陳國凡, 陳觀土

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開工程機(jī)械設(shè)備，井下工程機(jī)械設(shè)備工作于粉塵、瓦斯、積水等惡劣的壞鏡，有線控制方式關(guān)系著人身安全及經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)有的無線遠(yuǎn)程遙控裝置存在各種弊端，如遙控裝置不符合本安型要求、信號(hào)延遲、遠(yuǎn)程操作人員無法及時(shí)了解井下情況等；另外，信號(hào)收發(fā)器現(xiàn)用的各類無線通信技術(shù)存在協(xié)議復(fù)雜，設(shè)備功耗較大等缺點(diǎn)[1]。工業(yè)無線網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用，得益于近幾年無線通信技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)[2]。基于遙控裝置各種弊端，設(shè)計(jì)一種性能穩(wěn)定、符合本安型要求，能監(jiān)控井下情況的遙控裝置。相比于傳統(tǒng)的工業(yè)遠(yuǎn)程遙控裝置，設(shè)計(jì)的遙控裝置可靠性更高，能實(shí)時(shí)監(jiān)控井下及機(jī)械設(shè)備的情況。

1 本安型接收與發(fā)射裝置硬件電路設(shè)計(jì)

本安型無線遠(yuǎn)程遙控裝置由一個(gè)接收裝置與三個(gè)手柄發(fā)射裝置組成。接收裝置采用輪詢的方式對(duì)三個(gè)遙控手柄進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問。無線遠(yuǎn)程遙控裝置最遠(yuǎn)遙控距離可達(dá)100m，遙控系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜控制環(huán)境。遙控裝置嚴(yán)格按照本安型的要求對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路中沒有大電容及大電感，發(fā)出的電火花不足以引燃井下瓦斯等易燃易爆氣體，符合井下本質(zhì)安全型要求。遙控裝置由信號(hào)采集濾波電路、按鍵、搖桿、液晶屏、無線收發(fā)射模塊等組成。發(fā)射手柄裝置的主控芯片采集控制信號(hào)，統(tǒng)一打包發(fā)給接收裝置；接收裝置通過無線模塊nrf24r1接收手柄信號(hào)，并將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，處理好的信號(hào)傳給機(jī)械設(shè)備完成對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制；同時(shí)，手柄將接收裝置傳過來的溫度、瓦斯等信號(hào)進(jìn)行液晶屏的顯示，以監(jiān)測(cè)井下及機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)。

1.1 供電電源電路

為方便遠(yuǎn)距離控制，手柄發(fā)射裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的+5V鋰電池供電，這種供電方式能夠方便工程機(jī)械設(shè)備操作人員不受空間的限制。遙控手柄各硬件供電電壓為+5V和+3.3V?；阡囯姵氐?5V電壓，需設(shè)計(jì)+5V轉(zhuǎn)+3.3V的電路模塊。井下一般用+24V的電源，對(duì)于鋰離子電池充電電路需設(shè)計(jì)輸入電壓為+24V、輸出電壓為+5V的電壓轉(zhuǎn)換模塊；+24V轉(zhuǎn)+5V電路模塊采用采用防雷和防浪涌設(shè)計(jì)，可防止高電壓高電流損壞電路內(nèi)部元器件。電路中沒有大電容和大電感，最大電容電感的分別為C4=C6=C12=10μF，L1=4.7μH，滿足井下本質(zhì)安全型的設(shè)計(jì)要求。

1.2 模擬信號(hào)采集電路

模擬信號(hào)采集電路可采集4-20ma或0-10V的工業(yè)級(jí)傳感器模擬信號(hào)，如溫度檢測(cè)傳感器、濕度檢測(cè)傳感器、瓦斯監(jiān)測(cè)傳感器等信號(hào)。模擬信號(hào)采集電路如圖1所示。

圖1 模擬信號(hào)采集電路

電路中采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為CS1238，它是一款高精度且低功耗芯片，應(yīng)用在模擬信號(hào)采集電路中使得采集數(shù)據(jù)的精度更高，能更好地監(jiān)測(cè)井下情況。該芯片具有兩路的差分輸入通道，管腳AINP1,ANNN1或管腳APNP2,APNN2為傳感器信號(hào)輸入端，MCU主控芯片stm32f103的SPII MOSI和SPII SCK管腳分別接CS1238芯片的#DRDY#DOUT和SCLK管腳，進(jìn)而對(duì)CS1238進(jìn)行各種配置，如數(shù)據(jù)的輸出速率、通道的選擇、PGA選擇等的配置。

為進(jìn)一步降低監(jiān)控終端功耗，通過MCU對(duì)傳感器供電進(jìn)行通斷控制(定時(shí)采集數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)傳感器供電)，減少傳感器功耗[3]。各個(gè)傳感器采集到的模擬信號(hào)通過模擬量信號(hào)采集電路傳輸?shù)浇邮昭b置的控制芯片，MCU通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換處理，進(jìn)而打包成數(shù)據(jù)幀通過2.4G無線模塊傳輸?shù)桨l(fā)射裝置的藍(lán)色液晶屏顯示，便于操作人員了解井下的各種情況而采取相應(yīng)操作。

1.3 RS485信號(hào)傳輸電路

無線遠(yuǎn)程遙控接收裝置不僅能將控制信息發(fā)送到工程機(jī)械對(duì)其進(jìn)行各種動(dòng)作的控制執(zhí)行，而且還能讀取井下各種傳感器的監(jiān)控信息。接收端與瓦斯監(jiān)測(cè)傳感器通過RS485模塊電路相連接。傳感器都是裸露接觸井下環(huán)境，為了滿足本安電路的設(shè)計(jì)要求，防止接收裝置的主控芯片及外圍電路產(chǎn)生的電弧點(diǎn)燃井下瓦斯等易燃?xì)怏w，傳感器與主控芯片的RS485模塊連接電路采用防雷和防浪涌設(shè)計(jì)。F2與 F3串聯(lián)接入電路，用于限制流過TVS管的電流在較高的瞬態(tài)電壓下低于可承受的最大電流[4]。RS485模塊電路主要硬件部分為SP3485芯片，其供電電壓為+3.3V，是一款低能耗芯片。SP3485芯片的DE管腳與主控芯片的USART_RTS管腳相連接，主控芯片通過USART_RTS管腳輸出高低電平，從而通過RS485模塊電路對(duì)各種傳感器監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行讀取操作，讀取到的信息經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯轉(zhuǎn)換處理后打包發(fā)送給遙控手柄。RS485模塊電路如圖2所示。

圖2 RS485模塊電路

RS485模塊電路中的D10和D11是放電管，兩只放電管分別連接到電路正負(fù)極再到接地端子。當(dāng)接收裝置的主控芯片及外圍電路主控芯片某一瞬間產(chǎn)生高電壓高電流時(shí)，高電壓和高電流會(huì)擊穿放電管的極間間隙，放電管由絕緣變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)將能量引到接地端子，進(jìn)而防止高電流高電壓損壞傳感器甚至是點(diǎn)燃井下易燃易爆氣體。

1.4 主控芯片及射頻通訊模塊

遙控裝置的芯片均為stm32f103，其數(shù)據(jù)能力處理極強(qiáng)，可以減小因數(shù)據(jù)處理能力不足而造成撞機(jī)的機(jī)率。stm32f103芯片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換集成模塊不僅提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度，而且解決了接口資源少的問題，同時(shí)DMA 控制器提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，為數(shù)據(jù)的處理及傳輸提供了極大的便利[5]。

射頻通訊模塊均采用nrf24r1無線模塊，該模塊傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定且速率可達(dá)2Mbps，工業(yè)級(jí)應(yīng)用可達(dá)2000m以上。射頻通訊模塊在發(fā)送模式下自動(dòng)在發(fā)送數(shù)據(jù)上加上字頭和 CRC校驗(yàn)碼，在接收模式下自動(dòng)去除數(shù)據(jù)的字頭和CRC校驗(yàn)碼[6]。射頻模塊的管腳與主控芯片管腳號(hào)對(duì)應(yīng)連接，通過編程設(shè)定射頻模塊通訊地址、傳輸速率、數(shù)據(jù)包長度以及工作頻率。

2 遙控裝置系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本安型遙控接收與發(fā)射裝置運(yùn)行的條件不僅依賴于高可靠性的硬件電路，更取決于可讀性強(qiáng)的軟件程序。硬件電路設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)在軟件程序上進(jìn)一步優(yōu)化讓電路的性能發(fā)揮至最佳狀態(tài)。在程序設(shè)計(jì)中，采用模塊化編程，以控制邏輯為主將模塊化程序融為一體。

Modbus協(xié)議為工業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種通信協(xié)議，已經(jīng)成為通用工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。ASCII和RTU為該協(xié)議的兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。得益于該協(xié)議的開始和結(jié)束標(biāo)志，數(shù)據(jù)包的處理更加簡單、LRC校驗(yàn)位易于編寫等優(yōu)點(diǎn)，遙控裝置的數(shù)據(jù)傳輸采用Modbus協(xié)議的RTU模式。

遙控裝置系統(tǒng)程序主要分為遙控手柄發(fā)射裝置程序和遙控接收裝置程序。遙控裝置通訊采用modbus通信協(xié)議，該通信協(xié)議是主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在遙控控制系統(tǒng)中，主站是接收裝置，從站為遙控手柄裝置。遙控接收裝置通過modbus協(xié)議對(duì)遙控手柄進(jìn)行輪詢以檢測(cè)遙控手柄的控制信號(hào)；在程序的數(shù)據(jù)幀設(shè)置從機(jī)的設(shè)備地址，當(dāng)從機(jī)檢測(cè)到數(shù)據(jù)幀則首先判斷該設(shè)備地址信息與自己的地址號(hào)是否一樣；若相同則建立通信，通過功能代碼判斷是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)；控制信號(hào)被遙控接收裝置讀取，通過輸出電路對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制。在LRC校驗(yàn)中，遙控手柄將計(jì)算的LRC值放在LRC校驗(yàn)位；遙控接收裝置對(duì)接收的數(shù)據(jù)也進(jìn)行LRC值的計(jì)算，并與數(shù)據(jù)幀中的LRC值進(jìn)行比對(duì)，若兩個(gè)值相同則說明數(shù)據(jù)傳輸成功。遙控裝置數(shù)據(jù)傳輸程序如圖3。

圖3 遙控裝置數(shù)據(jù)傳輸程序流程圖

通信程序的編寫主要包括以下方面：主控芯片stm32的初始化、數(shù)字量模擬量采集程序、無線接收發(fā)射模塊程序、UART串口程序、modbus協(xié)議通信程序等。主控芯片STM32的程序初始化程序編寫主要包括：stm32的初始化設(shè)置，如管腳GPIO,ADC和DMA、時(shí)鐘、串口等的初始化設(shè)置；對(duì)于數(shù)字量模擬量采集程序，首先進(jìn)行ADC以及采集芯片的初始化配置，而后是編寫遙控手柄按鍵和搖桿的數(shù)字量模擬量信號(hào)采集程序；2.4G無線收發(fā)模塊程序：先對(duì)無線模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，再確定模塊采用的通信協(xié)議及數(shù)據(jù)幀的發(fā)送與接收程序編寫；UART串口程序主要是為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)色液晶顯示屏與主控芯片、射頻通信模塊與主控芯片等的數(shù)據(jù)傳輸。

3 遙控接收與發(fā)射裝置調(diào)試

遙控接收與發(fā)射裝置整體功能調(diào)試大體內(nèi)容包括：2.4G無線模塊數(shù)據(jù)的發(fā)射與接收，按鍵搖桿的控制信號(hào)采集，接收與發(fā)送裝置的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。調(diào)試裝置：三個(gè)遙控手柄電路板、一個(gè)遙控接收端電路板、若干按鍵及搖桿、無線發(fā)射與接收模塊、Windows PC、串口調(diào)試助手。

焊接好硬件電路，用Keil uVision5將程序下載到三個(gè)遙控手柄和遙控接收端的電路板上。按下遙控手柄裝置對(duì)應(yīng)的按鈕或搖桿，手柄信號(hào)被采集傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的串口調(diào)試助手界面顯示。經(jīng)調(diào)試，硬件電路運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)試實(shí)物如圖4所示。

圖4 調(diào)試實(shí)物圖

4 結(jié) 論

對(duì)本安型遙控接收與發(fā)射裝置的重要部分硬件電路及程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，旨在改善遠(yuǎn)程操作人員無法及時(shí)了解礦下情況、工業(yè)遙控裝置的控制信號(hào)傳輸不穩(wěn)定、遙控裝置不符合本安型要求的狀況。主控芯片為stm32f103，數(shù)據(jù)的處理能力更強(qiáng)、傳輸速度更快，讓遠(yuǎn)程遙控裝置的系統(tǒng)穩(wěn)定性更高、工程機(jī)械設(shè)備的控制精度更好，降低了井下遙控作業(yè)不可控因素發(fā)生的機(jī)率。與近距離跟機(jī)控制相比，該本安型遙控接收與發(fā)射裝置提高設(shè)備工作效率的同時(shí)，大大降低了操作人員的危險(xiǎn)系數(shù)。