摘 要： 采煤機在現代煤礦工業(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(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(fā)數據傳輸,、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)議的數據區(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接口收到的數據包,，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，該按鍵值的數據包成功發(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,。可以通過計算手持發(fā)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(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,。
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