基于Si4463的電磁調速采煤機總線型遙控器的研究與實現

賀洪江，任建濤

（1.河北工程大學 裝備制造學院，邯鄲 056038；2.河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038）

近些年，隨著我國煤炭儲存量的迅速減少，薄煤層煤炭開采技術以及開采效率已引起業(yè)內高度重視。目前，大多數采煤機的控制方式主要包括機載控制器控制和遠程無線遙控控制2種方式。但在實際工作中，受煤礦井下惡劣環(huán)境因素限制，通過機載控制器控制采煤機的難度非常大，因此目前采煤機控制主要以無線遙控為主[1]。相比交流變頻調速和開關磁阻調速而言，電磁調速采煤機的突出優(yōu)點是結構簡單、容易維護，制造成本低、牽引功率大、啟動轉矩大、使用可靠等?；诖嗽O計一款高性能、易操作的采煤機遙控器具有重要意義。

1 總線型遙控器

總線型遙控器主要包括無線遙控主機（無線手持設備）和無線遙控副機（無線機載設備）。無線遙控副機采用硬件RS485總線接口和軟件Modbus協議，與采煤機主機進行互聯，應用性廣[2]。與傳統數字型采煤機遙控器相比，其突出優(yōu)點是[3-4]：（1）采煤機電控系統中無需預留數字量點，硬件接口簡單，協議通用性強；（2）采用射頻通信，解決了傳統編碼通信傳輸距離短、誤碼率高等缺點；（3）通信數據及通信協議具有可編程性，規(guī)避了傳統采煤機遙控器數據傳輸固定、單一等缺點；（4）遙控主機可實時顯示采煤機的運行參數、實時狀態(tài)等，便于操作人員實時了解采煤機運行狀態(tài)并作出相應的控制操作，從而實現采煤機無線閉環(huán)控制。其缺點是：采煤機電控系統需解析遙控器數據協議，給系統軟件編寫增添一定的困難。

2 系統結構及功能

2.1 系統結構

無線遙控主機采用ST公司超低功耗CPU—STM8L101F3P6為核心處理器，以及多種硬件電路，如電源電路、無線收發(fā)電路、按鍵電路、LCD液晶顯示電路等。無線遙控副機以STM32F103C8T6為控制核心，Modbus接口電路為硬件平臺。無線遙控副機與采煤機主控制系統之間采用RS485總線相連，并通過Modbus協議進行數據傳輸。采煤機主控制系統作為Modbus主站，無線遙控副機作為Modbus從站，從而便于采煤機控制系統實時采集遙控器數據。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

2.2 系統功能

采煤機啟動后，采煤機主控系統將采煤機的運行參數實時寫入無線遙控副機指定的寄存器中，同時讀取相應無線操作指令寄存器數據，若操作人員沒有進行無線控制，則無線遙控副機無線操作指令寄存器數據為空，否則為非空。另外，無線遙控副機每隔1 s將采煤機運行參數通過無線模塊發(fā)射出去。

無線遙控主機系統以超低功耗單片機STM8L101F3P6和超低功耗無線射頻芯片Si4463為核心，操作人員通過遙控主機面板上按鍵發(fā)送相關控制指令，經無線傳輸，遙控副機收到數據后進行解析并將相關數據存入對應的寄存器內，同時無線遙控主機接收無線遙控副機發(fā)出的采煤機運行參數數據，并在遙控主機LCD液晶上顯示出來，從而形成采煤機無線閉環(huán)控制[5]。

3 系統硬件設計

3.1 CPU選型

采煤機無線遙控主機采用ST公司的超低功耗單片機STM8L101F3P6，STM8L101F3P6采用高性能8位內核，在16 MHz運行頻率下，高達16 MIPS，內置RC振蕩器。2個超低功耗模式：暫停模式下0.35 μA；活躍暫停模式下0.8 μA（帶有自動喚醒單元）。多數IO端口可驅動大電流，同時快速的時鐘切換非常適用于無線遙控設備。

3.2 無線射頻電路設計

3.2.1 Si4463 EZRadioPRO簡介

Si4463 EZRadioPRO無線射頻芯片是Silicon Labs公司生產的低功耗、高集成度單芯片收發(fā)器，其最大輸出功率高達+20 dBm，可實現遠距離無線數據傳輸。靈敏度為-126 dBm，Si4464的工作頻率119 MHz～960 MHz，PA 支持+27 dBm 或+30 dBm，采用（G）FSK，4（G）FSK，（G）MSK，OOK 和 ASK 調制，數據傳輸速率 100 b/s～1 Mb/s，工作電壓 1.8 V～3.6 V，關斷電流30 nA，待機電流50 nA。同時還支持跳頻功能。Si4463在活躍模式下接收（RX）電流為10 mA，發(fā)射（TX）電流為18 mA，極低的待機電流和快速喚醒時間非常適合電池供電系統[6]。因此Si4463其卓越的輸出功率和出色的TX效率是目前無線射頻傳輸市場的理想選擇。

3.2.2 Si4463工作原理

Si4463和STM8L101F3P6的連接方式如圖2所示。單片機采用硬件SPI接口與Si4463連接。SDN是Si4463模式控制線，CS是片選端，低電平有效，SCK是芯片時鐘控制線，SDI、SDO是數據傳輸線，INT是中斷信號線。在Si4463器件內部，功放和LNA并沒有連接。在使用Si4463收發(fā)器的時候，TX和RX引腳可以直接連接在一起，而無需RF開關。在使用Si4463最高輸出功率設置時，發(fā)射和接收引腳通過一個SPDT（單刀雙擲）RF開關分別連接到天線。Si4463器件能進行RF開關控制。通過將RX State和TX State信號送到任意2個GPIO，即可自動控制RF開關。根據工作模式，GPIO控制RF開關自動將天線連接到接收通道或發(fā)射通道。如果芯片未處于激活模式，GPIO將禁止RF開關。

圖2 無線模塊連接電路Fig.2 Wireless module circuit connection

Si4463收發(fā)數據包字段包括引導碼（preamble）、 同步字 （sync word）、 有效數據長度（payload length）、有效數據（payload）以及 CRC。 其中引導碼（preamble）是數據中具有連續(xù)邊沿變化的一串已知的序列，用于同步發(fā)射器和接收器。在發(fā)射器和接收器同步之后，接收器必須找到數據段中的有效數據從什么地方開始，即已知位字段來幫助識別有效數據同步字（sync word）。有效數據長度有助于接收器正確、快捷地解析數據包中有效數據載荷。如果在通信過程中受到干擾，將會引起一系列的位錯誤，因此CRC校驗有助于保證接收數據包的正確性。數據包格式如表1所示。

表1 數據包格式Tab.1 Packet format

Si4463內置數據包處理器便于自動進行數據包發(fā)射。數據包參數初始化后只需將有效數據傳送到FIFO，數據包就會自動進行發(fā)射。整個數據包的建立和發(fā)送都是由器件完成的，而不用微處理器，縮短了處理器處理數據時間，提高了遙控器的發(fā)射效率。

3.3 系統電源電路設計

無線遙控主機系統的特點是便于攜帶，本系統采用鉛酸電池（VRLA）供電。鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。其較傳統干電池以及鋰電池的優(yōu)點在于：（1）能夠進行快速充電以及浮充充電，并且使用壽命長；（2）質量穩(wěn)定、可靠性高，為煤礦井下操作提供安全保障；（3）結構簡單、價格低廉。本系統采用6 V/1.3 Ah的鉛酸電池，經估算，在正常工作模式下最大功耗在20 mA，可保證遙控器50 h的工作時間，系統在休眠狀態(tài)下最大功耗在80 μA，可保證遙控器保持休眠待機狀態(tài)12500 h。另外，當電池沒電時，可對鉛酸電池進行浮充式充電，便于反復使用。

無線遙控主機系統電源芯片采用HT7533，HT7533是一款負載調整能力強、線性性能好、低功耗的穩(wěn)壓芯片。無線遙控副機電源由采煤機主控系統提供，電源穩(wěn)壓芯片采用LM2596，其出入電壓范圍廣，通用性強，適用于多種電源供電。

4 軟件設計

4.1 按鍵掃描和液晶顯示設計

按鍵采用外部中斷觸發(fā)方式，為了降低系統功耗，系統上電啟動后立即進入休眠模式，當有按鍵按下時，觸發(fā)外部中斷喚醒CPU。另外，本系統在軟件和硬件上都已設計按鍵防抖功能，確保按鍵指令的正確輸入。因此，系統軟件只需檢測外部中斷即可。

為了最大限度降低系統功耗，無線遙控主機在處于休眠狀態(tài)時，系統關閉液晶背光燈，只有當操作人員按下按鈕查看采煤機運行參數時，才將液晶背光打開。

4.2 無線數據收發(fā)設計

根據采煤機工業(yè)現場控制需求，遙控主機在完成初始化后系統便進入halt模式，在休眠模式下系統工作電流在80 μA左右。操作人員在進行相應控制操作時，通過按鍵觸發(fā)單片機外部中斷，喚醒單片機，同時喚醒無線模塊進入工作模式。遙控主機每完成一項指令發(fā)送任務，相應的發(fā)射信號燈閃爍一次，否則不亮。

遙控副機通過采煤機控制系統供電，在采煤機系統啟動并完成一系列初始化后，遙控副機作為Modbus從站開始實時存儲采煤機運行參數最新值，每隔1 s將采煤機運行參數通過無線模塊發(fā)射出去，同時判斷是否有無線控制指令，以便及時、準確地將控制指令傳輸給采煤機控制系統完成遠程控制操作。遙控器無線數據收發(fā)軟件設計流程如圖3和圖4所示。

圖3 遙控主機程序流程Fig.3 Remote host program flow chart

圖4 遙控副機程序流程Fig.4 Remote slave program flow chart

4.3 Modbus協議應用

工業(yè)現場設備間通信一般采用Modbus協議，Modbus協議支持多種電氣接口，如以太網、RS485、RS232等，因此本系統無線機載裝置和采煤機載控制器之間采用Modbus數據通信協議，既保證了無線系統具有一定的適用性，也提升了數據傳輸的可靠性，從而加強了無線遙控系統的性能參數。在本系統中，采煤機控制器作為Modbus主站，實時查詢無線遙控副機中定義的相關寄存器，以便及時、準確地讀取遠程遙控器的控制指令。

5 結語

本文介紹了以STM8L101F3P6和Si4463為核心的采煤機總線型遙控器系統，不僅滿足傳統無線遙控器控制功能，還具有參數顯示、實時監(jiān)控、自我保護功能，從而實現采煤機無線遙控閉環(huán)控制。另外，它具有超低功耗、靈敏度高、體積小、擴展性好、設計簡單等特點，其較強的抗干擾性保證了煤礦遙測數據雙向傳輸的穩(wěn)定。但考慮到礦井作業(yè)，該系統還需在防爆方面做進一步優(yōu)化。

[1]江帆，李偉，張傳書.基于C8051F021的采煤機遙控系統設計和研究[J].礦山機械，2011，39（2）：30-33.

[2]劉策越，王偉，趙欣.MG561電磁調速采煤機遙控器研究與實現[J].自動化技術與應用，2014，33（3）：50-53.

[3]高原，李云.基于AVR嵌入式系統的采煤機智能遙控器設計[J].煤礦機電，2012（5）：16-18.

[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，2010，38（8）：107-110.

[5]程冬，丁保華，李威.基于片上系統CC2530的采煤機遠程遙控裝置設計[J].礦山機械，2010，38（3）：19-21.

[6]Silicon Laboratories.Si4464/63/61/60 datasheet[Z].Revision 1.2 Copyright，2012.