李　翔，李　璨，仝　飛（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

基于STM32與CC1100的采煤機無線遙控系統(tǒng)的研究

李翔，李璨，仝飛
（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京 100083）

采煤機在現(xiàn)代煤礦工業(yè)中起著至關重要的作用，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(xiàn)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(jié)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。

采煤機；無線遙控；STM32F103VCT6；CC1100

0　引言

采煤機是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機械化和現(xiàn)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(chǎn)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(gòu)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(zhuǎn)，司機左側(cè)滾筒用左螺旋，司機右側(cè)滾筒用右螺旋。也可相向旋轉(zhuǎn)，司機左側(cè)滾筒用右螺旋，司機右側(cè)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］。

圖1　采煤機無線遙控系統(tǒng)應用示意圖

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(xiàn)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(gòu)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(zhuǎn)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(diào)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　采煤機無線遙控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

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 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(xiàn)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。

2.2LED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(cè)或右側(cè)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。

圖3　采煤機遙控系統(tǒng)示意圖

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0.35μm 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(diào)制解調(diào)器，這個調(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500 kb/s。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，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。

圖4　無線通信模塊電路

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。

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。為了提高信號的傳輸質(zhì)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。

圖8　CAN輸出電路

3　軟件設計

在軟件設計上采用時間片輪轉(zhuǎn)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。

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。

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100ms執(zhí)行一次該定時任務。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(shù)據(jù)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。

圖11　接收單元軟件流程圖

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(shù)據(jù)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?？梢酝ㄟ^計算手持發(fā)送設備和接收設備通信燈的亮滅次數(shù)計算丟包率。不同距離下丟包率的測試結(jié)果如表2所示。

測試結(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應用。

5　結(jié)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(jié)構(gòu)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。

表2　無線通信性能測試記錄

［1］謝錫純，李曉豁.礦山機械與設備［M］.北京：中國礦業(yè)大學出版社，2000.

［2］胡愛國，李威，許少毅.基于 S3C2440與 nRF905的采煤機無線遙控系統(tǒng)設計［J］.礦山機械，2011（2）：28-29.

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

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

［5］潘旭兵，林中.基于 CC1100的無線手持終端的設計［J］.電子技術應用，2007，33（10）：29-33.

［6］楊承恩，林永生，杜佳璐.RF無線射頻電路設計中的常見問題及設計原則［J］.國外電子元器件，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：檢測技術與自動化裝置。E-mail：lixiang_daocao@163.com。

李璨（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術與自動化裝置。

仝飛（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：檢測技術與自動化裝置。