孫澤明

(山西省電子工業(yè)科學(xué)研究所有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著煤礦開采時間的延長，巷道也變得越來越長，越來越復(fù)雜，和路面的交通越來越相似；這就對井下車輛的管理提出了新的更高的要求。井下車輛的使用日益頻繁，主要用于材料、物資、設(shè)備、人員的運(yùn)輸，如何便捷、有效的管理車輛，減少車輛間、車輛與礦工之間事故的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率，并在某些特殊情況下實(shí)現(xiàn)車輛對紅綠燈的自動控制，或者紅綠燈對車輛的識別后進(jìn)行紅綠燈控制，這是智慧礦山的一部分。例如礦難發(fā)生時，緊急運(yùn)送物資的車輛需要無障礙通行，這就使得在經(jīng)過有紅綠燈的卡口時對紅綠燈實(shí)行自動控制。

本文主要介紹一種運(yùn)輸車輛在經(jīng)過紅綠燈卡口時如何對紅綠燈實(shí)現(xiàn)自動控制，使紅綠燈按照運(yùn)輸車輛發(fā)出的指示進(jìn)行“通行/禁止”間的切換。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)主要分為兩部分，移動目標(biāo)(運(yùn)輸車輛)部分和靜態(tài)(紅綠燈卡口)部分。

移動目標(biāo)在一定距離范圍內(nèi)發(fā)出改變靜態(tài)目標(biāo)狀態(tài)請求，靜態(tài)目標(biāo)獲取移動目標(biāo)發(fā)出的指令請求，執(zhí)行相關(guān)指令，并發(fā)送成功指令給移動目標(biāo)。

在設(shè)計(jì)時可以分為簡單設(shè)計(jì)和復(fù)雜設(shè)計(jì)，復(fù)雜設(shè)計(jì)包含靜態(tài)目標(biāo)發(fā)送執(zhí)行成功與否信息給移動目標(biāo)，而簡單設(shè)計(jì)可以省去該部分。如圖1。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 技術(shù)選型

本系統(tǒng)主要涉及的技術(shù)為無線通信技術(shù)和信號傳輸技術(shù)。井下車輛的最大行駛速度不超過40 km/H,大約11 m/s。將靜態(tài)目標(biāo)接收信號時間、處理信號時間、將接收信號傳輸?shù)娇诟骺刂颇K時間等綜合考慮，移動目標(biāo)與靜態(tài)目標(biāo)的距離至少應(yīng)該為5s左右的時間差；所以信號傳輸范圍必須大于55 m，100 m以上傳輸距離更佳。

靜態(tài)目標(biāo)接收到動態(tài)目標(biāo)的信號后，將控制指令傳輸?shù)娇诘募t綠燈控制盒。一般按卡口最多4個紅綠燈計(jì)算，信號需要傳輸?shù)木嚯x大約為100 m。

根據(jù)以上分析，無線傳輸模塊采用CC1310F128無線數(shù)傳模塊，信號傳輸采用CAN接口協(xié)議進(jìn)行。

CC1310是德州儀器(TI)系列器件中的經(jīng)濟(jì)、高效、超低功耗1 GHz以下的SOC射頻器件。它既具有Cortex?-M0的射頻性能，又具有強(qiáng)大的48 MHz Cortex?-M3微控制器，具有極低功耗和極小體積，適用于由小型紐扣電池供電的遠(yuǎn)距離操作。

CC1310-TC-005模塊提供了多個頻道的選擇,可在線修改串口速率、發(fā)射功率、射頻速率等各種參數(shù)。該模塊能夠透明傳輸用戶數(shù)據(jù),而用戶無須編寫復(fù)雜的驅(qū)動程序,同時小體積寬電壓運(yùn)行，視距下的傳輸距離可達(dá)1500 m,使之能夠應(yīng)用在非常廣泛的領(lǐng)域。該模塊是新一代的多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊，同時該模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的TTL接口,提供800/9、600/19、200/38、400/115、200 bps五種速率和三種接口校驗(yàn)方式。該模塊外部接口采用透明數(shù)據(jù)傳輸方式，能適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議,所收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)的數(shù)據(jù)。

表1 CC1310F128射頻參數(shù)

MCU選擇STM32F40X系列芯片。STM32F40X系列是ST公司具有Cortex-M4內(nèi)核，具有32位處理能力，并具有FPU(Floating Point Unit)能力的高性能微處理器，具有最高1 MB Flash和192 K RAM。該MCU具有8080/6800模式下的LCD并行接口，2路12位AD轉(zhuǎn)換接口，最多17個定時器，最多140個I/O接口，最多15個通訊接口，包括3個I2C接口，4分UART接口，2個CAN接口等，此外還包括視頻、語音等接口，能高效實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)功能外，還能為以后的性能、功能擴(kuò)展起到很好的支撐作用。

控制端向卡口信號燈發(fā)送信號使用CAN總線方式。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)?；贑AN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性:網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時性強(qiáng)，開發(fā)周期短，可靠性強(qiáng)等。不過CAN總線的傳輸距離與傳輸速率有著明顯的對應(yīng)關(guān)系。通信速率5 kbps以下，傳輸距離可達(dá)10 kM;通信速率最高可達(dá)1 Mbps，但是此時通信距離在40 m以下,設(shè)計(jì)時應(yīng)加以考慮。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

移動目標(biāo)在行駛過程中不斷發(fā)出433 MHz射頻信號，在卡口接收器可接收范圍內(nèi)收到信號后，接收器端的CC1310-TC-005模塊將接收到的信號通過TX/RX管腳傳輸?shù)轿⒖刂破?MCU)的RX/TX管腳(如圖2)，MCU再將接收到的信號，處理后發(fā)送到CAN傳輸接口芯片(如圖3)，通過接口芯片發(fā)送到卡口信號燈控制器。

圖2 信號接收

圖3 信號發(fā)送

4 軟件流程

流程圖如圖4所示。首先啟動設(shè)備后，該設(shè)備一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，監(jiān)聽移動目標(biāo)發(fā)送來的射頻信號；433模塊接收到射頻信號后，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)組CU，MCU根據(jù)擬定好的通信協(xié)議生成CAN數(shù)據(jù)包，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到特定卡口的信號燈控制盒。

圖4 流程圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時需要考慮射頻信號的發(fā)送距離、CAN數(shù)據(jù)的傳輸距離、和原系統(tǒng)的通信協(xié)議、井下的復(fù)雜環(huán)境等關(guān)鍵因素等，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成功后還需要井下的實(shí)地試驗(yàn)，綜合考慮因素較多，對研發(fā)設(shè)計(jì)人員的能力要求比較全面。