礦用多功能智能終端的設(shè)計分析

柴中華

（霍州煤電集團龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033000）

引言

煤礦智能化的發(fā)展體現(xiàn)在煤礦井下作業(yè)環(huán)境。這種智能控制主要是依賴監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)測裝置加以實現(xiàn)，各種各樣的傳感設(shè)備和多個采集分站和主站在煤礦井下必不可少。舉例來說，有必要把礦井壓力監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用到綜采工作面上去，并且每一個或兩個壓力傳感器就要對應(yīng)一個監(jiān)測子站，這樣才能對壓力數(shù)據(jù)進行實時采集和及時上傳。傳感器和噴霧電磁閥在智能噴霧除塵系統(tǒng)中進行工作時也需要靠控制器來進行控制處理，每隔幾組就需要安裝一個，主要用來監(jiān)控采煤機的位置并對噴霧電磁閥的動作加以控制；三機電源監(jiān)控系統(tǒng)的安裝也較為繁瑣，需要將監(jiān)測分站固定在各自的區(qū)域，這樣才能對數(shù)據(jù)進行采集、分析上傳和處理；安全監(jiān)測系統(tǒng)主要依賴安裝變電站來實時掌握環(huán)境參數(shù)的變化；除了包含巷道壓力監(jiān)測，還有粉塵濃度監(jiān)測和其他系統(tǒng)共同協(xié)作，并且都要求布置分站，從而使更多的采集終端設(shè)備，多樣化的通訊方式以及全面的采礦工作面得以維護。于是一些問題也暴露出來，具體體現(xiàn)在需維護設(shè)備的數(shù)量大，投資成本大，設(shè)備不可通用造成利用率低等等。針對以上問題設(shè)計出了一種礦用多功能智能終端，具有豐富的模擬輸入輸出方式，以及光纖、無線等多種通信方法，同時還包含了多個接口高度清晰的液晶顯示屏，可以實現(xiàn)多重操作，采礦報警以及儲存電量等多種優(yōu)異的功能[1]。

1 礦用多功能智能終端的設(shè)計原理（見圖1）

智能終端的模塊組成較為復(fù)雜，MCU 處理是最核心的組成部分，其他通信模塊、輸入輸出模塊以及顯示模塊等共同參與構(gòu)成了多功能的智能設(shè)備終端。

圖1 智能終端設(shè)計原理框圖

1）MCU 核心處理模塊首先需要搭配高級的STM32F 系列處理器，具體功能有：輸入輸出模擬量及其他數(shù)據(jù)量，收集并對多個接口的數(shù)據(jù)進行處理，高清LCD 屏幕的多接口顯示，并且可以實現(xiàn)多種按鈕執(zhí)行相應(yīng)的操作，另外如果想與其他分站和主站取得聯(lián)系，也通過多種通訊方式來實現(xiàn)。

2）兩級無線通信模塊主要是為了實現(xiàn)二級網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)定的。一級網(wǎng)絡(luò)可以在無線自組織網(wǎng)絡(luò)和長距離模式下實現(xiàn)各個多功能終端之間以及終端與主站之間的信號連接。二級網(wǎng)絡(luò)的特異功能在于通過低耗和近距離的方式來實現(xiàn)終端與傳感器之間的交流[2-3]。

3）模擬、數(shù)字量和額外的輸入輸出量的模塊都是經(jīng)過開關(guān)單元連接其他開關(guān)設(shè)備，然后對數(shù)據(jù)進行采集，并可以通過開關(guān)單元輸出開關(guān)值來轉(zhuǎn)換其他開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)。同樣的原理，模擬量單元也能輸入輸出模擬量傳感器的數(shù)據(jù)，并且能改變模擬量設(shè)備的工作狀態(tài)。

4）通訊模塊包含多種模式，主要依賴于對應(yīng)的通訊單元來進行工作：RS232 通訊、以太網(wǎng)通訊以及光纖通訊等等多種通信方式都能實現(xiàn)。

5）LCD 顯示模塊，為了達到高級顯示效果，引用了50 種線型高清LCD 屏幕，礦用多功能智能終端的數(shù)據(jù)和狀態(tài)可以以數(shù)據(jù)和圖形等多種方式呈現(xiàn)，另外只需要掌握五個按鈕，就可以達成畫面的切換及顯示，對終端系統(tǒng)進行設(shè)置等豐富的功能。

6）智能電源模塊用于電源之間的電壓控制以及電量儲存等，可實現(xiàn)分區(qū)電源電壓的轉(zhuǎn)換等。

2 硬件及功能設(shè)計

2.1 MCU 模塊的選擇和設(shè)計

終端的設(shè)計除了要考慮輸入和輸出功能以外，還需要帶有通信、顯示功能損耗和數(shù)據(jù)處理的能力。因此在零件選擇上要更加慎重，通過層層篩選最終確定選用成本低廉、損耗率小但是功能優(yōu)異的STM32F 互連微控制器，選用的STM32F 控制器的處理頻率為72 MHz。存儲器由兩部分組成，分別是256 kB 閃存和64 kB 嵌入，定時器有十個，模數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個，12C 接口、US-ART 通信接口和 SPI 通信端口的數(shù)量分別為兩個、兩個和五個，外設(shè)的DMA 通道有十二條，計算單元有一個和96 位唯一標(biāo)識碼。這個控制器除了以上性能以外，還有低壓和節(jié)能的特點。它的工作電壓要求極低，在2～4 V 之間即可完成工作，與主流電池技術(shù)兼容。它還具有用于電池工作模式的特殊引腳。當(dāng)工作頻率為72 MHz 時只消耗電流27 mA。通過對控制器的功能和硬件本身進行二次優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用需求具體改進，使得控制器充分適應(yīng)了MCU 內(nèi)核處理模塊的基本性能要求。

2.2 通信模塊選擇和設(shè)計

目前常用的通信方式存在諸多問題，其中比較普遍的有：電纜鋪設(shè)繁瑣，經(jīng)濟投入較大，維護過程復(fù)雜，故障排查困難等，終端設(shè)計中將無線通信和微功率兩者相結(jié)合，并根據(jù)實際情況設(shè)計了一種二級無線通信方法。一級網(wǎng)絡(luò)選擇自組織的遠程JZ881無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以實現(xiàn)800 m 以內(nèi)的信號傳輸。就算在礦井底下也至少能傳輸200 m 的距離。載波頻率在200 MHz 左右，睡眠功耗設(shè)置在10 mW 左右，接收、發(fā)射和睡眠時的電流參數(shù)極限分別為35 mA、40 mA、10μA。二級網(wǎng)絡(luò)對于 JZ886 無線數(shù)傳模塊的主要要求是低功耗，該模塊視距可靠傳輸距離能實現(xiàn)百米左右，就算在煤礦井下工作時也能達到20 m 左右，載頻300～900 MHz，不用再去申請頻段，睡眠模式下功率為10 mW，接收、發(fā)射和睡眠時的電流參數(shù)極限分別為10 mA、35 mA、1 μA。上述的兩種無線通信模塊都具有硬件裸板體積小、方便與MUC 內(nèi)嵌配套使用、全面屏蔽抗干擾性強、采用FSK 調(diào)制方式、接口速率1 200/2 400/4 800/9 600 bit/s、信道速率1 200/2 400/4 800/9 600 bit/s、接口方式TTL/RS232/485 可選擇、收發(fā)一體、數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換自動完成、轉(zhuǎn)換時間短、可實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸、傳輸數(shù)據(jù)幀長、自動過濾掉假數(shù)據(jù)、穩(wěn)定性好、故障率低的特點。這兩種無線通信模塊都經(jīng)過了多次的優(yōu)化模擬設(shè)計，高度滿足多功能智能終端設(shè)計的要求。

2.3 液晶顯示模塊選擇和設(shè)計

為了實時顯示多功能智能終端數(shù)據(jù)的收集和分析，并實時監(jiān)控每個設(shè)備的狀態(tài)，終端設(shè)計在液晶模塊的選擇也非常慎重，要達到工業(yè)級超穩(wěn)定的性能，選用了MDOSOSD 液晶模塊，它不僅有超大的8 頁顯示內(nèi)存（如果未用完內(nèi)存，則可以用作擴展內(nèi)存），還有強大的顯示面板以及豐富的色彩功能盤，另外8080 定時16 位并行總線接口，與終端MCU 實現(xiàn)完美匹配，模塊使用CPLD+SDRAM。該方法驅(qū)動的顯示屏可以同時實現(xiàn)總線接口和RGB 接口之間的轉(zhuǎn)換，顯示界面和程序功能的更新可以僅僅靠U 盤就能直接實現(xiàn)。MDOSOSD 讀取和寫入周期為200 ns，極限全屏刷新速度為13 幀，8 頁的顯示緩存與集成的8 MB SDRAM 相匹配。在設(shè)計時獨立設(shè)置顯示頁面和讀寫頁面的寄存器。這樣設(shè)計的優(yōu)點可以使得兩者處于不同頁面上，后臺在切換時幾乎毫不費力。同時在設(shè)計中也對TFT 驅(qū)動和電路加以完善優(yōu)化，以實現(xiàn)色彩顯示功能的需要，LED 背光驅(qū)動，亮度可以隨意切換控制，并且還可以防止屏幕閃爍或顏色變化。終端上配置的按鈕可用于切換顯示界面并執(zhí)行相應(yīng)的系統(tǒng)命令。液晶顯示模塊的設(shè)計也是結(jié)合實際考慮，完全能滿足煤礦井下的顯示功能要求。

2.4 智能電源模塊選擇和設(shè)計

智能電源管理模塊是針對性地解決電源問題而進行設(shè)計的，必須要實現(xiàn)電源切換、電壓的電池轉(zhuǎn)換等功能。智能終端電路板在煤礦中比較常見的是DC 12 V 的電壓電瓶，但是它的最小電壓為DC 3.3 V。因此對于降壓電路的設(shè)計應(yīng)使得電壓控制在這兩者數(shù)值之間。在設(shè)計時除了要考慮基本參數(shù)以外，還需要模擬地下特殊區(qū)域的環(huán)境來對終端設(shè)備進行持續(xù)工作設(shè)計。該智能設(shè)備使用了充電方便、耐用性久的銼電池，如果終端的外部電源發(fā)生故障，該電池可在內(nèi)部實現(xiàn)自動切換，并且立刻啟動相應(yīng)的低功率電源模式，比如低能耗模式下就會將LCD 屏幕亮度調(diào)暗或直接關(guān)閉，并將沒有處于工作狀態(tài)的部分直接休眠。智能電源管理模塊對于電池電量的把控也非常細(xì)致，一旦電量不足便會立刻自動連接電源進行充電。

3 多功能智能終端的軟件設(shè)計

除了上述考慮以外，這個礦用多功能智能終端系統(tǒng)還需要實現(xiàn)穩(wěn)定合理地功能。終端第一次上電時，是處于初始化狀態(tài)。初始化之后就開始判斷電源模式，然后進入工作模式并執(zhí)行開關(guān)值。首先進行數(shù)據(jù)收發(fā)、關(guān)鍵數(shù)據(jù)收集、其他外圍數(shù)據(jù)收發(fā)，然后進行輔助無線數(shù)據(jù)收發(fā)、RS232 收發(fā)、以太網(wǎng)收發(fā)以及光纖數(shù)據(jù)收發(fā)等等。第一級無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸通過高清LCD 屏幕顯示和接收，USB 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，相關(guān)的數(shù)據(jù)并進行呈現(xiàn)與處理分析。如果供電方式選擇從內(nèi)部介入，那么終端系統(tǒng)就會同步啟動低功耗模式，在該模式下電量消耗低，可以保證電池長時間使用。礦井中各個子系統(tǒng)各部位的功能要求均有差別，因此將會在硬件和軟件設(shè)計過程中進行周密的設(shè)計考慮，爭取可以實現(xiàn)運行期間所有功能的狀態(tài)設(shè)計。圖2 展示了軟件設(shè)計的流程框架。

4 結(jié)語

該項礦用多功能智能終端不僅實現(xiàn)了煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的多項認(rèn)證，并將液壓支架部分在實際煤礦工作中進行了試用，分別設(shè)置在質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的主站和各個分站，輕松實現(xiàn)了壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集。通過終端LCD 屏幕的多個界面可以實時顯示液壓支架的支護狀態(tài)，通過主站智能設(shè)備可以獲取所有子站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)清晰地傳遞到地面上的顯示設(shè)備上來。這項多功能智能設(shè)備設(shè)置在分站和主站的已在多家煤礦中進行試驗應(yīng)用。長期關(guān)注發(fā)現(xiàn)實際使用效果非常好，具有極大地推廣應(yīng)用價值。

圖2 多功能終端軟件流程圖