 缆车监控系统结构设计基于无线通讯的缆车监控系统设计的基本功能是通过无线传输对缆车内部实现语音监控，缆车内的工作人员可以

19、在意外事故发生后按下紧急按钮通知主控室采取有效措施，防止灾难发生6。设计思路是在每个缆车中安装一台分机，同时在地面控制室安装总机，如图2-1所示。两者通过无线信号进行语音通信，缆车中的工人可以随时向地面控制室报告缆车中的位置等情况并请求相关指示，控制室也可以随时询问各个缆车的运行状况以便做出调整。如果地面控制室距离较远，可以在矿井和控制室中途添加基站以确保通信质量。图2-1 系统设计框图Fig.2-1 System block diagram系统设计完成之后，控制室可以一对一选择不同缆车进行通讯，也可以广播的方式对各缆车播报信息，每个缆车中工人也可主动要求与控制室通讯，实现双向通讯。图2-2

20、控制室系统组成Fig.2-2 Control room system components根据总体方案的设计，整个系统主要分为三个子系统：主控室系统，基站系统，缆车系统。主控室系统主要完成与缆车系统的通讯，确保监控功能的实现。在控制室的工作人员可以通过按键设置来选择通讯方式，以广播方式发布消息，或是一对一的方式和某一个缆车系统进行通话这时需要通过按键来选择通讯的对象，同时有LCD液晶显示屏实时显示当前控制器所处的工作模式以及通话缆车的编号，如图2-2所示。基站系统属于主控室系统的附属系统，但由于其要实现的作用比较复杂，所以单独做为一个子系统来进行研究。基站系统的主要工作是通过无线模块接收缆车系

21、统的电磁波信号并读出其中的数据，然后再经RS485总线将接收的数据发送给主控室系统。由于并接在RS485总线上的基站不止一个，在这个过程中可能会出现两个或两个以上的基站同时收到无线数据，如果不采取相应的措施就会出现两个或两个以上的基站同时通过RS485总线向主控室系统传递数据的情况，从而导致RS485总线冲突，数据紊乱，进而造成不能正常通信的现象。这种情况是本设计中一个重点也是一个难点。同时，当主控室需要向缆车系统发送数据时也会出现类似问题，两个或两个以上的基站同时向同一个缆车系统发送无线数据，由于缆车和基站系统中的无线模块使用的是相同波段的电磁波信号，这样就会导致造成数据堵塞，缆车接收的数据

22、出现紊乱，无法完成通讯。为了解决这个问题，系统中采取基于RS485通讯的Modbus协议，具体的研究会在后面的软件设计中会进行叙述。图2-3 基站子系统组成Fig.2-3 Base station subsystems缆车系统是本系统被监控的主体，是整个设计的核心。在这个子系统中主要分为这几个模块：微处理器，无线模块，语音模块和电源模块。另外，为了提供良好的人机交互界面和操作方便，缆车内部还有LCD液晶显示屏和键盘部分。图2-4 缆车子系统组成Fig.2-4 Subsystems of cable car上述为系统的总体结构简述，下面主要以主控室系统，基站系统和缆车系统三部分进行介绍。3 主控

23、室系统设计3.1 主控室系统结构主控室系统用来完成调度人员和缆车内工人的通话，实现监控功能，同时主控制系统与基站系统都是RS485总线上挂载的设备，包含了语音模块，电源模块，RS485模块，以及键盘和LCD显示模块，主控制模块采用Freescale公司的MC9S12XS128微处理控制芯片。系统组成如图3-1所示。图3-1 主控室系统组成Fig.3-1 Master control room system components主控室系统各部分的关系如图3-2所示。主控机在工作过程中，通过RS485总线与基站系统相连并通过基站系统的无线模块将数据发送给缆车系统，同样的，主控机也是通过基站来接收来

24、自缆车的数据，完成双向通讯。图3-2主控室系统功能结构图Fig.3-2 Master control room system function structure键盘部分用来设置系统的工作方式，当调度人员要语音通讯时就通过按键来选择是一对一通话，或是广播消息使缆车里的工作人员完成相应的操作。在工作的过程中，调度人员可以通过LCD液晶显示屏来查看主控机的工作状态和当前通话缆车的编号，保证通讯的正常。主控室系统的全部工作都是在主控芯片的控制下协调工作的。3.2 主控室系统单元模块设计3.2.1 微处理模块的设计图3-3 主控芯片Fig.3-3 Master chip微处理器是整个设计的控制核心，无

25、线通信和语音的编码和解码都由单片机的控制来完成。考虑到整个系统对处理速度和外置资源的要求，设计中采用的控制芯片是MC9S12XS128MAL。MC9S12XS128单片机是Freescale半导体公司自主设计并制造的16位高性能通用微处理器，其特点是：技术成熟，可靠性好，抗干扰和电磁兼容性强，内部资源较多，有很多可供利用的片上资源，接口模块包括SPI，SCI,I2C,A/D,PWM等。它不仅在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途，而且在FLASH存储控制及加密方面也有很强的功能。主控制模块外围电路如图3-4所示。同时主控制芯片还包括DBM程序下载端口，结合机载软件可实现程

26、序的单步跟踪功能。复位端口，当系统处于不稳定状态，异或不能正常工作时，可按下复位键使系统恢复原始设定。稳压电源芯片，将电压稳定在芯片的工作电压5V。晶振电路，提供给主芯片工作频率，它决定着系统工作速率的快慢。电源指示LED灯，在电源给电情况下，指示灯亮，LED灯功耗小，是稳定的冷光源，不易故障，稳定时间可达10年之久。图3-4 主控芯片外围电路Fig.3-4 Master-chip peripheral circuits3.2.2 语音处理模块的设计 图3-5 语音通信模块框图Fig.3-5 Voice communications block diagram语音处理模块的框图如图3-5所示，

27、其中AMBE-1000是语音处理模块的核心，它起要解压语音信息的功能。当压码时，它通过话筒采集语音信息，将其压缩，然后被主控制芯片读取，将语音数据必送出去。处于解码状态时，主控制芯片将语音处理发送给语音芯片，语音芯片解压语音编码，能过DA转换器，然后将模拟信号放大，再通过喇叭广播出去。根据对语音构成的分析，应运而生了多种对音频信号的压缩编码算法，如CELP、RELP、VSELP、MP-MLQ、LPC-10、MBE等，它们通过不同的算法，实现对音频信号的压缩。这些压缩编码算法的压缩率、语音质量各有所长，其中美国DVSI（Digital Voice System Inc）公司提出的先进多带激励AM

28、BE（Advanced Multi-Band Excitation）压缩编码算法是其中的杰出代表。AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有语音音质好和编码速率低等优点，AMBE-1000是一款高性能多速率语音编码/解码芯片，语音编码解码速率可以在24009600bps之间以50bps的间隔变化，即使在2400bps的时候，仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。在芯片内部有相互独立的语音编码单元和解码单元，可同时完成语音的编码和解码任务。并且所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成，不需要额外的存储器。这些特性使它非常适合于数字语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场

29、合7。 AMBE1000的原理图如图3-6所示。图3-6 语音处理电路Fig.3-6 Voice processing circuitAMBE1000是 Digital Voice Systems公司的语音编解码芯片，用来实现双工的语音压缩/解压缩功能，能实现低传输速率下高质量的通话。它采用先进的 AMBE压缩算法，压缩速率最低可达2.4Kb/s。目前，这种算法以其能实现的低传输速率和高通话质量而在世界范围内得到了广泛应用，甚至用在下一代移动通信系统中8。具体来说，AMBE-1000具有如下独特之处： 低硬件成本和高通话质量； 无需外围辅助设备；比特差错和背景噪声良好的鲁棒性；可变传输速率2.

30、4Kb/s9.6Kb/s；可自动插入舒适噪声；可选的串行和并行接口；自带回声抑制功能；DTMF信号的检测与产生；低功耗。AMBE-1000最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器，两者相互独立。编码器接收8KHZ采样的语音数据流（16bit线性，8bit A律，8bit U律）并以一定的速率输出信道数据。相反，解码器接收信道数据并合成语音数据流。编码器和解码器接口的时序是完全异步的。AMBE-1000读写一帧数据所需的时间远小于 20ms。也就是说在 20ms时间内，除了读 1帧或写 1帧数据外，处理器还有大量的时间做其它的事。这使人们有可能在半双工的低速信道内实现全双工的语音通话。AMBE

31、-1000采用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit线性的，8bit A律，8bit u律），信道接口采用8位或16位的微控制器。 图3-7 语音后处理电路Fig.3-7 Voice processing circuit afterCSP1027-S是DA转换芯片，其外接电路如图3-7所示，其主要作用如下所述。芯片可选择的功能包括回声抵消、VAD（语音激活检测）、电源模式、数据/前向纠错速率的选择等，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧数来决定，并且送往解码器用于控制的数据和语音数据是不同的。A/D-D/A芯片的选择对所设计的系统的声音质量

32、起着关键的作用。由于A律或U律压扩芯片在采样时对数据做了压缩以减少位数，为了声音质量的考虑，建议采用16 位线性的芯片。选择芯片时要特别注意信噪比以及滤波器的频率响应特性。 A/D-D/A的硬件接口是很灵活的，时钟和激励信号可以由外部送入也可以由内部产生给可编程A/D-D/A发送控制字需要一个额外的接口。信道接口使芯片易于集成到设计的系统中。基本的信道接口包括串口和并口，它们都能工作于主动模式和被动模式，模式选择的控制信号可以由芯片内部给出也可以从外部送入。 常规操作时，每20ms编码器输出一帧编码过的数据，解码器需接收到这样的数据。编码器和解码器的数据需要格式化，格式化的主要目的就是为编码数

33、据流提供对齐信息。数据的格式包括帧格式和非帧格式。并口模式只工作于帧格式，串口模式既可工作于帧格式也可工作于非帧格式。 帧格式和非帧格式两种格式都是为了实现相同的功能：为编码数据流提供定位信息。工作于帧格式时，每20ms由编码器送出一帧数据，该帧数据有固定的结构，其中包含了用于本地控制的状态标志位。实际上按一定波特率的编码数据才是帧格式中需要在信道间传送的语音数据。帧格式下，系统需要在传送编码数据的同时传送足够的信息，这些信息用于在解码器端重构语音数据流。这些信息可以很具体，但至少要满足用于重构的要求。 非帧格式下，编码器的输出数据可以认为是连续的声音数据流，这些编码数据中包含了帧的信息。这种

34、格式的优点是不会为信道加重带宽的负载。缺点是解码器在合成语音波形前需要接收10-12帧的数据才能达到与数据流同步的目的。同时，非帧格式下，每帧只指定一位用于数据的对齐，在更高误码率的信道中，需要增加更多的对齐位才能达到更高的性能（用帧格式就能很容易实现）。当工作于帧格式时，信道数据的接口可以是串行的也可以时并行的。而非帧格式只局限于串行。另外帧格式使芯片既可以工作于主动模式也可以工作于被动模式，而非帧格式只能工作于被动模式。总的编码数据由两部分组成：语音数据和前向纠错数据。前向纠错数据加到语音数据中使解码器能够纠正一定量的错误而使数据帧不至于报废。如果信道传输时可能存在较多的错误，那么就应当增

35、加前向纠错数据的位数。当然声音要达到高质量的话就必须有更多的语音数据位。数话同传板内的各部分电路的工作电源间有的相互独立, 有的相互联系。具有A/D 和D/A转换功能的语音芯片CSP1027 的供电电路由两部分组成,数字部分的供电电源还是+3.3V电源供电(VCC) ，这部分的地线也是数字地(GND)；另外一部分是模拟部分，模拟电源线(AVCC)汇集在一起后通过软铁氧体磁珠接入+5V电源(V CC)，模拟地线(AGND)汇集在一起后通过短路线单点接入CSP1027 芯片的数字地(GND)。建议在电路板的电源输入端口并联两个470uF的钽电容，以防电源线上的纹波和噪声干扰。图3-8 语音处理模块

36、Fig.3-8 Voice processing module语音处理模块如图3-8所示。就功能来说，AMBE-1000是一款优秀的语音压缩处理器；就其能达到的最低压缩速率来看，已达到了世界先进水平，而且能够保证高质量的通话质量。这使得它在世界范围内得到了广泛应用；但其压缩算法为非标准算法，致使由 AMBE-1000构成的语音处理系统只能用在某些专用网上。即使如此，它仍不失为在语音处理领域一款优秀的处理器。3.2.3 键盘模块的设计图3-9 编码式键盘原理图Fig.3-9 Schematic coding keyboard相对非编码键盘，编码式键盘的优点在于它由硬件进行译码，占用处理器资源少，

37、软件编写简单，但是电路相对复杂一些，成本较高。在工作过程中，微处理器既要接收和处理RS485总线上的数据，同时还要对大量的语音数据进行处理，工作量比较大，所以为了节省CPU的时间和资源，决定采用编码式键盘，如图3-9所示。编码式键盘的硬件结构如图所示，由16个按键，两片74LS148编码器，4个PNP三极管和若干电阻构成。74LS148是8线-3线优先编码器，管脚图如图3-10所示。图3-10 74LS148编码器引脚图Fig.3-10 74LS148 encoder pin diagram引脚功能：07编码输入端(低电平有效)EI选通输入端(低电平有效) A0、A1、A2编码输出端(低电平有

38、效) GS宽展端(低电平有效)EO选通输出端编码式键盘工作在中断模式下。在没有按键被按下的时，U1和U2的输入端全部由上拉电阻稳定在高电平，按照功能表，U2的A0，A1，A2引脚全部为高，同时U2的GS管脚输出高电平，禁止U1，U1的A0，A1，A2引脚也全部为高电平，所以数据口的电平为0b1111 1111并一直保持。当有按键被按下时，如S1按下，U2的3号引脚与接地电阻R9相连，虽然此时引脚上有一定电压值，但是由于上拉电阻比较大，3号脚上的不超过1.2V，低于高电平的阈值，故U2认为3号脚输入为低电平，按照表A0，A1，A2输出为001，同时U2的GS输出低电平，使能U1。有S1被按下，三

39、极管Q1的基极与R9相连，只要R9上的压降大于0.7V就能使Q1导通，致使U1的0号引脚上为低电平，A0，A1，A2输出为111，同时GS输出低电平，产生中断。此时数据口的电平为0b01110100,由微处理器进行读值，进而判断是哪一个按键被按下。功能表：表3-1 74LS148编码器功能表Tab.3-1 74LS148 encoder menuInputsOutputsEI01234567A2A1A0GSEOH××××××××HHHHHLHHHHHHHHHHHHLL××××

40、×××LLLLLHL××××××LHLLHLHL×××××LHHLHLLHL××××LHHHLHHLHL×××LHHHHHLLLHL××LHHHHHHLHLHL×LHHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHHLH说明：H高电平 L低电平 X任意3.2.4 RS485总线设计系统主要通过485总线与上位机进行通信，物理层的485总线是通过MAX485芯片来实

41、现的，具体电路接法如图3-11，在485总线后边接TLP521光耦隔离芯片主要是将数字信号与电路隔离，以免产生干扰，减少误码率。图3-11 MAX485标准电路Fig.3-11 MAX485 standard circuit在数据通信，计算机网络以及分布式工业控制系统当中，经常需要使用串行通信来实现数据交换。目前，有RS-232,RS-485,RS-422几种接口标准用于串行通信。RS-232是最早的串行接口标准，在短距离（<15M），较低波特率串行通信当中得到了广泛应用。其后针对RS-232接口标准的通信距离短，波特率比较低的状况，在RS-232接口标准的基础上又提出了RS-422接口

42、标准，RS-485接口标准来克服这些缺陷。下面详细介绍RS-485接口标准。RS-485采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压。故传输信号在千米之外都是可以恢复。RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。支持多点数

43、据通信，RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器才可以。RS-485总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。如图3-12所示，为输出前将数据与外部连接电路用光电耦合器将数据进行耦合，避免系统电路与外部电路的直接接触，增加了系统的稳定性，同时也保证了数据传输过程中发送与接收都按照同一结构进行。图3-12 数据保护电路Fig.3-12 Data protection circuit在485总线

44、基础上Modbus协议9，Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信

45、息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。3.2.5 电源模块电源模块原理如图3-13所示。电源模块是一个开关电源电路，开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。图3-13 电源电路原理图Fig.3-13 Power circuit schematic其整体思路是先整流、PWM调制、稳压、滤波、直流输出。采用单闭环回路进行控制。图3-14 电源电路Fig

46、.3-14 Power supply circuit电源部分供电电压是交流220V电压，当交流供电电源的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。直流稳压电源的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。电压稳定度表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。电源功耗小，效率可达85左右，只需在电路中加入一定的滤波电路，即可实现整个电路电压的稳定性。电源电路原理图如图3-14所示。同时电源电路中还包括稳压电路，其

47、主要构成部分是稳压二极管。稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。图3-15 电源滤波电路Fig.3-15 Power filter circuit电源滤波电路如图3-15所示。电源滤波电路滤去电源中的纹波，可保证电源供电的稳定性。由于电路处于高开关电源的环境下以及电源的质量较差的环境下，通过滤波可保证电源的质量，以提高电源供电的平稳性。图3-16 电源模

48、块Fig.3-16 Power module电源模块实物如图3-16所示。其具有如下的特点：高效率、高可靠性，隔离单电压输出、体积特别小、功率密度大、占线路板空间小、隔离电压高、耐冲击性好、高低温特性好、能满足工业级产品技术要求、国际标准引脚方式、阻燃封装、满足UL94-V0要求、温升低、自然空冷、无需外加散热片、无需外加元件可直接使用。因此本系统选用此电源模块。3.2.6 LCD显示模块主控室系统中采用液晶屏作为显示模块。使用LCD来显示信息要比数码管显示好很多，减轻了单片机的负担，显示内容丰富而且美观。设计中采用的是NOKIA 5110显示模块，由于其本身没有字库，在显示之前必须先存储所要

49、用到字符代码。NOKIA 5110中的每个字符可由8×6个点阵组成，每一屏可以显示14×6一共是84个字符。该模块使用3.3V电压供电，功耗较小。图3-17为NOKIA5110的接口电路。图3-17 LCD模块接口Fig.3-17 LCD module interface3.3 主控机软件设计对于MC9S12XS128MAL单片机，可以使用汇编和C语言来进行软件开发设计。C语言既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此，它的应用范围广泛，不仅仅是在软件开发上，而且

50、各类科研都需要用到C语言，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。相对汇编语言来讲，虽然在执行效率上不如汇编语言，但是由于本系统设计程序量比较大而且对逻辑时序的安排比较紧密，使用汇编语言不容易查找错误，设计难度大，所以所有程序的编写均是采用C语言来完成的。主控室系统主要包括语音模块，键盘模块，RS485总线，总线采用Modbus协议。3.3.1 主控室的主程序流程主控室子系统的组成框图已经在前面的方案设计中给出，它主要完成的功能是能够与各缆车内的人员进行一对一的语音通话，并且也能以广播的方式对各缆车系统发布消息和命令，实现监控的任务。在这个系统中配有LCD液晶显示屏，作为人机交互界面，LCD用来

51、对当前主控机的状态进行显示，经过人性化设计，方便工作人员的操作，起到很好的人机交互作用。图3-17 主控室系统主程序及中断子程序流程图Fig.3-17 Main program of main control room and interrupt subroutine flow chart of the system如图3-17所示，主程序主要实现语音模块的初始化，LCD液晶的初始化，主动建立通话或是通过在终端中被动接受通话，在通话的过程中完成语音处理功能。3.3.2 语音模块处理软件设计语音芯片的初始化，模拟语音信号与AMBE-1000芯片之间要通过A/D-D/A芯片来连接。A/D-D/A芯

52、片的选择要慎重，最好要选 16 位线性的器件。另外也要考虑这些器件的信噪比和滤波特性。通常来讲，频率响应（202400HZ）越平坦，那么整个系统的声音效果就会越好。语音芯片的发送流程图如图3-18所示。AMBE-1000与A/D或D/A接口的语音采样率都是8KHZ，这8KHZ的语音数据通过串口来输入输出。串口的控制信号可以完全由使用者来设定。最灵活的办法就是向解码器输入一帧ID=0x03的命令帧来设置这些控制信号，使用者可以对SIOC进行全部的配置。另外，如果使用的A/D-D/A芯片是可编程的（Lucent CSP1027），那么编程信息也可以通过命令帧传送。图3-18 AMBE发送数据流程图

53、Fig.3-18 AMBE send data flow diagram在本系统中，由于使用的是硬件编码，不需要在CPU中编译压缩算法，单片机的主要功能就是控制。单片机控制程序按功能大致可以分为三部分:复位及时钟分频程序、发送程序和接受程序。主芯片AMBE-1000进行初始化，即由单片机发出一个负脉冲信号，该脉冲信号的宽度需要不少于六个主芯片上(CLK-I)时钟周期。AMBE-1000复位完成后即向编码器发送控制字，设定其采样频率以及帧同步信号的频率，使其按照主芯片的要求工作。工作时，每20ms从AMBE-1000读出一帧编码后的数据，送至单片机中进行处理，包括去除帧头、把纯语音数据暂存在FI

54、FO中，然后用一个8KHZ的时钟将FIFO中的语音数据发送到信道。需要特别注意的是：已编码的数据帧每20ms才有一帧，不是连续的，每帧数据输出完毕后，则全部为零。，同样地，在收端，要将来自信道的2.4Kb/S的语音数据流暂存在FIFO中，产生钟后每20ms将重组的一帧数据输入主芯片进行解码。单片机初始化(设置串行通信波特率，发出指令，使AMBE-1000复位进入正常工作状态)，从AMBE-1000的技术资料显示可知，AMBE-1000每20ms输出一帧34Byte，那么在1s之间就有50帧，每秒相当速率:34(Byte)*8(bit)*50(帧)=13600bit/s。在本系统中，单片机采用中

55、断服务程序来进行串行通信，一旦有数据要传输，可以触发单片机外部中断(INT0)，来完成34Bytes的传输。图3-19 语音芯片AMBE接收数据流程图Fig.3-19 AMBE voice chip to receive data flow diagram当AMBE-1000准备好，然后触发单片机外部中断(INT0)，同样从AMBE-1000的技术资料显示可知，AMBE-1000每20ms输入一帧34Bytes，那么在ls之间就要接收50帧，而每一帧都有固定的格式，其中帧头为0x13EC，为了能正确回放语音，就必须保证回放数据的正确帧格式，首先获取第一个字节判断是否13(若不是重新获取一个字节

56、)。然后依次获取一帧的另外33字节数据，送往AMBE-1000的DECODER。其接收数据流程图如图4-25所示。3.3.3 RS485总线Modbus协议软件设计完成了串行通信初始化工作之后，当RS485总线上有数据时便会自动一位一位地传送到USARTI的接收存器中。传送够一个字节(8位)时便响应一次接收中断。所以，应该定义一个函数FrameReceive()。每次产生接收中断响应时，在中断响应处理函数中调用FrameReceive()，把接收的字节写入定义好的接收缓冲区R-485-S 里，便能实现对RS485数据接收了。但是因为RS485总线上的数据是按ModbuS协议发过来的。所以，Fr

57、ameReceive()函数在接收每个数据时要进行一些必要的判断，这个函数所作的判断的过程如图5-10流程所示：在RS485数据接收模块中还需要实现一个LRC校验函数：Int LRCCheek(unsignedehare_arr)对接收到的数据进行较验。这个函数完成的工作就是把接收到的数据按字节相加，丢掉进位，求得和的值，再算出这个值的补码，然后与发过来的LRC校验值进行对比。如果两值相等返回1，不相等就返回2。图3-20 Modbus数据流程图Fig.3-20 Modbus data flow diagram4 基站系统4.1 基站系统的组成图4-1 基站系统组成图Fig.4-1 Composition of the base station system diagram 基站是主控室系统的附属设备，通过RS485总线与主控机相连。基站的主要任务就是作为主控机与缆车系统的接口，进行数据传递和交换，将接收的无线数据通过RS485总线传递给主控机，同时将RS485总线接收的数据通过无线模块发送给缆车系统。4.2 基站硬件电路设计基站使用和主控机一样的核心器件，其中主控制芯片采用核心独立设计的方式，其本身就是一个独立的系统，当与主控室系