基于STM32 的礦用隔爆兼本安型讀卡分站

王洋洋，洪玉玲,3

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.礦用設(shè)備事故仿真與模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)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(duì)井下作業(yè)人員進(jìn)行調(diào)度指揮，提高生產(chǎn)效率，更可在緊急救援時(shí)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(biāo)識(shí)卡識(shí)別設(shè)備，而常規(guī)的分站防爆型式為礦用本質(zhì)安全型，這就需要額外關(guān)聯(lián)1 臺(tái)礦用隔爆兼本安型電源為其供電，增加了系統(tǒng)的維護(hù)量。為此設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，減輕了分站整體質(zhì)量。該分站設(shè)置在井下或出入井口，通過數(shù)碼管顯示及語音播報(bào)的形式完成對(duì)標(biāo)識(shí)卡工作狀態(tài)的檢測(cè)，同時(shí)可配合人臉識(shí)別儀或虹膜識(shí)別儀等設(shè)備檢測(cè)作業(yè)人員所攜帶標(biāo)識(shí)卡的唯一性，滿足《煤礦安全規(guī)程》等相關(guān)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(yáng)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(chǔ)，48 K 字節(jié)RAM，采用cortex-m3 內(nèi)核[4-7]，具有較高的性能、強(qiáng)大的軟件包及技術(shù)文檔的支持，同時(shí)具有較高的性價(jià)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(zhǎng)、信息及校驗(yàn)等。主控制器對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，通過PC6、PC7 及PC8 這3 個(gè)IO 口將標(biāo)識(shí)卡卡號(hào)數(shù)據(jù)送給顯示模塊進(jìn)行顯示；通過USART3 及PB0、PB1 與語音模塊進(jìn)行通信，驅(qū)動(dòng)語音模塊將文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為音頻信號(hào)。發(fā)光二極管D1閃爍可指示MPU 的運(yùn)行狀態(tài)，并通過PB12 由1 個(gè)9014 三極管驅(qū)動(dòng)直流蜂鳴器，當(dāng)標(biāo)識(shí)卡欠壓時(shí)，PB12 輸出高電平，蜂鳴器報(bào)警提示，提醒攜卡人員及時(shí)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(jí)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(zhuǎn)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(dāng)電流大于設(shè)定值時(shí)過流保護(hù)電路動(dòng)作，切斷電源輸出實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)；過壓保護(hù)電路由電壓檢測(cè)電阻、三極管、MOS 管及晶閘管等組成，當(dāng)電壓超多設(shè)定的過壓值后，MOS 管關(guān)斷實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)；在輸出前端并聯(lián)2 個(gè)穩(wěn)壓二極管，在輸出端電壓過高時(shí)起到限壓作用[8-9]。過流保護(hù)及過壓保護(hù)電路可將輸出端能量限制在安全范圍內(nèi)，按照GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境第4 部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》的要求均采用雙重保護(hù)，以達(dá)到ib 等級(jí)本質(zhì)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(jìn)入本安腔后經(jīng)過DC-DC 電源模塊轉(zhuǎn)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(jí)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(shù)的無線收發(fā)模塊與標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行雙向通信，UWB 技術(shù)具有功耗低、定位精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在石油化工、倉儲(chǔ)、監(jiān)獄等領(lǐng)域應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的低功耗收發(fā)器集成電路，它可用于雙向測(cè)距或TDOA 定位系統(tǒng)定位，精度最高可達(dá)10 cm。無線收發(fā)模塊將接收到的標(biāo)識(shí)卡的ID 號(hào)、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(zhuǎn)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(zhǔn)備就緒，高電平為忙狀態(tài)。為模塊復(fù)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(nèi)部為三級(jí)放大電路，該芯片外圍器件少，靜態(tài)功耗低，同時(shí)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(luò)，用來調(diào)節(jié)LM386-4 的最大電壓增益倍數(shù)，WT2電位器用來調(diào)節(jié)揚(yáng)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(gè)74HC595級(jí)聯(lián)的方式靜態(tài)驅(qū)動(dòng)5 個(gè)高亮共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)串行輸入，并行輸出，同時(shí)該集成芯片具有數(shù)據(jù)鎖存功能，通過靜態(tài)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示不閃爍，達(dá)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)包含任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)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(jìn)行各個(gè)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(jìn)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(wù)、LED 任務(wù)、USART 任務(wù)及數(shù)碼顯示與語音合成任務(wù)，最后執(zhí)行OSStart 函數(shù)，關(guān)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(nèi)存存?。┓绞健４跀?shù)據(jù)格式見表1，波特率為115 200 bps。接收時(shí)，串口接收到數(shù)據(jù)后，直接由DMA 自動(dòng)取走，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)存空間，避免串口接收數(shù)據(jù)時(shí)多次進(jìn)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(zhǎng)不確定，采用檢測(cè)串口空閑中斷標(biāo)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(shí)使能空閑中斷，運(yùn)行代碼USART_ITConfig

數(shù)據(jù)接收后，對(duì)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)錯(cuò)誤幀拋棄，正確幀按照語音合成模塊協(xié)議進(jìn)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(dāng)判斷電壓值低于設(shè)定閾值時(shí)，合成對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，此時(shí)，分站語音播報(bào)“電量低”。

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體質(zhì)量更輕；進(jìn)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(shè)計(jì)，滿足本質(zhì)安全及性能需求；進(jìn)行了嵌入式軟件的設(shè)計(jì)，并移植了uc/os-III 操作系統(tǒng)，完成多任務(wù)的調(diào)度，并使用DMA 傳輸方式，節(jié)約了MPU 執(zhí)行時(shí)間，提升了處理效率；分站實(shí)現(xiàn)了標(biāo)識(shí)卡的識(shí)別、卡號(hào)的顯示及語音播報(bào)，符合煤礦及非煤礦山的需要。