賀洪江，任建濤

（1.河北工程大學(xué) 裝備制造學(xué)院，邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038）

近些年，隨著我國煤炭儲存量的迅速減少，薄煤層煤炭開采技術(shù)以及開采效率已引起業(yè)內(nèi)高度重視。目前，大多數(shù)采煤機的控制方式主要包括機載控制器控制和遠程無線遙控控制2種方式。但在實際工作中，受煤礦井下惡劣環(huán)境因素限制，通過機載控制器控制采煤機的難度非常大，因此目前采煤機控制主要以無線遙控為主[1]。相比交流變頻調(diào)速和開關(guān)磁阻調(diào)速而言，電磁調(diào)速采煤機的突出優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易維護，制造成本低、牽引功率大、啟動轉(zhuǎn)矩大、使用可靠等。基于此設(shè)計一款高性能、易操作的采煤機遙控器具有重要意義。

1 總線型遙控器

總線型遙控器主要包括無線遙控主機（無線手持設(shè)備）和無線遙控副機（無線機載設(shè)備）。無線遙控副機采用硬件RS485總線接口和軟件Modbus協(xié)議，與采煤機主機進行互聯(lián)，應(yīng)用性廣[2]。與傳統(tǒng)數(shù)字型采煤機遙控器相比，其突出優(yōu)點是[3-4]：（1）采煤機電控系統(tǒng)中無需預(yù)留數(shù)字量點，硬件接口簡單，協(xié)議通用性強；（2）采用射頻通信，解決了傳統(tǒng)編碼通信傳輸距離短、誤碼率高等缺點；（3）通信數(shù)據(jù)及通信協(xié)議具有可編程性，規(guī)避了傳統(tǒng)采煤機遙控器數(shù)據(jù)傳輸固定、單一等缺點；（4）遙控主機可實時顯示采煤機的運行參數(shù)、實時狀態(tài)等，便于操作人員實時了解采煤機運行狀態(tài)并作出相應(yīng)的控制操作，從而實現(xiàn)采煤機無線閉環(huán)控制。其缺點是：采煤機電控系統(tǒng)需解析遙控器數(shù)據(jù)協(xié)議，給系統(tǒng)軟件編寫增添一定的困難。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線遙控主機采用ST公司超低功耗CPU—STM8L101F3P6為核心處理器，以及多種硬件電路，如電源電路、無線收發(fā)電路、按鍵電路、LCD液晶顯示電路等。無線遙控副機以STM32F103C8T6為控制核心，Modbus接口電路為硬件平臺。無線遙控副機與采煤機主控制系統(tǒng)之間采用RS485總線相連，并通過Modbus協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。采煤機主控制系統(tǒng)作為Modbus主站，無線遙控副機作為Modbus從站，從而便于采煤機控制系統(tǒng)實時采集遙控器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

2.2 系統(tǒng)功能

采煤機啟動后，采煤機主控系統(tǒng)將采煤機的運行參數(shù)實時寫入無線遙控副機指定的寄存器中，同時讀取相應(yīng)無線操作指令寄存器數(shù)據(jù)，若操作人員沒有進行無線控制，則無線遙控副機無線操作指令寄存器數(shù)據(jù)為空，否則為非空。另外，無線遙控副機每隔1 s將采煤機運行參數(shù)通過無線模塊發(fā)射出去。

無線遙控主機系統(tǒng)以超低功耗單片機STM8L101F3P6和超低功耗無線射頻芯片Si4463為核心，操作人員通過遙控主機面板上按鍵發(fā)送相關(guān)控制指令，經(jīng)無線傳輸，遙控副機收到數(shù)據(jù)后進行解析并將相關(guān)數(shù)據(jù)存入對應(yīng)的寄存器內(nèi)，同時無線遙控主機接收無線遙控副機發(fā)出的采煤機運行參數(shù)數(shù)據(jù)，并在遙控主機LCD液晶上顯示出來，從而形成采煤機無線閉環(huán)控制[5]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 CPU選型

采煤機無線遙控主機采用ST公司的超低功耗單片機STM8L101F3P6，STM8L101F3P6采用高性能8位內(nèi)核，在16 MHz運行頻率下，高達16 MIPS，內(nèi)置RC振蕩器。2個超低功耗模式：暫停模式下0.35 μA；活躍暫停模式下0.8 μA（帶有自動喚醒單元）。多數(shù)IO端口可驅(qū)動大電流，同時快速的時鐘切換非常適用于無線遙控設(shè)備。

3.2 無線射頻電路設(shè)計

3.2.1 Si4463 EZRadioPRO簡介

Si4463 EZRadioPRO無線射頻芯片是Silicon Labs公司生產(chǎn)的低功耗、高集成度單芯片收發(fā)器，其最大輸出功率高達+20 dBm，可實現(xiàn)遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸。靈敏度為-126 dBm，Si4464的工作頻率119 MHz～960 MHz，PA 支持+27 dBm 或+30 dBm，采用（G）FSK，4（G）FSK，（G）MSK，OOK 和 ASK 調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率 100 b/s～1 Mb/s，工作電壓 1.8 V～3.6 V，關(guān)斷電流30 nA，待機電流50 nA。同時還支持跳頻功能。Si4463在活躍模式下接收（RX）電流為10 mA，發(fā)射（TX）電流為18 mA，極低的待機電流和快速喚醒時間非常適合電池供電系統(tǒng)[6]。因此Si4463其卓越的輸出功率和出色的TX效率是目前無線射頻傳輸市場的理想選擇。

3.2.2 Si4463工作原理

Si4463和STM8L101F3P6的連接方式如圖2所示。單片機采用硬件SPI接口與Si4463連接。SDN是Si4463模式控制線，CS是片選端，低電平有效，SCK是芯片時鐘控制線，SDI、SDO是數(shù)據(jù)傳輸線，INT是中斷信號線。在Si4463器件內(nèi)部，功放和LNA并沒有連接。在使用Si4463收發(fā)器的時候，TX和RX引腳可以直接連接在一起，而無需RF開關(guān)。在使用Si4463最高輸出功率設(shè)置時，發(fā)射和接收引腳通過一個SPDT（單刀雙擲）RF開關(guān)分別連接到天線。Si4463器件能進行RF開關(guān)控制。通過將RX State和TX State信號送到任意2個GPIO，即可自動控制RF開關(guān)。根據(jù)工作模式，GPIO控制RF開關(guān)自動將天線連接到接收通道或發(fā)射通道。如果芯片未處于激活模式，GPIO將禁止RF開關(guān)。

圖2 無線模塊連接電路Fig.2 Wireless module circuit connection

Si4463收發(fā)數(shù)據(jù)包字段包括引導(dǎo)碼（preamble）、 同步字 （sync word）、 有效數(shù)據(jù)長度（payload length）、有效數(shù)據(jù)（payload）以及 CRC。 其中引導(dǎo)碼（preamble）是數(shù)據(jù)中具有連續(xù)邊沿變化的一串已知的序列，用于同步發(fā)射器和接收器。在發(fā)射器和接收器同步之后，接收器必須找到數(shù)據(jù)段中的有效數(shù)據(jù)從什么地方開始，即已知位字段來幫助識別有效數(shù)據(jù)同步字（sync word）。有效數(shù)據(jù)長度有助于接收器正確、快捷地解析數(shù)據(jù)包中有效數(shù)據(jù)載荷。如果在通信過程中受到干擾，將會引起一系列的位錯誤，因此CRC校驗有助于保證接收數(shù)據(jù)包的正確性。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Packet format

Si4463內(nèi)置數(shù)據(jù)包處理器便于自動進行數(shù)據(jù)包發(fā)射。數(shù)據(jù)包參數(shù)初始化后只需將有效數(shù)據(jù)傳送到FIFO，數(shù)據(jù)包就會自動進行發(fā)射。整個數(shù)據(jù)包的建立和發(fā)送都是由器件完成的，而不用微處理器，縮短了處理器處理數(shù)據(jù)時間，提高了遙控器的發(fā)射效率。

3.3 系統(tǒng)電源電路設(shè)計

無線遙控主機系統(tǒng)的特點是便于攜帶，本系統(tǒng)采用鉛酸電池（VRLA）供電。鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。其較傳統(tǒng)干電池以及鋰電池的優(yōu)點在于：（1）能夠進行快速充電以及浮充充電，并且使用壽命長；（2）質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高，為煤礦井下操作提供安全保障；（3）結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。本系統(tǒng)采用6 V/1.3 Ah的鉛酸電池，經(jīng)估算，在正常工作模式下最大功耗在20 mA，可保證遙控器50 h的工作時間，系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下最大功耗在80 μA，可保證遙控器保持休眠待機狀態(tài)12500 h。另外，當(dāng)電池沒電時，可對鉛酸電池進行浮充式充電，便于反復(fù)使用。

無線遙控主機系統(tǒng)電源芯片采用HT7533，HT7533是一款負載調(diào)整能力強、線性性能好、低功耗的穩(wěn)壓芯片。無線遙控副機電源由采煤機主控系統(tǒng)提供，電源穩(wěn)壓芯片采用LM2596，其出入電壓范圍廣，通用性強，適用于多種電源供電。

4 軟件設(shè)計

4.1 按鍵掃描和液晶顯示設(shè)計

按鍵采用外部中斷觸發(fā)方式，為了降低系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)上電啟動后立即進入休眠模式，當(dāng)有按鍵按下時，觸發(fā)外部中斷喚醒CPU。另外，本系統(tǒng)在軟件和硬件上都已設(shè)計按鍵防抖功能，確保按鍵指令的正確輸入。因此，系統(tǒng)軟件只需檢測外部中斷即可。

為了最大限度降低系統(tǒng)功耗，無線遙控主機在處于休眠狀態(tài)時，系統(tǒng)關(guān)閉液晶背光燈，只有當(dāng)操作人員按下按鈕查看采煤機運行參數(shù)時，才將液晶背光打開。

4.2 無線數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計

根據(jù)采煤機工業(yè)現(xiàn)場控制需求，遙控主機在完成初始化后系統(tǒng)便進入halt模式，在休眠模式下系統(tǒng)工作電流在80 μA左右。操作人員在進行相應(yīng)控制操作時，通過按鍵觸發(fā)單片機外部中斷，喚醒單片機，同時喚醒無線模塊進入工作模式。遙控主機每完成一項指令發(fā)送任務(wù)，相應(yīng)的發(fā)射信號燈閃爍一次，否則不亮。

遙控副機通過采煤機控制系統(tǒng)供電，在采煤機系統(tǒng)啟動并完成一系列初始化后，遙控副機作為Modbus從站開始實時存儲采煤機運行參數(shù)最新值，每隔1 s將采煤機運行參數(shù)通過無線模塊發(fā)射出去，同時判斷是否有無線控制指令，以便及時、準確地將控制指令傳輸給采煤機控制系統(tǒng)完成遠程控制操作。遙控器無線數(shù)據(jù)收發(fā)軟件設(shè)計流程如圖3和圖4所示。

圖3 遙控主機程序流程Fig.3 Remote host program flow chart

圖4 遙控副機程序流程Fig.4 Remote slave program flow chart

4.3 Modbus協(xié)議應(yīng)用

工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備間通信一般采用Modbus協(xié)議，Modbus協(xié)議支持多種電氣接口，如以太網(wǎng)、RS485、RS232等，因此本系統(tǒng)無線機載裝置和采煤機載控制器之間采用Modbus數(shù)據(jù)通信協(xié)議，既保證了無線系統(tǒng)具有一定的適用性，也提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑥亩訌娏藷o線遙控系統(tǒng)的性能參數(shù)。在本系統(tǒng)中，采煤機控制器作為Modbus主站，實時查詢無線遙控副機中定義的相關(guān)寄存器，以便及時、準確地讀取遠程遙控器的控制指令。

5 結(jié)語

本文介紹了以STM8L101F3P6和Si4463為核心的采煤機總線型遙控器系統(tǒng)，不僅滿足傳統(tǒng)無線遙控器控制功能，還具有參數(shù)顯示、實時監(jiān)控、自我保護功能，從而實現(xiàn)采煤機無線遙控閉環(huán)控制。另外，它具有超低功耗、靈敏度高、體積小、擴展性好、設(shè)計簡單等特點，其較強的抗干擾性保證了煤礦遙測數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)姆€(wěn)定。但考慮到礦井作業(yè)，該系統(tǒng)還需在防爆方面做進一步優(yōu)化。

[1]江帆，李偉，張傳書.基于C8051F021的采煤機遙控系統(tǒng)設(shè)計和研究[J].礦山機械，2011，39（2）：30-33.

[2]劉策越，王偉，趙欣.MG561電磁調(diào)速采煤機遙控器研究與實現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（3）：50-53.

[3]高原，李云.基于AVR嵌入式系統(tǒng)的采煤機智能遙控器設(shè)計[J].煤礦機電，2012（5）：16-18.

[4]徐懇，朱屹生，朱敏.液壓牽引采煤機的無線遙控裝置設(shè)計[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（8）：107-110.

[5]程冬，丁保華，李威.基于片上系統(tǒng)CC2530的采煤機遠程遙控裝置設(shè)計[J].礦山機械，2010，38（3）：19-21.

[6]Silicon Laboratories.Si4464/63/61/60 datasheet[Z].Revision 1.2 Copyright，2012.