王洋洋，洪玉玲,3

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.礦用設備事故仿真與模擬驗證實驗室，遼寧 撫順113122）

礦井人員定位管理系統(tǒng)作為礦山安全避險六大系統(tǒng)中必不可少的一大系統(tǒng)[1]，不僅可以協(xié)助管理者對井下作業(yè)人員進行調度指揮，提高生產(chǎn)效率，更可在緊急救援時為救援人員提供重要數(shù)據(jù)，提高救援效率。讀卡分站是人員管理系統(tǒng)中重要的標識卡識別設備，而常規(guī)的分站防爆型式為礦用本質安全型，這就需要額外關聯(lián)1 臺礦用隔爆兼本安型電源為其供電，增加了系統(tǒng)的維護量。為此設計了基于STM32f103RCT6 的新型礦用隔爆兼本安型讀卡分站[2-3]，分站采用分腔設計，減輕了分站整體質量。該分站設置在井下或出入井口，通過數(shù)碼管顯示及語音播報的形式完成對標識卡工作狀態(tài)的檢測，同時可配合人臉識別儀或虹膜識別儀等設備檢測作業(yè)人員所攜帶標識卡的唯一性，滿足《煤礦安全規(guī)程》等相關要求。

1 讀卡分站硬件

讀卡分站電路組成包括本安電源模塊、無線收發(fā)模塊、STM32f103RCT6 微處理器單元、語音模塊、功放單元、數(shù)碼顯示單元、天線及揚聲器等。分站組成如圖1。

1）處理單元電路。處理單元主控制器采用STM32F103RCT6，該芯片具有256 K 字節(jié)程序存儲，48 K 字節(jié)RAM，采用cortex-m3 內核[4-7]，具有較高的性能、強大的軟件包及技術文檔的支持，同時具有較高的性價比。主控制器外圍電路如圖2。通過USART1 接收來自無線收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀包括幀頭、幀長、信息及校驗等。主控制器對接收數(shù)據(jù)進行解析處理，通過PC6、PC7 及PC8 這3 個IO 口將標識卡卡號數(shù)據(jù)送給顯示模塊進行顯示；通過USART3 及PB0、PB1 與語音模塊進行通信，驅動語音模塊將文本數(shù)據(jù)轉化為音頻信號。發(fā)光二極管D1閃爍可指示MPU 的運行狀態(tài)，并通過PB12 由1 個9014 三極管驅動直流蜂鳴器，當標識卡欠壓時，PB12 輸出高電平，蜂鳴器報警提示，提醒攜卡人員及時更換電池。

圖2 主控制器外圍電路Fig.2 Circuits around the master controller

2）本安電源。ib 等級12 V 本安電源原理圖如圖3。為方便地面取電，本安電源采用127～220 V 交流輸入，首先由AC/DC 模塊將交流轉換為直流，再經(jīng)LM317 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，由取樣電路采集電路電流，當電流大于設定值時過流保護電路動作，切斷電源輸出實現(xiàn)過流保護；過壓保護電路由電壓檢測電阻、三極管、MOS 管及晶閘管等組成，當電壓超多設定的過壓值后，MOS 管關斷實現(xiàn)過壓保護；在輸出前端并聯(lián)2 個穩(wěn)壓二極管，在輸出端電壓過高時起到限壓作用[8-9]。過流保護及過壓保護電路可將輸出端能量限制在安全范圍內，按照GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境第4 部分：由本質安全型“i”保護的設備》的要求均采用雙重保護，以達到ib 等級本質安全要求，電源最終輸出12 V 本安電源。12 V 本安電源通過穿墻端子進入本安腔后經(jīng)過DC-DC 電源模塊轉換為5 V 后再經(jīng)AMS1117-3.3 輸出3.3 V，給處理單元、顯示單元、無線收發(fā)模塊供電。

圖3 ib 等級12 V 本安電源原理圖Fig.3 Principle of 12 V intrinsic power supply reached ib level

3）無線收發(fā)模塊。本分站采用基于UWB 技術的無線收發(fā)模塊與標識卡進行雙向通信，UWB 技術具有功耗低、定位精度高、抗干擾性強等優(yōu)點，現(xiàn)已在石油化工、倉儲、監(jiān)獄等領域應用。本無線收發(fā)模塊的芯片采用DW1000，DW1000 是完全集成的符合IEEE802.15.4-2011 標準的低功耗收發(fā)器集成電路，它可用于雙向測距或TDOA 定位系統(tǒng)定位，精度最高可達10 cm。無線收發(fā)模塊將接收到的標識卡的ID 號、電壓值等消息通過USART 方式傳送給STM32f103RCT6 主控制器處理。

4）語音模塊。語音模塊采用科大訊飛公司的XF-S4240 語音合成模塊，該模塊提供了USART、SPI、IIC 3 種數(shù)據(jù)通訊接口，選擇USART 異步串行通信接口將來自微處理模塊的文本數(shù)據(jù)轉化為音頻輸出。語音模塊引腳連接如圖4。BSY 引腳為模塊狀態(tài)輸出，用來指示模塊的狀態(tài)，低電平為準備就緒，高電平為忙狀態(tài)。為模塊復位引腳，低電平有效。

圖4 語音模塊引腳連接Fig.4 Voice module pin connection

5）音頻功放單元。音頻功放單元集成芯片采用LM386-4，內部為三級放大電路，該芯片外圍器件少，靜態(tài)功耗低，同時1 腳和8 腳接上1 只電阻R5和電容C9組成串聯(lián)RC 網(wǎng)絡，用來調節(jié)LM386-4 的最大電壓增益倍數(shù)，WT2電位器用來調節(jié)揚聲器輸出合適的音量，音頻功放電路如圖5。

圖5 音頻功放電路Fig.5 The design of power amplifier circuit

6）數(shù)碼顯示單元。顯示單元采用5 個74HC595級聯(lián)的方式靜態(tài)驅動5 個高亮共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)串行輸入，并行輸出，同時該集成芯片具有數(shù)據(jù)鎖存功能，通過靜態(tài)驅動數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示不閃爍，達到理想的視覺效果。

2 分站軟件

嵌入式軟件移植了uc/os-III 實時操作系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)包含任務調度、任務管理、時間管理等功能。

2.1 主程序

主程序流程如圖6。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow diagram

首先進行各個硬件資源的初始化，包括心跳初始化、看門狗初始化、LED 初始化、74HC595 初始化、USART1 初始化、USART3 初始化等。然后進行全局變量的初始化、uc/osIII 的初始化。使用TaskCreate創(chuàng)建開始任務、LED 任務、USART 任務及數(shù)碼顯示與語音合成任務，最后執(zhí)行OSStart 函數(shù)，關鍵代碼如下。

2.2 串口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送

串口數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送采用DMA（Direct Memory Access，直接內存存?。┓绞健４跀?shù)據(jù)格式見表1，波特率為115 200 bps。接收時，串口接收到數(shù)據(jù)后，直接由DMA 自動取走，將數(shù)據(jù)存儲到內存空間，避免串口接收數(shù)據(jù)時多次進入中斷，可提高微處理器的處理效率。

表1 數(shù)據(jù)幀格式表Table 1 Data frame format table

由于接收到的數(shù)據(jù)幀長不確定，采用檢測串口空閑中斷標志來判斷數(shù)據(jù)幀是否傳輸完成，需要首先要在配置USART1 時使能空閑中斷，運行代碼USART_ITConfig

數(shù)據(jù)接收后，對數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)協(xié)議進行校驗，對錯誤幀拋棄，正確幀按照語音合成模塊協(xié)議進行處理后，將數(shù)據(jù)采用DMA 傳輸方式通過UART3 發(fā)送給語音合成模塊，當判斷電壓值低于設定閾值時，合成對應數(shù)據(jù)，此時，分站語音播報“電量低”。

3 結 語

設計一種基于STM32f103RCT6 的新型礦用隔爆兼本安型讀卡分站。分站采用分腔式結構設計，整體質量更輕；進行了本安電源電路、處理單元電路、顯示單元、功放單元等硬件電路設計，滿足本質安全及性能需求；進行了嵌入式軟件的設計，并移植了uc/os-III 操作系統(tǒng)，完成多任務的調度，并使用DMA 傳輸方式，節(jié)約了MPU 執(zhí)行時間，提升了處理效率；分站實現(xiàn)了標識卡的識別、卡號的顯示及語音播報，符合煤礦及非煤礦山的需要。