一種新型司控道岔遙控器的設計

苗軼如，華澤璽，李國勝

(西南交通大學電氣工程學院，四川成都 610031)

道岔是礦井下運輸線路的重要組成部分，道岔搬動速度也影響著煤礦的生產(chǎn)效率。目前道岔控制方式主要有三種，分別是現(xiàn)場操作式、司機遙控式和調(diào)度員集控式［1－2］。其中司機遙控式在現(xiàn)階段煤礦生產(chǎn)中是主導方式，通常是以PT2272無線接收芯片、單片機、繼電器為核心的司控道岔系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用單向通信，即只能由遙控器向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，在出現(xiàn)道岔控制異常時很難判斷是通信故障還是控制器故障［3］，無法快速準確定位故障點，不利于故障檢測和處理。

遙控器是礦車司機發(fā)送道岔搬動指令的工具，文中設計一種新型遙控器，在遙控器上增加鍵盤數(shù)量，擴充遙控器的功能。在遙控器上增加顯示設備，能夠將信息呈現(xiàn)給司機。采用CC1100模塊作為遙控設備和控制器的無線數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，從而實現(xiàn)遙控器與控制器的雙向通信，同時也擴充了信息傳輸?shù)娜萘?，建立較完善信息幀，構成設備和通信的安全機制，使司機能夠完成對道岔的控制以及對道岔狀態(tài)的檢測。當控制異常時，也可對通信故障和設備故障及時定位。

1 遙控器系統(tǒng)總體設計

遙控器系統(tǒng)主要由單片機、鍵盤、LCD液晶顯示屏和以及無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊構成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。鍵盤是系統(tǒng)的輸入設備，司機通過鍵盤完成對道岔的控制和檢測，每觸發(fā)一次按鍵，LCD都會顯示該按鍵，能夠有效減少司機的誤操作。CC1100模塊既是輸入設備，也是輸出設備，能將司機的命令發(fā)送出去，同時也接收控制器回復的信息，接收到的有效信息經(jīng)過解析后會在LCD上顯示，給予司機正確的提示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 遙控器系統(tǒng)硬件設計

遙控器硬件電路由 ATmega16L單片機、CC1100無線收發(fā)器、鍵盤以及帶有背光的FM0802B型LCD組成，硬件電路圖如圖2所示。

圖2 遙控器的硬件電路圖

系統(tǒng)外接8M石英晶體振蕩器Y1，單片機的PB2到PB7引腳與無線收發(fā)模塊CC1100連接，通過 SPI接口(CSN、MOSI、MISO、CSN)對 CC1100模塊的寄存器進行讀寫，從而實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送［4］。LCD用來顯示司機輸入的數(shù)字、信息發(fā)送的結果以及從接收器收到的信息。PC口作為LCD的數(shù)據(jù)輸入端，PD5與FM0802B的RS連接，當單片機對LCD進行寫操作時，PD5用于控制寫命令還是寫數(shù)據(jù)，PD6與RW引腳連接，用于選擇數(shù)據(jù)的讀或者寫，PD7是LCD的使能控制端，高電平有效。

鍵盤是遙控器系統(tǒng)的輸入設備，遙控器上一共有14個按鍵和1個電源開關S14。遙控器由3.6V蓄電池供電，由于功率比較大，所以在電源回路上增加開關，當司機不使用遙控器時可以關閉電源。各按鍵的功能如表1所示。

表1 遙控器按鍵功能表

數(shù)字鍵和清除鍵采用3×4矩陣方式由單片機檢測，可以減少I/O口的占用，由PA口實現(xiàn)矩陣鍵盤的檢測，如圖2所示。PA0到PA2設置為輸出模式，PA3到PA6設為輸入模式，每一個按鍵都對應一個獨立的輸出引腳和輸入引腳，輸入的按鍵都會在LCD上正確顯示。S10鍵是清除鍵，當司機發(fā)現(xiàn)道岔編號輸入錯誤時，可以通過按下S12鍵清除前面輸入的數(shù)字，同時也對LCD清屏，糾正輸入錯誤。S11是發(fā)送鍵，它的狀態(tài)被外部中斷INT0檢測，當點擊發(fā)送鍵后，INT0引腳會檢測到下降沿，從而進入INT0的中斷服務程序，此時單片機會通過CC1100模塊將道岔搬動的控制命令發(fā)送給控制器。S12按下觸發(fā)INT1的中斷服務程序，用于發(fā)送道岔檢測命令［5］。

3 遙控器與控制器的通信幀格式設計

遙控器與接收器之間通信的幀格式如表2所示。一共有6位，起始碼固定為02H，結束碼為03H。幀類型位用于表示該報文是遙控器發(fā)給控制器的命令幀還是控制器回復給遙控器的信息幀，31H表示該信息幀是遙控器發(fā)送給控制器的，32H表示此信息幀是控制器發(fā)給遙控器。

表2 遙控器和控制器的信息幀格式

指令碼用于區(qū)分信息幀，設定了6個指令碼，它們所表示的內(nèi)容如表3所示。31H和32H是遙控器發(fā)送的，31H為搬動當前道岔命令，32H為讀取道岔的狀態(tài)。當控制器接收到道岔控制命令后，會立即給遙控器發(fā)送指令碼為33H的信息幀，表示道岔控制命令收到，可以確定通信故障是否存在。當控制器收到遙控器發(fā)送的道岔檢測指令后，會將道岔的道岔位置發(fā)送給遙控器，道岔左側發(fā)送指令碼為34H的信息幀，道岔右側發(fā)送指令碼為35H的信息幀。如果控制器在規(guī)定時間內(nèi)未能將道岔搬動到位，則發(fā)送指令碼為30H的信息幀，提示司機道岔搬動異常。

表3 指令碼的含義

當控制器接收到遙控器發(fā)送的有效道岔搬動指令后，先立即向發(fā)送命令的遙控器發(fā)送指令碼為33H的信息幀，通知司機道岔命令已收到，這樣可以確定通信故障是否存在。當?shù)啦戆釀映晒螅傧蜻b控器發(fā)送當前道岔狀態(tài)，失敗則發(fā)送道岔搬動失敗的信息。

4 遙控器系統(tǒng)軟件設計

在遙控器軟件程序中定義了幾個關鍵的全局變量和數(shù)組，如表4和表5所示。

表4 遙控器程序中的變量及含義

表5 遙控器軟件程序中的數(shù)組及含義

num的初始值設置為0，yaokong_num的初始值為此遙控器的編號，在程序中不會被改變。rec_buffer的初始值全設置為0，它用于存放CC1100無線收發(fā)模塊接收到的數(shù)據(jù)。send_control和send_check數(shù)組的初始值按照3中規(guī)定的遙控器的命令幀格式設置，其中表示道岔號的第四位初始值設為0。

遙控器的軟件程序設計包括主程序和兩個外部中斷服務程序，主程序流程圖見圖3。

圖3 遙控器主程序流程圖

首先進行初始化，包括設定引腳的數(shù)據(jù)方向寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的初始值。使能SPI接口將單片機設置為主機模式，16分頻。開全局中斷，使能INT0和INT1的外部中斷，下降沿觸發(fā)。初始化CC1100模塊、FM0802B。然后程序進入查詢狀態(tài)，不斷檢測是否有鍵按下，是數(shù)字鍵，則改變變量num，表達式如公式1

式中key表示當前輸入的數(shù)字。并用LCD顯示其值。如果按下的不是數(shù)字鍵，就是清零鍵，該鍵將num置零，并對LCD寫入清零指令。主程序還要不斷檢測CC1100模塊是否接收到數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后對該rec_buffer進行校驗，校驗過程分三步:校驗起始位和結束位是否為02H和03H;校驗幀類型是否為32H;校驗遙控器位是否為 ID號yaokong_num。以上三步都正確則根據(jù)rec_buffer的第4位和第5位進行解析，用LCD顯示該數(shù)據(jù)代表的內(nèi)容［6－7］。例如，收到了2號道岔在左側的信息幀，則LCD會顯示出“switch2 left”，如圖4所示。無效則丟棄數(shù)據(jù)，初始化 rec_buffer。

圖4 遙控器實物圖

當按下發(fā)送鍵時，INT0引腳由高降至低，從而進入INT0的外部中斷服務程序，程序流程圖如圖5所示。進入中斷服務程序后，先關中斷。即在中斷服務程序中禁止其它中斷響應。之后對num進行檢測，如果值為零，LCD顯示“input error”，提示司機道岔號沒有輸入或輸入錯誤。如果值不為零，將num裝載入道岔控制命令數(shù)組的第四位，向遙控器發(fā)送道岔控制命令幀send_control，并在 LCD上顯示“send ok”，然后將 num清零，再次允許INT0和INT1中斷。

圖5 外部中斷INT0的中斷服務程序流程圖

當司機不清楚前方道岔狀態(tài)時，可以通過發(fā)送道岔檢測命令讀取當前道岔的狀態(tài)，即觸發(fā)檢測按鍵，此時進入INT1的中斷服務程序。程序流程基本相同，唯一的區(qū)別是將send_check數(shù)組發(fā)送給控制器，而不是send_control。

5 實驗結果

該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過現(xiàn)場測試，實驗數(shù)據(jù)如表6所示。逐漸擴大遙控器與控制器的距離，觀察并記錄對轉轍機控制成功的次數(shù)。由表6可見，在30m范圍內(nèi)，控制器能夠對遙控器發(fā)送的控制命令成功接收并對轉轍機做出控制，當距離增加到40m時，會出現(xiàn)控制失敗的情況，成功率為82%。

表6 實驗數(shù)據(jù)

6 結論

文中設計一種新型遙控器，實驗結果表明:該遙控器系統(tǒng)的有效控制距離至少為30m，且控制時間低于3s，達到了煤礦運輸?shù)囊?。同時還能對道岔狀態(tài)進行有效檢測，無論道岔搬動正常還是異常，都能夠有效提示司機道岔當前的狀態(tài)。此遙控器可以在其它的控制領域作為遙控器使用，具有很好的可移植性。

［1］姚玉欽，丁瑩亮.基于單片機的無線遙控式直流電動道岔控制系統(tǒng)設計［J］.礦山機械，2008，36(19):64－67.

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［2］中華人民共和國建設部.GB50388－2006煤礦井下機車運輸信號設計規(guī)范［M］.北京:中國計劃出版社，2006.

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