針對煤礦井下聲光報警設備存在語音和聲光報警形式單一，不具備遠程通信功能，只能小范圍報警，不能滿足安全監控系統升級改造要求的分級報警要求，設計了 1 款新型的礦用本質安全型語音聲光報警器。該報警器主要采用音頻文件播放方式實現語音分類報警; 采用紅、綠、黃 3 色高亮 LED 閃光形式實現分級報警。在煤礦井下實際使用中，可通過 ＲS-485 總線接口，與安全監控系統數據聯動，當井下安全環境參數、生產工況參數等超限時，及時有效地進行了分類和分級聲光報警，可提醒井下人員撤離至安全區域，保障了礦井安全生產。

 

礦用本安型聲光語音報警器的設計的硬件設計采用 AＲM 嵌入式技術設計，集語音處理、模擬閃光控制、音頻文件管理、外部電平觸發、數據通信于一體，實現集成度高、成本低、可靠性高、操作方便的語音聲光報警。

礦用本安型聲光語音報警器的設計

1． 1 AＲM 處理器系統

語音聲光報警器采用 LPC1768 微控制器，使用高性能的 32 位 AＲM Cortex-M3 內核，最高工作速度為 100MHz，擁有 512 kB 閃存和 64 kB SＲAM，串行外設有 USB2． 0 全速器件/主機/OTG 控制器、4 個 UAＲT、SPI 控制器等，模擬外設有 12 位模數轉換器、10 位數模轉換器，以及豐富的 I/O 資源。使用微控制器內高度集成的這些外設資源進行硬件接口設計，包括 2 路開關量輸入、1 路 ＲS-485 總線接口、 1 路 USB 接口、紅外遙控接收器、模擬音頻信號輸出和高亮 LED 燈陣列控制，以及擴展串行 Flash 存儲器。

1． 2 光報警

采用紅、綠雙色高亮 LED 燈組成 5 個燈條陳列，置于半透明圓柱形燈罩內，經過燈罩內壁菱紋的折射，可均勻發出紅、綠、黃( 紅綠合成) 3 種顏色的光，實現 360°可視范圍閃光報警的視覺效果。光報警原理實現如圖 2 所示，每個燈條有 8 個 LED 燈，借助 8 位串入并出移位寄存器 74LV595 進行控制。把每個燈條的 74LV595 芯片級聯起來，通過微控制器的 I/O 口模擬串行總線，定時把編碼數據移位輸出和鎖存顯示，報警器就呈現出閃爍、旋轉、跳越等多種閃光類型。

 

1． 3 ＲS-485 總線

通過 LPC1768 控制器的一路 UAＲT，連接 ＲS485 總線驅動器 SN65LBC184，掛接到上級 ＲS-485 總線，可構成遠程控制報警系統。其 ＲS-485 電路采用了電氣隔離和接口保護設計，提高了通信接口抗干擾性。電氣原理框圖如圖 3 所示，其中電氣隔離是通過 DC-DC 將系統電源和 SN65LBC184 收發器的電源隔離，通過光耦將信號隔離。接口保護通過氣體放電管和瞬態電壓抑制二級管構成前后級浪涌電壓防護，以及信號線上串聯共模扼流圈，可有效減小高頻共模噪聲［2］。

 

2 MP3 語音文件播放設計

利用 LPC1768 微控制器 MCU 創建 1 個單一、成本低、單芯片的 MP3 播放器，實現語音報警功能。語音文件播放原理如圖 4 所示，主要把報警器當作 U 盤，使 用 PC 機 拷 入 MP3 文 件，存 儲 在 AT45DB321D 閃存芯片中。采用 Fatfs 文件系統，從存儲芯片中讀入 MP3 數據給 Libmad 解碼，最后通過 LPC1768 的 DAC 轉換成模擬信號輸出。

2． 1 Libmad 音頻解碼庫

MAD( libmad) 是 1 個開源的高質量 MPEG 音頻解碼庫，其全稱是MPEG Audio Decoder。Libmad支持 MPEG-1、低采樣率的 MPE2-2 和 MPEG2． 5 格式的 LayerⅠ、LayerⅡ、LayerⅢ( 即 MP3) 的解碼。libmad 提供 24-bit/s 的 PCM 輸出，完全定點計算，非常適合在沒有浮點支持的嵌入式硬件平臺上使用［3］。

通過嵌入式 FatFS 文件系統 API 函數打開 MP3 文件，把音頻文件流讀入給 Libmad 解碼核心，Libmad 解碼出來的數據為 24bit 的 PCM 數據，通過舍入裁剪，將 24bit 高分辨率樣本數據轉換到 10bit 格式，然后推入 FIFO 緩沖區。中斷服務程序周期性地從軟件 FIFO 緩沖區中讀取音頻原樣本信號，送入 LPC2368 的 DAC，把數字信號轉換為模擬信號，最后通過音頻功率放大器驅動喇叭進行聲音播放。

2． 2 文件存儲與訪問

報警器設計有 USB 接口，把報警器模擬成 1 個 U 盤，可以添加刪除音頻文件，方便用戶自編報警內容時，操作簡單易用。USB 設備端口采用 LPC1768 芯片自帶的 USB 設備端口，完全符合 USB V2． 0 全速 器 件 規 范。存 儲 設 備 采 用 SPI 總 線 接 口 的 AT45DB321D 閃存芯片。整個文件存儲與訪問軟件設計如圖 5 所示。

 

USB 大容量存儲設備類規范包括 4 個獨立的子類規范，這 4 個子類規范分別是批量單獨輸送 ( Bulk- Only) 、控制/批量/中斷輸送( CBI) 、UFI 命令規范和 ATA 命令塊［4］。設計使用其中的 1 種塊存儲 Bulk-Only 協議。USB 設備( 報警器) 通過響應主機的標準設備請求，使主機能識別到。主機得到 USB 設備的描述符后，即完成了設備的配置，識別出 Bulk-Only 的 Mass Storage 設備，然后會進入 BulkOnly 傳輸方式。在此方式下，設備與主機通過 USB 端點按 Bulk-Only 模式響應 UFI( SCSI 命令子集) 中的指令，以扇區為單位讀寫 Flash 存儲芯片。由于存儲芯片只有 4M byte 存儲空量，Flash 芯片的存儲單元組織形式采用 FAT16 文件系統，以減小 FAT 表占用存儲空間。通過 Windows 進行格式化，并負責對 FAT16 文件系統的管理。

Flash 存儲芯片上已有了 FAT16 文件系統，以及拷入的 MP3 音頻文件。通過移植的嵌入式 FatFS 文件系統，調用 FatFs 提供給用戶的一系列應用接口函數，如 f_open、f_read、f_write、f_close、f_unlink 等，就可以像在 PC 上讀/寫文件那樣簡單。FatFS 主要需要 1 個存儲媒介讀/寫接口 DiskIO 。DiskIO 接口是由 LPC1768 微控制器通過 SPI 總線操 作 AT45DB321D 芯片，實現磁盤驅動器的初始化、狀態和控制參數獲取、讀/寫 1 個扇區等。