基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端設(shè)計

郭昊騰，吳偉麗，毛 浩，趙紅菊

（1.西安科技大學(xué) 電控學(xué)院，陜西 西安710000；2.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 榆林719000；3.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；4.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 撫順113122）

智能化巡檢是未來智慧礦山的基礎(chǔ)支撐和保障設(shè)備[1]，其作為煤礦安全管理的重要手段，可以將危險提前“扼殺在搖籃里”，有效排除安全隱患，保證工人的人身安全和生產(chǎn)設(shè)備安全運(yùn)營。張士海[2]提出一種礦用機(jī)器人，實時采集帶式輸送機(jī)沿線各項監(jiān)控數(shù)據(jù), 并通過信號轉(zhuǎn)換器搭建的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)讲倏亟缑?；劉健康[3]設(shè)計了針對瓦斯檢測的智能巡檢儀，其主機(jī)硬件電路以單片機(jī)為核心，對傳感器輸出信號，進(jìn)行處理，控制和輸出；王敏[4]采用ATMEGA32L 單片機(jī)為處理核心，通過時鐘電路、鍵盤電路以及讀卡電路等，對礦用智能巡檢儀進(jìn)行硬件設(shè)計，實現(xiàn)人員識別和地址識別。另外郭濤[5]在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢中也指出現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備智能化程度低、缺乏可靠的感知交互手段，無法實時獲取周邊環(huán)境安全信息, 不能達(dá)到安全主動保障的目的。上述研究表明，出于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備成本、安裝難易程度等多種因素，作為巡檢儀重要組成的核心控制單元，其大多的只是實現(xiàn)對外部傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸，功能單一且智能化、信息化程度較低。對此，設(shè)計開發(fā)一款礦用巡檢儀智能終端，以集成電子技術(shù)、無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對礦用巡檢儀外設(shè)傳感器的狀態(tài)控制、巡檢儀本體穩(wěn)定性及供電電壓的監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)采集及各個部件之間的交互通信，達(dá)到巡檢儀的自身管理以及巡檢環(huán)境各參數(shù)的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)原理

礦用巡檢儀智能終端由主控模塊和電源模塊組成。主控模塊以ST 公司生產(chǎn)的32 位微處理芯片STM32F103 作為控制核心[6-8]，通過wifi 無線通訊模塊接收上位機(jī)巡檢指令，對巡檢儀電源電壓進(jìn)行采集，經(jīng)過信號調(diào)理及ADC 轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)電量監(jiān)測；電量正常時，控制外部可以搭載的超聲波風(fēng)速儀、斷面檢測儀、攝像儀等各種礦用傳感器工作狀態(tài)，開啟數(shù)據(jù)檢測和掃描；采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果一方面進(jìn)行本地傳輸與存儲，同時還將無線傳輸給上位機(jī)，進(jìn)行客戶端的數(shù)據(jù)分析；為減少巡檢儀本體晃動帶來的視覺信號失焦或運(yùn)動模糊，利用陀螺儀設(shè)計了本體穩(wěn)定性監(jiān)測功能；此外在巡檢儀充電時，還可以對充電過程中的電壓、電流及充電時間進(jìn)行監(jiān)視。電源模塊設(shè)計了多路DC-DC 隔離電源，負(fù)責(zé)提供各個傳感器所需高效率、低噪聲的電壓。

基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端架構(gòu)框圖如圖1。

圖1 基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端架構(gòu)框圖Fig.1 Frame diagram of intelligent terminal of mine inspection instrument based on STM32

2 關(guān)鍵技術(shù)

基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端原理圖如圖2。

2.1 本安型傳感器供電

根據(jù)現(xiàn)有礦用傳感器的電源需求，智能終端可提供多路本安型隔離電源輸出。圖2 中T8、T9及T10電路可以將24 V 工作電源轉(zhuǎn)化成輸出為5、12、18 V 本安型隔離電源。為了提高電源的轉(zhuǎn)換效率，降低熱損耗，采用了一款適用于電池供電系統(tǒng)，低功耗、高低溫特性好、寬輸入電壓范圍的DC-DC 電源芯片URB24 系列。

由于各路電源設(shè)計相同，以5 V 輸出電源電路為例，其原理如圖2 中的T10。通過該電路，實現(xiàn)24 V 電壓輸入轉(zhuǎn)化為5 V 電壓輸出。電路中在輸入端并聯(lián)壓敏電阻R9，當(dāng)輸入過壓時，壓敏電阻就會立即導(dǎo)通，吸收多余的電壓、電流，進(jìn)行電壓鉗位，保護(hù)后面的電路。同時在電路輸入端串聯(lián)二極管D1，一是隔離作用，減小后級電源對前級的影響；二是保護(hù)電源芯片U10，防止在電源關(guān)斷瞬間，產(chǎn)生的電流倒灌和反壓疊加。同樣的，在電源輸出端串聯(lián)二極管D5，以進(jìn)行類似保護(hù)功能設(shè)計。相應(yīng)地，輸入、輸出濾波電容均采用MLCC 電容，用來降低紋波干擾。為增加電路的可視性，設(shè)計了發(fā)光二極管H1，用于顯示電源是否輸出。電路中電源輸出端串聯(lián)N 溝道MOS 開關(guān)管Q1和采樣電阻R17，用于實現(xiàn)后續(xù)電源過流保護(hù)功能。

圖2 基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端原理圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent terminal of mine inspection instrument based on STM32

供電電源采用雙重過流保護(hù)，一是URB24 系列自身具有的過流保護(hù)功能；二是采用分立元件開關(guān)管、比較器、放大器及電阻電容等器件構(gòu)成[9]的過流保護(hù)設(shè)計[10]，開關(guān)管Q1通過S 管腳和D 管腳串接于電源和負(fù)載之間，利用MOS 管的開關(guān)特性，控制電路的導(dǎo)通和斷開，基本原理是一旦采樣電阻采集的輸出電流超過設(shè)計值則使開關(guān)管Q1關(guān)斷，從而將輸入與輸出的電源電路切斷，實現(xiàn)輸出過流保護(hù)。采樣電阻R17上的電壓信號經(jīng)過差分放大電路（采用差分方式，可以消除共模干擾）輸出后與放大器U8B的輸出基準(zhǔn)電壓Uref進(jìn)行比較，負(fù)載正常時，放大后的采樣電壓小于基準(zhǔn)電壓，U12B的輸出電平為0 V，進(jìn)而控制MOS 管導(dǎo)通，電源電路正常輸出；負(fù)載異常時，采樣電阻上的電流會變大，當(dāng)采樣電流大于設(shè)定的閥值（輸出電流1 A）時，放大后的采樣電壓大于基準(zhǔn)電壓，U12B輸出為5 V，進(jìn)而控制MOS 管斷，電源電路保護(hù)無輸出。運(yùn)算放大器U8B、穩(wěn)壓管U4及電阻R7、R14、R15及R18構(gòu)成電壓基準(zhǔn)電路，其U8B的輸出作為后級比較器的基準(zhǔn)電壓Uref；運(yùn)算放大器U8A和電阻R12、R13、R16及R19構(gòu)成組成放大電路；比較器U12B和電阻R21、R22及R23組成比較電路。其中差分放大電路分析如下：

利用運(yùn)算放大器基本原理，可知：

式中：Ui1、Ui2為采樣電阻R2兩端的采樣電位；UO為電壓放大輸出。

由于V+=V_，令R12=R16，R10=R17，整理式（1）和式（2）得出：

根據(jù)此得知，采樣電壓Ui1和Ui2的差值經(jīng)過放大電路后，其放大倍數(shù)取決于R10和R12的比值。由于電源輸出的采樣電壓為mV 級，因此設(shè)計放大倍數(shù)50 倍，取值電阻R10為50 kΩ，R12為1 kΩ。

2.2 接口隔離保護(hù)

礦用巡檢儀智能終端所有外部接口均采用隔離保護(hù)設(shè)計，以消除工業(yè)現(xiàn)場噪聲和高低頻脈沖信號對單片機(jī)系統(tǒng)的干擾，保證信號輸出準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠。對智能終端進(jìn)行的隔離保護(hù)設(shè)計有2 個方面：

1）由于模擬及數(shù)字通用控制IO 口具有信號單向傳輸性，所以采用光耦隔離。光耦隔離是以光信號為媒介來實現(xiàn)電信號的耦合與傳遞，從而起到輸入、輸出在電氣上完全隔離。如圖2 中T5、T6，本設(shè)計采用光耦芯片PC817 實現(xiàn)外部傳感器電源供電的控制，通過在輸入端加3.3 V 單片機(jī)電平控制信號，使得發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)出光線，照射在受光器上后使三極管導(dǎo)通，輸出端輸出傳感器供電電源（5、12、18 V），完成了“電-光-電”轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)輸入、輸出的電氣隔離。為降低單片機(jī)功耗，單片機(jī)I/O 控制口經(jīng)過由三極管Q5～Q7組成的驅(qū)動電路，再接入光電耦合器的輸入端。

2）具有雙向數(shù)據(jù)傳輸信號的RS232 和RS485總線通訊采用磁耦隔離[11]。磁耦隔離是一種基于芯片尺寸的變壓器，利用平面磁場專利隔離技術(shù)和ICOUPLER 變壓器專利技術(shù)，集成變壓器驅(qū)動和接收電路，同時不再需要驅(qū)動LED 的外部電路，具有低功耗、高集成度等特點(diǎn)。如圖2 中T2、T3，電路中采用ADI 公司的ADuM 系列隔離芯片ADuM1201、ADuM1401 來實現(xiàn)控制器和RS232、RS485 收發(fā)器之間的電氣隔離，絕緣電壓最高到560 V 以達(dá)到更好的抗干擾性能。該芯片具有數(shù)字接口簡單、集成隔離型DC/DC 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)傳輸速率高、性能穩(wěn)定以及提高電路的抗干擾性能等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 電池電壓監(jiān)測

智能終端設(shè)計有對礦用巡檢儀電池電壓監(jiān)測[12]的功能，選用線性光耦HCNR200 來完成接口隔離及采樣電壓的電平轉(zhuǎn)換。HCNR200 是一種用于模擬信號隔離的高精度線性光耦器件，如圖2 中T11。在電路中，電壓信號為同向輸出。運(yùn)算放大器U1B構(gòu)成負(fù)反饋放大電路，其中電阻R3調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器輸入偏置電流的大小，電容C3在起反饋?zhàn)饔玫耐瑫r，還可消除電路中存在的高頻干擾，電阻R1用于控制輸入端二極管的發(fā)光強(qiáng)度；運(yùn)算放大器U3A則構(gòu)成電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，其隔離采樣電路分析如下：

式中：IPD1、IPD2為輸入、輸出隔離光敏二極管電流；Uin為輸入電壓；Uout為輸出電壓；K3為傳輸增益。

整理式（4）和式（5）得出：

由于K3典型值為1，是定值，因而Uin和Uout之間的關(guān)系為線性，其增益調(diào)整可以通過電阻R6和R3的值來實現(xiàn)。根據(jù)電池供電電壓為24 V，單片機(jī)STM32F103 電壓采集范圍在0～3.3 V 之間，設(shè)計電池采樣電壓縮小倍數(shù)為0.137 5，取值電阻R6為220 Ω，R3為1.6 kΩ。為滿足電路的阻抗匹配要求，在采樣電壓進(jìn)入單片機(jī)之前，增加了由U3B構(gòu)成的電壓跟隨器。

2.4 通訊方式

智能終端負(fù)責(zé)完成多種通訊數(shù)據(jù)傳輸，通訊接口布局如圖2 的T2、T3及T14，采用WiFi 無線傳輸[13]方式，用于從上位機(jī)接收巡檢計劃，設(shè)置巡檢流程，巡檢完成后傳輸采集數(shù)據(jù)到上位機(jī)。電路中，選用基于UART 接口的ESP8266 模塊，該模塊能夠?qū)鹘y(tǒng)的串口設(shè)備接入無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與無線網(wǎng)絡(luò)間的信息交換。其TXD 和RXD 腳分別接單片機(jī)的PC8 口和PC9 口，PC8 作為數(shù)據(jù)發(fā)送口，PC9 作為數(shù)據(jù)接收口。為了電源的穩(wěn)定性，模塊使用AMS1117 制作3.3 V 電源單獨(dú)供電。

采用RS232 串行通訊方式，實現(xiàn)對巡檢儀無線充電的監(jiān)控，其監(jiān)控參數(shù)包括充電過程中的電壓、電流、溫度等。選用MAX3232 雙路RS-232 收發(fā)器，將單片機(jī)邏輯信號的電平轉(zhuǎn)成RS232 的電平。雖然芯片內(nèi)部設(shè)置了靜電保護(hù)電路，但是當(dāng)應(yīng)用于環(huán)境比較惡劣的場合時，可能造成通信不穩(wěn)定的情況。因此，在TOUT/RIN 線端外加瞬態(tài)抑制二極管D4和D6、線纜采用屏蔽雙絞線以及PCB 布局同一網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)接大地等，有效保護(hù)RS232 通訊端口。

采用RS485 總線，實現(xiàn)傳感器控制命令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的接收處理。RS485 的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式傳輸，由于單片機(jī)的UART 接口電平采用的是TTL 電平，因此使用MAX13487 作為收發(fā)模塊，將邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS485 協(xié)議的差分電平。MAX13487 是用于RS485 通信的低功耗收發(fā)器，包含1 路驅(qū)動器和1 路接收器。該收發(fā)器具備自動收發(fā)控制功能，省去了程序通過1 個IO 控制收發(fā)器狀態(tài)的工作。同時該器件具有熱插拔功能，可以消除上電或熱插入時總線上的故障瞬變信號。為了防止浪涌、過壓等有害信號，在電路中添加了TVS 管D9和D11、自恢復(fù)保險絲SW 端口保護(hù)措施。

2.5 軟件架構(gòu)

礦用巡檢儀智能終端除了對外部電氣設(shè)備的硬件控制外，其更重要的功能是實現(xiàn)各路傳感器的交互工作、井下環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸、巡檢時間規(guī)劃等。采用模塊化設(shè)計思想，通過分析軟件功能、總體架構(gòu)設(shè)計及模塊詳細(xì)設(shè)計，實現(xiàn)智能終端軟硬件協(xié)同工作。軟件設(shè)計采用環(huán)境為Keil-μVision4，軟件流程圖如圖3。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

3 結(jié) 語

依托于張家峁煤礦回風(fēng)巷道人工巡檢存在的問題，基于現(xiàn)有巡檢裝置缺少智能化管理單元，設(shè)計了礦用巡檢儀智能終端。通過對智能終端軟、硬件的研制與開發(fā)，實現(xiàn)了對礦用巡檢儀的智能化管理，已經(jīng)使用于張家峁煤礦，代替人工巡檢，解決人員勞動強(qiáng)度大，巷道檢測信息不能及時傳達(dá)等問題。智能終端集成度高、實時更強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理更高效，尤為適合于井下離線巡檢。