针对煤矿井下声光报警设备存在语音和声光报警形式单一，不具备远程通信功能，只能小范围报警，不能满足安全监控系统升级改造要求的分级报警要求，设计了 1 款新型的矿用本质安全型语音声光报警器。该报警器主要采用音频文件播放方式实现语音分类报警; 采用红、绿、黄 3 色高亮 LED 闪光形式实现分级报警。在煤矿井下实际使用中，可通过 ＲS-485 总线接口，与安全监控系统数据联动，当井下安全环境参数、生产工况参数等超限时，及时有效地进行了分类和分级声光报警，可提醒井下人员撤离至安全区域，保障了矿井安全生产。

 

矿用本安型声光语音报警器的设计的硬件设计采用 AＲM 嵌入式技术设计，集语音处理、模拟闪光控制、音频文件管理、外部电平触发、数据通信于一体，实现集成度高、成本低、可靠性高、操作方便的语音声光报警。

矿用本安型声光语音报警器的设计

1． 1 AＲM 处理器系统

语音声光报警器采用 LPC1768 微控制器，使用高性能的 32 位 AＲM Cortex-M3 内核，最高工作速度为 100MHz，拥有 512 kB 闪存和 64 kB SＲAM，串行外设有 USB2． 0 全速器件/主机/OTG 控制器、4 个 UAＲT、SPI 控制器等，模拟外设有 12 位模数转换器、10 位数模转换器，以及丰富的 I/O 资源。使用微控制器内高度集成的这些外设资源进行硬件接口设计，包括 2 路开关量输入、1 路 ＲS-485 总线接口、 1 路 USB 接口、红外遥控接收器、模拟音频信号输出和高亮 LED 灯阵列控制，以及扩展串行 Flash 存储器。

1． 2 光报警

采用红、绿双色高亮 LED 灯组成 5 个灯条陈列，置于半透明圆柱形灯罩内，经过灯罩内壁菱纹的折射，可均匀发出红、绿、黄( 红绿合成) 3 种颜色的光，实现 360°可视范围闪光报警的视觉效果。光报警原理实现如图 2 所示，每个灯条有 8 个 LED 灯，借助 8 位串入并出移位寄存器 74LV595 进行控制。把每个灯条的 74LV595 芯片级联起来，通过微控制器的 I/O 口模拟串行总线，定时把编码数据移位输出和锁存显示，报警器就呈现出闪烁、旋转、跳越等多种闪光类型。

 

1． 3 ＲS-485 总线

通过 LPC1768 控制器的一路 UAＲT，连接 ＲS485 总线驱动器 SN65LBC184，挂接到上级 ＲS-485 总线，可构成远程控制报警系统。其 ＲS-485 电路采用了电气隔离和接口保护设计，提高了通信接口抗干扰性。电气原理框图如图 3 所示，其中电气隔离是通过 DC-DC 将系统电源和 SN65LBC184 收发器的电源隔离，通过光耦将信号隔离。接口保护通过气体放电管和瞬态电压抑制二级管构成前后级浪涌电压防护，以及信号线上串联共模扼流圈，可有效减小高频共模噪声［2］。

 

2 MP3 语音文件播放设计

利用 LPC1768 微控制器 MCU 创建 1 个单一、成本低、单芯片的 MP3 播放器，实现语音报警功能。语音文件播放原理如图 4 所示，主要把报警器当作 U 盘，使 用 PC 机 拷 入 MP3 文 件，存 储 在 AT45DB321D 闪存芯片中。采用 Fatfs 文件系统，从存储芯片中读入 MP3 数据给 Libmad 解码，最后通过 LPC1768 的 DAC 转换成模拟信号输出。

2． 1 Libmad 音频解码库

MAD( libmad) 是 1 个开源的高质量 MPEG 音频解码库，其全称是MPEG Audio Decoder。Libmad支持 MPEG-1、低采样率的 MPE2-2 和 MPEG2． 5 格式的 LayerⅠ、LayerⅡ、LayerⅢ( 即 MP3) 的解码。libmad 提供 24-bit/s 的 PCM 输出，完全定点计算，非常适合在没有浮点支持的嵌入式硬件平台上使用［3］。

通过嵌入式 FatFS 文件系统 API 函数打开 MP3 文件，把音频文件流读入给 Libmad 解码核心，Libmad 解码出来的数据为 24bit 的 PCM 数据，通过舍入裁剪，将 24bit 高分辨率样本数据转换到 10bit 格式，然后推入 FIFO 缓冲区。中断服务程序周期性地从软件 FIFO 缓冲区中读取音频原样本信号，送入 LPC2368 的 DAC，把数字信号转换为模拟信号，最后通过音频功率放大器驱动喇叭进行声音播放。

2． 2 文件存储与访问

报警器设计有 USB 接口，把报警器模拟成 1 个 U 盘，可以添加删除音频文件，方便用户自编报警内容时，操作简单易用。USB 设备端口采用 LPC1768 芯片自带的 USB 设备端口，完全符合 USB V2． 0 全速 器 件 规 范。存 储 设 备 采 用 SPI 总 线 接 口 的 AT45DB321D 闪存芯片。整个文件存储与访问软件设计如图 5 所示。

 

USB 大容量存储设备类规范包括 4 个独立的子类规范，这 4 个子类规范分别是批量单独输送 ( Bulk- Only) 、控制/批量/中断输送( CBI) 、UFI 命令规范和 ATA 命令块［4］。设计使用其中的 1 种块存储 Bulk-Only 协议。USB 设备( 报警器) 通过响应主机的标准设备请求，使主机能识别到。主机得到 USB 设备的描述符后，即完成了设备的配置，识别出 Bulk-Only 的 Mass Storage 设备，然后会进入 BulkOnly 传输方式。在此方式下，设备与主机通过 USB 端点按 Bulk-Only 模式响应 UFI( SCSI 命令子集) 中的指令，以扇区为单位读写 Flash 存储芯片。由于存储芯片只有 4M byte 存储空量，Flash 芯片的存储单元组织形式采用 FAT16 文件系统，以减小 FAT 表占用存储空间。通过 Windows 进行格式化，并负责对 FAT16 文件系统的管理。

Flash 存储芯片上已有了 FAT16 文件系统，以及拷入的 MP3 音频文件。通过移植的嵌入式 FatFS 文件系统，调用 FatFs 提供给用户的一系列应用接口函数，如 f_open、f_read、f_write、f_close、f_unlink 等，就可以像在 PC 上读/写文件那样简单。FatFS 主要需要 1 个存储媒介读/写接口 DiskIO 。DiskIO 接口是由 LPC1768 微控制器通过 SPI 总线操 作 AT45DB321D 芯片，实现磁盘驱动器的初始化、状态和控制参数获取、读/写 1 个扇区等。