摘  要： 采煤機(jī)在現(xiàn)代煤礦工業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，為提高其安全生產(chǎn)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(jī)無線遙控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用433 MHz頻段的RF信號實(shí)現(xiàn)了發(fā)送單元與接收單元間的無線通信，設(shè)計(jì)了硬件電路，給出了軟件流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： 采煤機(jī)；無線遙控；STM32F103VCT6；CC1100

0 引言

　　采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機(jī)械化和現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一。機(jī)械化采煤可以減輕體力勞動(dòng)、提高安全性，達(dá)到高產(chǎn)量、高效率、低消耗的目的。由于采煤機(jī)的實(shí)際開采空間狹窄，工作環(huán)境惡劣，司機(jī)手工作業(yè)時(shí)存在著巨大的安全隱患。傳統(tǒng)的采煤機(jī)控制多采用機(jī)組電纜線控制，操作十分不便，因此，設(shè)計(jì)一種高效靈活的采煤機(jī)遠(yuǎn)程無線遙控裝置顯得尤為重要[1]。

1 采煤機(jī)無線遙控系統(tǒng)工作原理及系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1 工作原理

　　采煤機(jī)遙控系統(tǒng)的典型應(yīng)用如圖1所示。其兩端各有一個(gè)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(zhuǎn)，司機(jī)左側(cè)滾筒用左螺旋，司機(jī)右側(cè)滾筒用右螺旋。也可相向旋轉(zhuǎn)，司機(jī)左側(cè)滾筒用右螺旋，司機(jī)右側(cè)滾筒用左螺旋。一般采用雙向采煤，先進(jìn)刀后移機(jī)頭的斜切進(jìn)刀方式；也可采用進(jìn)刀同時(shí)移機(jī)頭的正切進(jìn)刀方式[2]。

　　針對以上應(yīng)用，整套系統(tǒng)共有4臺發(fā)送單元，2臺接收單元。使用時(shí)，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(shí)現(xiàn)收發(fā)單元的通用，發(fā)送單元和接收單元均可以設(shè)置方向（左/右）。設(shè)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(gòu)成

　　系統(tǒng)分為手持發(fā)送單元和接收單元，兩個(gè)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(shè)置好相同的方向（即設(shè)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(zhuǎn)為CAN或RS485通信方式控制采煤機(jī)上的PLC控制箱[3-4]。為方便調(diào)試及使用，接收單元上設(shè)計(jì)與手持發(fā)送單元同樣的按鍵輸入，可以直接對采煤機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　采煤機(jī)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(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置128 KB Flash和 20 KB SRAM的高速存儲器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)UART接口、1個(gè)USB接口和1個(gè)CAN接口。其良好的性能完全滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。以下介紹以STM32F103VCT6為核心的外圍電路設(shè)計(jì)。

　　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(shè)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(jìn)行設(shè)置；二是采集采集機(jī)當(dāng)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(shè)置15路按鍵輸入，3路作為設(shè)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(jī)現(xiàn)有控制功能外，預(yù)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(gè)LED指示燈組成，分別指示電源、方向（左/右）、通信、信道的當(dāng)前狀態(tài)。其中，電源指示燈由硬件點(diǎn)燈，電源正常為綠色，欠壓為紅色；左、右指示燈指示設(shè)備當(dāng)前控制采煤機(jī)左側(cè)或右側(cè)滾輪，也表示設(shè)備的ID；通信燈指示設(shè)備的無線通信狀態(tài)；信道燈指示設(shè)備當(dāng)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(chǎn)的全集成收發(fā)芯片，功耗超低。它可工作在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）、SRD（Short rang device）頻段，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)頻段為315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz，同時(shí)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(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，這個(gè)調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500 kb/s。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，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(zhì)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(jìn)先出堆棧）可通過SPI接口控制[6-7]。針對以上優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(gè)信道之一，以達(dá)到多臺設(shè)備同時(shí)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(jī)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(gè)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(nèi)置的CAN控制器，因此只連接一個(gè)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(zhuǎn)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(zhì)量并保護(hù)核心電路，兩部分電路都采用了光耦6N137做抗干擾和保護(hù)設(shè)計(jì)。CAN和RS485的接口電路如圖8和圖9所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　在軟件設(shè)計(jì)上采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法，極大地減小了CPU的等待時(shí)間，提高了CPU的利用率。

　　設(shè)計(jì)中TIMER中斷時(shí)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(shè)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(shè)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(shè)備ID、命令狀態(tài)和校驗(yàn)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(nèi)容除了修改源設(shè)備ID和目的設(shè)備ID外，其余部分與該協(xié)議一致。

　　3.2 發(fā)送單元軟件設(shè)計(jì)

　　手持發(fā)送單元軟件設(shè)計(jì)上包括設(shè)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(gè)子模塊的基礎(chǔ)上，建立定時(shí)時(shí)間句柄，每100 ms執(zhí)行一次該定時(shí)任務(wù)。具體的流程如圖10所示。

　　3.3 接收單元軟件設(shè)計(jì)

　　接收單元包括設(shè)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(gè)部分。與發(fā)送單元一樣，建立輪循任務(wù)，但是接收單元要建立兩個(gè)輪循任務(wù)，一個(gè)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(gè)處理配置和按鍵采集等任務(wù)，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(shè)備滿足礦下的遠(yuǎn)距離可靠運(yùn)行，必須進(jìn)行無線通信距離的測試。遠(yuǎn)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(huì)閃一下；接收單元每收到一個(gè)解析正確的包，通信燈會(huì)閃一下，表示收包正確。可以通過計(jì)算手持發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備通信燈的亮滅次數(shù)計(jì)算丟包率。不同距離下丟包率的測試結(jié)果如表2所示。

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

5 結(jié)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(jī)無線遙控系統(tǒng)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、通信距離遠(yuǎn)及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可保證采煤機(jī)安全可靠運(yùn)行，具有很大的應(yīng)用空間。

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