基于STM32與CC1100的采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究

李　翔，李　璨，仝　飛（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

基于STM32與CC1100的采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)的研究

李翔，李璨，仝飛
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

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(wú)線收發(fā)芯片的采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用433 MHz頻段的RF信號(hào)實(shí)現(xiàn)了發(fā)送單元與接收單元間的無(wú)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(wú)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)。

采煤機(jī)；無(wú)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(kāi)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(wú)線遙控裝置顯得尤為重要［1］。

1　采煤機(jī)無(wú)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］。

圖1　采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

針對(duì)以上應(yīng)用，整套系統(tǒng)共有4臺(tái)發(fā)送單元，2臺(tái)接收單元。使用時(shí)，2臺(tái)手持發(fā)送單元在礦上充電，其余2臺(tái)手持發(fā)送單元和2臺(tái)接收單元帶到礦下配對(duì)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(wú)線收發(fā)模塊等輔助電路。配對(duì)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(duì)采煤機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計(jì)

采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)使用STM32F103VCT6作為主控芯片，該芯片具備高性能的 ARMCortexM3 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(chǔ)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(zhǎng)按使能鍵才能對(duì)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。

2.2LED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(wú)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。

圖3　采煤機(jī)遙控系統(tǒng)示意圖

2.3無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊采用CHIPCON公司的CC1100作為核心芯片。該芯片是0.35μm 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(guò)簡(jiǎn)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(guò)開(kāi)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(píng)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(guò) SPI接口控制［6-7］。針對(duì)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(guò)按鍵配置芯片工作在6個(gè)信道之一，以達(dá)到多臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用互不干擾的目的。無(wú)線收發(fā)模塊的電路如圖4所示。

圖4　無(wú)線通信模塊電路

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。

圖5　接收單元電壓轉(zhuǎn)換電路（DC24 V轉(zhuǎn)DC5 V）

圖6　接收單元電壓轉(zhuǎn)換電路（DC5V轉(zhuǎn)DC3.3V）

圖7　手持發(fā)送單元充電管理電路

2.5智能輸出接口模塊

無(wú)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(hào)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。

圖8　CAN輸出電路

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(guò)SPI收發(fā)命令，通信速率為9 600 b/s。

圖9　RS485輸出電路

3.1軟件通信協(xié)議

系統(tǒng)在433 MHz頻段上做無(wú)線通信，為了避免無(wú)線信號(hào)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(wú)線通信協(xié)議如表1所示。協(xié)議定義了起始字符、包長(zhǎng)度、設(shè)備ID、命令狀態(tài)和校驗(yàn)和。

表1　軟件通信協(xié)議介紹

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(wú)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100ms執(zhí)行一次該定時(shí)任務(wù)。具體的流程如圖10所示。

圖10　手持發(fā)送單元軟件流程圖

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(wú)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(mén)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。

圖11　接收單元軟件流程圖

4　系統(tǒng)性能測(cè)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(wú)線通信距離的測(cè)試。遠(yuǎn)距離室外測(cè)試可以通過(guò)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(guò)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(cè)試結(jié)果如表2所示。

測(cè)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(wú)線收發(fā)芯片CC1100的采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。

表2　無(wú)線通信性能測(cè)試記錄

［1］謝錫純，李曉豁.礦山機(jī)械與設(shè)備［M］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［2］胡愛(ài)國(guó)，李威，許少毅.基于 S3C2440與 nRF905的采煤機(jī)無(wú)線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2011（2）：28-29.

［3］江帆，李偉，張傳書(shū).基于 C8051F021的采煤機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究［J］.礦山機(jī)械，2011（2）：30-33.

［4］徐懇，朱屹生，朱敏.液壓牽引采煤機(jī)的無(wú)線遙控裝置設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010（8）：107-110.

［5］潘旭兵，林中.基于 CC1100的無(wú)線手持終端的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33（10）：29-33.

［6］楊承恩，林永生，杜佳璐.RF無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題及設(shè)計(jì)原則［J］.國(guó)外電子元器件，2006（4）：69-70，74.

［7］Yang Guangxiang，Liang Hua，Wu Chao，et al.Construction hoist security application for tall building construction in wireless networks［J］.Automation in Construction，2012，27：147-154.

Research of a w ireless remote control system of shearer based on STM32 and CC1100

Li Xiang，Li Can，Tong Fei
（School of Mechanical Electronic＆Information Engineering，Beijing Campus of China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China）

Shearer is crucial in modern coal mine industry.In order to improve the efficiency of safety production，a wireless remote control system for the shearer is designed based on microprocessor STM32F103VCT6 and wireless transceiver chip CC1100.System uses RF signal of 433 MHz band to realize the wireless communication between the sending and receiving units.The hardware circuit andsoftware are designed.Experimental results showthat the systempossesses the features suchas good communication effect，low power consumption and stable performance etc.

shearer；remote control；STM32F103VCT6；CC1100

TP2

A

1674-7720（2015）06-0095-04

2014-11-19）

李翔（1989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。E-mail：lixiang_daocao@163.com。

李璨（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

仝飛（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。