摘 要： 采煤機在現代煤礦工業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無線收發芯片的采煤機無線遙控系統。系統采用433 MHz頻段的RF信號實現了發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，該無線遙控系統具有通信效果良好、功耗低、性能穩定等特點。
關鍵詞： 采煤機；無線遙控；STM32F103VCT6；CC1100
0 引言
采煤機是實現煤礦生產機械化和現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，工作環境惡劣，司機手工作業時存在著巨大的安全隱患。傳統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工作原理及系統構成
1.1 工作原理
采煤機遙控系統的典型應用如圖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，整套系統共有4臺發送單元，2臺接收單元。使用時，2臺手持發送單元在礦上充電，其余2臺手持發送單元和2臺接收單元帶到礦下配對使用。為實現收發單元的通用，發送單元和接收單元均可以設置方向（左/右）。設置后，左發送單元控制左接收單元；右發送單元控制右接收單元。
1.2 系統構成
系統分為手持發送單元和接收單元，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的無線收發模塊等輔助電路。配對使用的手持發送單元與接收單元需設置好相同的方向（即設備ID）和信道，手持發送單元采集按鍵信息，發送給接收單元，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送單元同樣的按鍵輸入，可以直接對采煤機進行控制。系統整體結構如圖2所示。
2 硬件設計
采煤機無線遙控系統使用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，為提高系統的通用性，除完成采煤機現有控制功能外，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。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；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芯片，功耗超低。它可工作在工業、科學和醫療（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，其數據傳輸率可達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為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬件支持。其主要操作參數和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。無線收發模塊的電路如圖4所示。
2.4 供電模塊
手持發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。手持發送單元配以充電管理電路，采用紅綠兩個指示燈，充電狀態亮紅燈，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中斷時間規定為1 ms；UART0傳輸率規定為9 600 b/s，作為接收單元的RS485輸出口；CAN傳輸率規定為100 kb/s，作為接收單元的智能輸出接口；CC1100芯片與CPU通過SPI收發命令，通信速率為9 600 b/s。
3.1 軟件通信協議
系統在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，還制定了通信協議，協議解析正確的包才能被有效處理。本系統的設備間無線通信協議如表1所示。協議定義了起始字符、包長度、設備ID、命令狀態和校驗和。
RS485和CAN智能接口的通信協議的數據區發送內容除了修改源設備ID和目的設備ID外，其余部分與該協議一致。
3.2 發送單元軟件設計
手持發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發送模塊以及CAN發送模塊7個部分。與發送單元一樣，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接口收到的數據包，每2 ms執行一次；另一個處理配置和按鍵采集等任務，每100 ms執行一次。接收單元具體流程如圖11所示。
4 系統性能測試
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，該按鍵值的數據包成功發送后，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。可以通過計算手持發送設備和接收設備通信燈的亮滅次數計算丟包率。不同距離下丟包率的測試結果如表2所示。
測試結果表明，該系統可以滿足室外空曠環境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無線收發芯片CC1100的采煤機無線遙控系統，具有成本低、結構簡單、功耗低、通信距離遠及性能穩定等特點，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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