連　杰，陳　剛，田小超

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

基于STM8的低功耗無(wú)線通信模塊在礦用本安儀器中的應(yīng)用設(shè)計(jì)*

連杰，陳剛，田小超

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

摘要：基于STM8的低功耗模塊實(shí)現(xiàn)了礦用本安儀器的無(wú)線通信。提出了無(wú)線通信系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，遵循本安性、兼容性和低功耗原則優(yōu)化改造現(xiàn)有的礦用本安儀器，分析了實(shí)現(xiàn)礦用本安儀器之間采用無(wú)線數(shù)傳通信的技術(shù)難題，包括通信協(xié)議和功耗問(wèn)題，系統(tǒng)功能主要由SX1212與單片機(jī)ST公司的低功耗單片機(jī)STM8L101F3實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電源電路和本安電源電路，其中本安電源電路具有熱保護(hù)功能，可以防止器件過(guò)熱。研究結(jié)果表明，模塊在改動(dòng)極小的情況下，既可以使本安儀器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，又幾乎不影響儀器原有的性能指標(biāo)，解決了礦井有線通信的難題。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信；低功耗；本質(zhì)安全

目前，在煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境中，礦用本安儀器之間傳輸數(shù)據(jù)多采用有線的方式連接，不僅操作繁瑣，插頭和線纜的可靠性也影響儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用；因此，需要對(duì)其傳輸技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信模塊的出現(xiàn)解決了上述操作繁瑣等問(wèn)題。本文基于STM8的無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了礦用本安儀器的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

1總體結(jié)構(gòu)概述

該設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，無(wú)線數(shù)傳通信模塊主要包含如下幾個(gè)部分：MCU控制部分、射頻通信部分、本安電源部分和外圍接口部分[1]。

圖1　總體結(jié)構(gòu)

2設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)該無(wú)線通信模塊的目的是為了優(yōu)化改造現(xiàn)有的礦用本安儀器，既要與現(xiàn)有的儀器匹配兼容，又不能影響現(xiàn)有儀器的性能指標(biāo)。為保證上述目標(biāo)，設(shè)計(jì)制定了本安性、兼容性和低功耗等3個(gè)原則。

2.1本安性

本安即本質(zhì)安全，指通過(guò)設(shè)計(jì)等手段使生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會(huì)造成事故的功能。

本設(shè)計(jì)在電源電路上采用兩級(jí)低功耗LDO進(jìn)行穩(wěn)壓，輸入5 V，輸出3.3 V，同時(shí)在LDO后級(jí)采用兩級(jí)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)電路，一旦產(chǎn)生過(guò)流過(guò)壓現(xiàn)象，切斷LDO輸出，保證本安性能。

2.2兼容性

在原有需要傳輸數(shù)據(jù)的礦用本安儀器中，多采用RS232或者RS485方式通信。外圍電路通過(guò)通用的串行接口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有儀器與該無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)通信，能夠很好地兼容原有儀器，在更改最小的情況下實(shí)現(xiàn)本安儀器之間的無(wú)線通信。

2.3低功耗

礦用本安儀器因限制能量保證本質(zhì)安全，多采用電池供電，對(duì)功耗的要求極為苛刻。本設(shè)計(jì)在器件選型上選用了STM8L系列超低功耗的MCU，休眠模式僅耗電1.5 μA的無(wú)線通信芯片SX1212和靜態(tài)電流低至30 μA微功率穩(wěn)壓器，在一定程度上保證了模塊較低的功耗；同時(shí)，設(shè)計(jì)通信協(xié)議為收發(fā)數(shù)據(jù)幀格式由四部分組成：前導(dǎo)符、同步碼、有效載荷和CRC校驗(yàn)碼，充分利用了SX1212的省電模式。在該模式下，接收機(jī)在一個(gè)休眠周期后搜索信道中是否有前導(dǎo)符存在，如果沒(méi)有則立刻休眠等待下一個(gè)休眠周期后再搜索，反之則處于接收狀態(tài)，等待同步碼到來(lái)，將數(shù)據(jù)接收下來(lái)，置低模塊狀態(tài)指示(AUX)，串口輸出結(jié)束后關(guān)閉串口，置高AUX進(jìn)入睡眠模式，等待下一個(gè)休眠被喚醒。為了使目的接收機(jī)時(shí)鐘和發(fā)送機(jī)同步，模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀中的前導(dǎo)符為一串>1 s的1010。主要功能是為了能喚醒接收模塊，使其進(jìn)入正常接收數(shù)據(jù)。設(shè)置接收端每1 s自喚醒一次，每隔1 s醒來(lái)一次搜索前導(dǎo)符。而發(fā)射機(jī)首先發(fā)射>1 s的前導(dǎo)符后再發(fā)射同步字及數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)接收機(jī)在喚醒的周期，只要發(fā)現(xiàn)信道中有前導(dǎo)符，正常情況下都能成功檢測(cè)到并喚醒接收。

通過(guò)上述方式，在可靠接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，讓無(wú)線通信模塊更多的工作在低功耗的省電模式中，僅約15 μA的平均待機(jī)電流對(duì)本安儀器本身電器性能影響微乎其微，幾乎不會(huì)減少原本的可使用時(shí)間。

3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能主要由SX1212與單片機(jī)ST公司的低功耗單片機(jī)STM8L101F3實(shí)現(xiàn)，SX1212與STM8L通信采用SPI接口，與外部終端通信采用UART接口。STM8L基于8位STM8內(nèi)核，與STM32L系列一樣采用了專有超低漏電流工藝，利用最低功耗模式實(shí)現(xiàn)了超低功耗。其中STM8L101系列最低功耗模式電流僅為0.30 μA，動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式下電流為150 μA/MHz。

SX1212是SEMTECH公司推出的一款超低功耗的單芯片無(wú)線芯片，頻率為300～510 MHz。SX1212經(jīng)過(guò)優(yōu)化具有非常低的接收功耗，典型接收電流為2.6 mA，遠(yuǎn)小于同類收發(fā)器的接收電流。工作電壓為2.1～3.6 V，最大發(fā)射功率為+12.5 dBm[2]。另外，SX1212集成度非常高，其包含了射頻功能和邏輯控制功能的集成電路，內(nèi)部集成了壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、變頻器和中放電路等。此外，它整合的基帶調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)150 kbps，其數(shù)據(jù)處理功能包括一個(gè)64字節(jié)的FIFO、包處理、自動(dòng)CRC生成和數(shù)據(jù)白化。SX1212高度集成的架構(gòu)允許最少的外部元件數(shù)量，同時(shí)也保證了設(shè)計(jì)的靈活性。所有主要的射頻通信參數(shù)均可編程，其中多數(shù)可動(dòng)態(tài)設(shè)置。由于SX1212集成度非常高，需要的外圍電路零件比較少，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)RF前端的匹配電路。另外在PCB布線時(shí)，高頻部分的走線用了非常短粗的線，元器件參數(shù)也根據(jù)線路板的實(shí)際情況作出了適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以抵消分布參數(shù)的影響。一般的RF芯片發(fā)射與接收端口的阻抗并不是標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω阻抗，要達(dá)到最佳的接收效果，應(yīng)將輸入阻抗通過(guò)外圍器件的補(bǔ)償，使之與50 Ω的天線匹配[3]，電路如圖2所示。

圖2中Y2是聲表面濾波器，用于衰減規(guī)定頻帶以外的信號(hào)，L2、C3、C22構(gòu)成了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，L4、L5分別是壓控振蕩器電感和調(diào)整壓控振蕩電感，可以使模塊工作于不同的頻率，C7、R3、C8構(gòu)成了鎖相環(huán)電路。

在本安電源電路設(shè)計(jì)中，采用了Linear公司的微功率穩(wěn)壓器和Maxim公司的微功率過(guò)流過(guò)壓保護(hù)芯片，靜態(tài)電流低至30 μA，電路如圖3所示，其中LDO輸出電壓由R1、R2、R3和R4決定，過(guò)壓保護(hù)門限由R7、R8、R10和R11決定，R9、R12決定過(guò)流保護(hù)門限。

圖2　系統(tǒng)電路圖

圖3　本安電源電路

采用此電路后，若達(dá)到設(shè)定過(guò)壓過(guò)流門限值時(shí)，輸出時(shí)序?qū)⑷鐖D4所示，tBLANK定時(shí)器開始計(jì)數(shù)。如果過(guò)流條件的保持時(shí)間達(dá)到tBLANK，則觸發(fā)FLAG報(bào)警指示。如果過(guò)流條件在tBLANK時(shí)間之前消除，則復(fù)位定時(shí)器。達(dá)到時(shí)間tBLANK后， 立即開始重試延時(shí)tRETRY， 在tRETRY時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)ET保持關(guān)斷。tRETRY結(jié)束后，F(xiàn)ET再次導(dǎo)通。如果仍然存在故障，則重復(fù)該循環(huán)，F(xiàn)LAG保持為低電平。故障消除后，F(xiàn)ET保持導(dǎo)通。

自動(dòng)重試功能降低了過(guò)流或短路條件下的系統(tǒng)功耗。tBLANK期間，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，供電電流保持在電流門限以內(nèi)。在tRETRY期間，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，沒(méi)有電流流過(guò)開關(guān)，所以平均輸出電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所設(shè)置的限流值。采用下式計(jì)算平均輸出電流：

圖4　故障狀態(tài)下重試時(shí)序圖

如果tBLANK為20.7 ms (典型值)，tRETRY為600 ms (典型值)，占空比為3.3%，則會(huì)降低96.7%的功耗，保證電路的安全性能。

此電路所用器件同時(shí)具有熱關(guān)斷功能，熱保護(hù)功能沒(méi)有故障屏蔽時(shí)間，以防器件過(guò)熱。如果結(jié)溫>+150 ℃ (典型值)，器件關(guān)斷，同時(shí)觸發(fā)FLAG報(bào)警。結(jié)溫冷卻至30 ℃ (典型值)后，器件退出熱關(guān)斷狀態(tài)并恢復(fù)常規(guī)工作；熱保護(hù)功能與限流類似，熱保護(hù)限值與自動(dòng)重試定時(shí)器配合工作。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的低功耗無(wú)線通信模塊可用于礦用本安儀器的升級(jí)改造中，模塊基于STM8L和SX1212設(shè)計(jì)，兼具兼容性、低功耗和本質(zhì)安全等性能，在改動(dòng)極小的情況下，既實(shí)現(xiàn)了本安儀器之間的無(wú)線通信，又幾乎不影響儀器原有的性能指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)冬,張森,何鏡.基于STM32F103的433MHz頻段無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)[J].科技視界,2014(1)：81-82.

[2] 李恒煥,隋振中.一種基于SX1231的無(wú)線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)[J].河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2011(2)：5-8.

[3] 李昌斌,馬莉,房雪蓮,等.無(wú)線數(shù)傳模塊的應(yīng)用[J].信息技術(shù),2012(7)：69-71.

* 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司2014年度科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014ZD006)

責(zé)任編輯鄭練

Low Power Wireless Communication Module Application based on STM8 in Mine Safety Instrument Design

LIAN Jie, CHEN Gang, TIAN Xiaochao

(CCTEG Xi’an Research Institute ,Xi’an 710077,China)

Abstract：Because of the cumbersome nature of the wired communication, present mine intrinsically safe instrument of wireless communication. Based on low-power module of STM8 implements First，it presents the overall structure of a wireless communication system, follow the principle of safety, compatibility, and low power consumption optimization to transform the existing mine intrinsically safe instrument. Analyze the realization of mine among intrinsically safe instrument using wireless digital communications technical problems, including communications protocol and power consumption. The system function is mainly realized by SX1212 and the low-power single-chip microcontroller STM8L101F3 produced by ST company. Design the system power supply circuit and intrinsically safe power supply circuit which has thermal shutdown function and thermal protection feature, preventing the device from overheating. The results show that the module with small changes can make intrinsically safe equipment realize wireless communication when not afferting the performance of the original instrument, and solves the problem of mine wired communications.

Key words:wireless，low power consumption, intrinsically safe

收稿日期：2015-02-26

作者簡(jiǎn)介：連杰(1987-)，男，助理工程師，主要從事地球物理勘探類儀器儀表研發(fā)工作。

中圖分類號(hào)：TN 806

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A