摘  要： 采煤機在現(xiàn)代煤礦工業(yè)中起著至關重要的作用，為提高其安全生產效率，提出了一種基于STM32F103VCT6微處理器和CC1100無線收發(fā)芯片的采煤機無線遙控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用433 MHz頻段的RF信號實現(xiàn)了發(fā)送單元與接收單元間的無線通信，設計了硬件電路，給出了軟件流程。實驗結果表明，該無線遙控系統(tǒng)具有通信效果良好、功耗低、性能穩(wěn)定等特點。

　　關鍵詞： 采煤機；無線遙控；STM32F103VCT6；CC1100

0 引言

　　采煤機是實現(xiàn)煤礦生產機械化和現(xiàn)代化的重要設備之一。機械化采煤可以減輕體力勞動、提高安全性，達到高產量、高效率、低消耗的目的。由于采煤機的實際開采空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，司機手工作業(yè)時存在著巨大的安全隱患。傳統(tǒng)的采煤機控制多采用機組電纜線控制，操作十分不便，因此，設計一種高效靈活的采煤機遠程無線遙控裝置顯得尤為重要[1]。

1 采煤機無線遙控系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)構成

　　1.1 工作原理

　　采煤機遙控系統(tǒng)的典型應用如圖1所示。其兩端各有一個滾筒，前滾筒在上割頂煤，后滾筒在下割底煤。兩滾筒一般相背旋轉，司機左側滾筒用左螺旋，司機右側滾筒用右螺旋。也可相向旋轉，司機左側滾筒用右螺旋，司機右側滾筒用左螺旋。一般采用雙向采煤，先進刀后移機頭的斜切進刀方式；也可采用進刀同時移機頭的正切進刀方式[2]。

　　針對以上應用，整套系統(tǒng)共有4臺發(fā)送單元，2臺接收單元。使用時，2臺手持發(fā)送單元在礦上充電，其余2臺手持發(fā)送單元和2臺接收單元帶到礦下配對使用。為實現(xiàn)收發(fā)單元的通用，發(fā)送單元和接收單元均可以設置方向（左/右）。設置后，左發(fā)送單元控制左接收單元；右發(fā)送單元控制右接收單元。

　　1.2 系統(tǒng)構成

　　系統(tǒng)分為手持發(fā)送單元和接收單元，兩個單元均以STM32F103VCT6為控制核心，輔以按鍵采集模塊、LED指示模塊、基于CC1100的無線收發(fā)模塊等輔助電路。配對使用的手持發(fā)送單元與接收單元需設置好相同的方向（即設備ID）和信道，手持發(fā)送單元采集按鍵信息，發(fā)送給接收單元，由接收單元轉為CAN或RS485通信方式控制采煤機上的PLC控制箱[3-4]。為方便調試及使用，接收單元上設計與手持發(fā)送單元同樣的按鍵輸入，可以直接對采煤機進行控制。系統(tǒng)整體結構如圖2所示。

2 硬件設計

　　采煤機無線遙控系統(tǒng)使用STM32F103VCT6作為主控芯片，該芯片具備高性能的ARM CortexM3 32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置128 KB Flash和 20 KB SRAM的高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，2個I2C接口和SPI接口、3個UART接口、1個USB接口和1個CAN接口。其良好的性能完全滿足系統(tǒng)的應用要求。以下介紹以STM32F103VCT6為核心的外圍電路設計。

　　2.1 按鍵采集模塊

　　按鍵采集模塊主要完成兩部分功能：一是設置手持發(fā)送單元和接收單元的方向與信道，為了防止操作人員的誤按，必須長按使能鍵才能對方向和信道進行設置；二是采集采集機當前需要的控制指令，如主停、左行、右行、截升、截降、加速、減速等功能。系統(tǒng)設置15路按鍵輸入，3路作為設置鍵，其余12路作為功能鍵，為提高系統(tǒng)的通用性，除完成采煤機現(xiàn)有控制功能外，預留5路按鍵做備用。按鍵采集面板如圖3所示。

　　2.2 LED指示模塊

　　如圖3所示，LED指示模塊由11個LED指示燈組成，分別指示電源、方向（左/右）、通信、信道的當前狀態(tài)。其中，電源指示燈由硬件點燈，電源正常為綠色，欠壓為紅色；左、右指示燈指示設備當前控制采煤機左側或右側滾輪，也表示設備的ID；通信燈指示設備的無線通信狀態(tài)；信道燈指示設備當前配置的433 MHz頻段的信道。

　　2.3 無線通信模塊

　　無線通信模塊采用CHIPCON公司的CC1100作為核心芯片。該芯片是0.35 m CMOS工藝生產的全集成收發(fā)芯片，功耗超低。它可工作在工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）、SRD（Short rang device）頻段，設計標準頻段為315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz，同時它能夠很好地通過簡單的串行接口程序控制工作于300 MHz~1 000 MHz[5]。

　　芯片集成了一個高度可配置的調制解調器，這個調制解調器支持不同的調制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500 kb/s。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，使性能得到提升。CC1100為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。其主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收FIFO（先進先出堆棧）可通過SPI接口控制[6-7]。針對以上優(yōu)點，設計采用CC1100的433 MHz頻段通信，用戶可以通過按鍵配置芯片工作在6個信道之一，以達到多臺設備同時使用互不干擾的目的。無線收發(fā)模塊的電路如圖4所示。

　　2.4 供電模塊

　　手持發(fā)送單元與接收單元的供電模塊不同，前者采用DC3.3 V充電鋰電池供電，后者采用采煤機上的DC24 V供電。供電電路如圖5~圖7所示。手持發(fā)送單元配以充電管理電路，采用紅綠兩個指示燈，充電狀態(tài)亮紅燈，充滿后亮綠燈。

　　2.5 智能輸出接口模塊

　　無線通信模塊包括接收單元的CAN通信模塊和RS485通信模塊。STM32F103VCT6有內置的CAN控制器，因此只連接一個CAN收發(fā)器PCA82C250即可組成CAN通信電路。RS485通信模塊采用MAX485作為電平轉換芯片，與CPU的UART引腳相連作為RS485輸出接口。為了提高信號的傳輸質量并保護核心電路，兩部分電路都采用了光耦6N137做抗干擾和保護設計。CAN和RS485的接口電路如圖8和圖9所示。

3 軟件設計

　　在軟件設計上采用時間片輪轉法，極大地減小了CPU的等待時間，提高了CPU的利用率。

　　設計中TIMER中斷時間規(guī)定為1 ms；UART0傳輸率規(guī)定為9 600 b/s，作為接收單元的RS485輸出口；CAN傳輸率規(guī)定為100 kb/s，作為接收單元的智能輸出接口；CC1100芯片與CPU通過SPI收發(fā)命令，通信速率為9 600 b/s。

　　3.1 軟件通信協(xié)議

　　系統(tǒng)在433 MHz頻段上做無線通信，為了避免無線信號包的干擾，除了設置信道外，還制定了通信協(xié)議，協(xié)議解析正確的包才能被有效處理。本系統(tǒng)的設備間無線通信協(xié)議如表1所示。協(xié)議定義了起始字符、包長度、設備ID、命令狀態(tài)和校驗和。

　　RS485和CAN智能接口的通信協(xié)議的數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)送內容除了修改源設備ID和目的設備ID外，其余部分與該協(xié)議一致。

　　3.2 發(fā)送單元軟件設計

　　手持發(fā)送單元軟件設計上包括設置模塊、讀取和保存配置模塊、功能采集模塊、LED顯示模塊以及無線發(fā)送模塊5部分，在這5個子模塊的基礎上，建立定時時間句柄，每100 ms執(zhí)行一次該定時任務。具體的流程如圖10所示。

　　3.3 接收單元軟件設計

　　接收單元包括設置模塊、讀取和保存配置模塊、功能采集模塊、LED顯示模塊、無線接收模塊、RS485發(fā)送模塊以及CAN發(fā)送模塊7個部分。與發(fā)送單元一樣，建立輪循任務，但是接收單元要建立兩個輪循任務，一個專門處理SPI接口收到的數(shù)據(jù)包，每2 ms執(zhí)行一次；另一個處理配置和按鍵采集等任務，每100 ms執(zhí)行一次。接收單元具體流程如圖11所示。

　　4 系統(tǒng)性能測試

　　為了使設備滿足礦下的遠距離可靠運行，必須進行無線通信距離的測試。遠距離室外測試可以通過通信燈判斷丟包率。手持遙控單元每按一次按鍵，該按鍵值的數(shù)據(jù)包成功發(fā)送后，通信燈會閃一下；接收單元每收到一個解析正確的包，通信燈會閃一下，表示收包正確?？梢酝ㄟ^計算手持發(fā)送設備和接收設備通信燈的亮滅次數(shù)計算丟包率。不同距離下丟包率的測試結果如表2所示。

　　測試結果表明，該系統(tǒng)可以滿足室外空曠環(huán)境120 m內5%以內的丟包率，通信效果良好，完全可以滿足礦下采煤機應用。

5 結論

　　采用嵌入式微處理器STM32F103VCT6和433 MHz無線收發(fā)芯片CC1100的采煤機無線遙控系統(tǒng)，具有成本低、結構簡單、功耗低、通信距離遠及性能穩(wěn)定等特點，可保證采煤機安全可靠運行，具有很大的應用空間。

參考文獻

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