基于STM32的煤礦用噪聲聲級(jí)傳感器的設(shè)計(jì)

張 強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

0 引言

目前，我國(guó)用于煤礦井下噪聲監(jiān)測(cè)的儀器較少，對(duì)煤礦噪聲危害的調(diào)查多集中在煤炭生產(chǎn)的地面企業(yè)[1]。本文設(shè)計(jì)了基于STM32芯片的煤礦用噪聲聲級(jí)傳感器，移植了μCOS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，并設(shè)計(jì)了噪聲信號(hào)處理電路，實(shí)現(xiàn)了噪聲的精確測(cè)量，同時(shí)增加了通訊功能，可與煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使其能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)煤礦井下噪聲。

1 噪聲測(cè)量原理

噪聲傳感器的工作原理圖如圖1所示，采用電容傳聲器接收外部聲信號(hào)，將聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)行信號(hào)處理后送入到STM32中進(jìn)行分析運(yùn)算，然后得到噪聲值，并把噪聲值上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 噪聲傳感器工作原理圖

2 傳感器的硬件設(shè)計(jì)

傳感器的硬件原理圖如圖2所示，傳聲器的聲壓信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大后，送入噪聲頻率計(jì)權(quán)選擇電路，選擇其中有效信號(hào)，再送入信號(hào)處理電路，進(jìn)行信號(hào)放大降噪處理，然后送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為處理器可識(shí)別的信號(hào)，最后送入STM32處理器進(jìn)行分析運(yùn)算，最終得出噪聲值。傳感器的硬件電路還包括顯示電路、紅外遙控電路、數(shù)據(jù)通訊電路等。

圖2 傳感器硬件原理框圖

2.1 前置放大器電路

由于傳聲器的聲壓信號(hào)非常微弱，需經(jīng)過前置放大電路[2]，再送入后級(jí)處理電路。前置放大電路先經(jīng)過EMI濾波后，濾除所需頻率以外的信號(hào)，再經(jīng)過三級(jí)積分器進(jìn)行采樣，然后采用斬波穩(wěn)定技術(shù)將信號(hào)和失調(diào)電壓調(diào)制到所需頻段。

2.2 頻率計(jì)權(quán)選擇電路

聲級(jí)計(jì)中的頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A、B、C 3種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。本文選用A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，它是模擬人耳聽覺的一種噪聲信號(hào)處理方式，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)，并經(jīng)過一定的衰減，使信號(hào)能夠滿足A/D轉(zhuǎn)換要求。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路主要用于將處理過的信號(hào)變?yōu)镾TM32可識(shí)別的信號(hào)。傳感器的A/D轉(zhuǎn)換電路主芯片采用MAX197A，它是12位8通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，具有12位的分辨率，精度高，可同時(shí)采樣8路信號(hào)輸入，轉(zhuǎn)換時(shí)間快，采樣速率高。

2.4 數(shù)據(jù)通訊

數(shù)據(jù)通訊是傳感器的主要功能之一，用于上傳傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通訊采用光耦芯片實(shí)現(xiàn)光電隔離，采用隔離電源模塊隔離，使核心處理單元與外部信號(hào)實(shí)現(xiàn)物理上的隔離，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)通訊的抗干擾能力[3]。

在RS485通訊中，通過收發(fā)驅(qū)動(dòng)器與串行總線掛接，實(shí)現(xiàn)與多設(shè)備的連接，如果出現(xiàn)核心單元意外“死機(jī)”，可能會(huì)出現(xiàn)“搶占”串行總線情況，致使整個(gè)串行網(wǎng)絡(luò)“死鎖”。在設(shè)計(jì)通訊電路時(shí)，通過“看門狗”電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)“死機(jī)”的總線解鎖，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。核心單元“死機(jī)”時(shí)，不再提供“喂狗”信號(hào)，“看門狗”電路輸出低電平信號(hào)，使RS485收發(fā)驅(qū)動(dòng)器處于接收狀態(tài)，釋放出總線，避免“死鎖”情況的出現(xiàn)。

圖3 RS485總線防“死鎖”電路原理圖

2.5 顯示電路

采用SD7218A作為顯示電路核心控制芯片，SD7218A是智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收16進(jìn)制碼，主控芯片通過兩線串行接口向SD7218A發(fā)送控制指令自動(dòng)完成讀鍵、譯碼以及顯示等操作。它還具有多種控制指令，通過與主控芯片的通信實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。同時(shí)可通過兩線串行接口級(jí)聯(lián)，最多可級(jí)聯(lián)8片，驅(qū)動(dòng)64位數(shù)碼管。

2.6 紅外遙控電路

紅外遙控接收電路采用HS0038作為IC接收芯片，BL9149為紅外遙控接收譯碼電路芯片，作為紅外接收部分的核心，與選擇的BL9148遙控發(fā)射IC相對(duì)應(yīng)，接收遙控編碼脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置參數(shù)的設(shè)定以及運(yùn)行狀態(tài)的查看等功能。

BL9149是用于紅外遙控接收器的CMOS大規(guī)模集成電路，其中RxIN端為接收信號(hào)輸入端，紅外接收芯片HS0038接收到的遙控信號(hào)經(jīng)過濾波放大后由此端輸入；HP1 ～HP5為連續(xù)信號(hào)輸出端，當(dāng)有遙控按鍵接收時(shí)，對(duì)應(yīng)引腳由低電平變?yōu)楦唠娖剑钡浇邮招盘?hào)結(jié)束為止；振蕩引腳端到地之間通過并聯(lián)電阻和電容來產(chǎn)生振蕩，激勵(lì)芯片開始工作。

3 傳感器的軟件設(shè)計(jì)

STM32可移植μCOS-Ⅲ嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，C語言簡(jiǎn)潔緊湊、靈活方便、語法限制低，而且適用范圍大、適用于多種操作系統(tǒng)，C語言是以函數(shù)形式提供給用戶的，這些函數(shù)可方便地調(diào)用，并具有多種循環(huán)、條件語句控制程序流向，從而使程序完全結(jié)構(gòu)化，并且采用C語言編寫的程序能夠很容易地在不同類型的處理器之間進(jìn)行移植。

3.1 總體軟件流程圖

傳感器的總體軟件流程圖如圖4所示，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，首先讀取傳感器工作所需的系統(tǒng)參數(shù)，然后開始采樣并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在采樣過程中，始終檢測(cè)是否有地面監(jiān)控中心下發(fā)的命令，若有則先執(zhí)行中斷服務(wù)程序；若沒有則檢測(cè)是否有按鍵遙控修改設(shè)備參數(shù)命令。檢測(cè)完成后，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后計(jì)算噪聲值并顯示。

圖4 傳感器軟件流程圖

3.2 中斷服務(wù)程序

分站的中斷服務(wù)程序主要用于傳感器與地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸，其流程圖如圖5所示，進(jìn)入中斷后，先接收地面監(jiān)控中心下發(fā)的通信命令并解析，然后將傳感器檢測(cè)到的噪聲值發(fā)送給地面監(jiān)控中心。

圖5 中斷服務(wù)程序流程圖

3.3 按鍵服務(wù)程序

按鍵服務(wù)程序主要用于分站系統(tǒng)參數(shù)修改，其流程圖如圖6所示，參數(shù)修改經(jīng)紅外遙控鍵盤通過編碼電路發(fā)出信號(hào)，再由系統(tǒng)中相應(yīng)的解碼電路對(duì)電路進(jìn)行解碼后送到ARM芯片中進(jìn)行處理，修改完成后將參數(shù)存儲(chǔ)起來并應(yīng)用于程序中。

圖6 按鍵服務(wù)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

為驗(yàn)證傳感器的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試系統(tǒng)，采用1級(jí)聲級(jí)計(jì)與傳感器做對(duì)比，將傳感器和1級(jí)聲級(jí)計(jì)放于距發(fā)聲源相同距離的位置，調(diào)節(jié)發(fā)聲源，改變其發(fā)出的噪聲值，同時(shí)記錄傳感器和1級(jí)聲級(jí)計(jì)的測(cè)量值，然后分析傳感器與1級(jí)聲級(jí)計(jì)的相對(duì)誤差。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，與1級(jí)聲級(jí)計(jì)相比，傳感器的最大測(cè)量誤差為2.03%，精度較高。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于STM32的煤礦用噪聲聲級(jí)傳感器，介紹了傳感器的測(cè)量原理，傳聲器接收的噪聲信號(hào)經(jīng)前置放大、頻率計(jì)權(quán)、信號(hào)處理后，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路送入STM32中進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采用RS485方式實(shí)現(xiàn)傳感器與監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)通信。通過與1級(jí)聲級(jí)計(jì)的對(duì)比，傳感器的最大測(cè)量誤差為2.03%，測(cè)量精度較高，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下噪聲的精確測(cè)量。同時(shí)可以將噪聲值上傳至地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下噪聲的在線監(jiān)控。

表1 傳感器精度實(shí)驗(yàn)表