摘 要： 采煤機在現代煤礦工業中起著至關重要的作用，為提高其安全生產效率，提出了一種基于STM32F103VCT6微處理器和CC1100無線收發芯片的采煤機無線遙控系統。系統采用433 MHz頻段的RF信號實現了發送單元與接收單元間的無線通信，設計了硬件電路，給出了軟件流程。實驗結果表明，該無線遙控系統具有通信效果良好、功耗低、性能穩定等特點。
關鍵詞： 采煤機；無線遙控；STM32F103VCT6；CC1100
0 引言
采煤機是實現煤礦生產機械化和現代化的重要設備之一。機械化采煤可以減輕體力勞動、提高安全性，達到高產量、高效率、低消耗的目的。由于采煤機的實際開采空間狹窄，工作環境惡劣，司機手工作業時存在著巨大的安全隱患。傳統的采煤機控制多采用機組電纜線控制，操作十分不便，因此，設計一種高效靈活的采煤機遠程無線遙控裝置顯得尤為重要[1]。
1 采煤機無線遙控系統工作原理及系統構成
1.1 工作原理
采煤機遙控系統的典型應用如圖1所示。其兩端各有一個滾筒，前滾筒在上割頂煤，后滾筒在下割底煤。兩滾筒一般相背旋轉，司機左側滾筒用左螺旋，司機右側滾筒用右螺旋。也可相向旋轉，司機左側滾筒用右螺旋，司機右側滾筒用左螺旋。一般采用雙向采煤，先進刀后移機頭的斜切進刀方式；也可采用進刀同時移機頭的正切進刀方式[2]。
針對以上應用，整套系統共有4臺發送單元，2臺接收單元。使用時，2臺手持發送單元在礦上充電，其余2臺手持發送單元和2臺接收單元帶到礦下配對使用。為實現收發單元的通用，發送單元和接收單元均可以設置方向（左/右）。設置后，左發送單元控制左接收單元；右發送單元控制右接收單元。
1.2 系統構成
系統分為手持發送單元和接收單元，兩個單元均以STM32F103VCT6為控制核心，輔以按鍵采集模塊、LED指示模塊、基于CC1100的無線收發模塊等輔助電路。配對使用的手持發送單元與接收單元需設置好相同的方向（即設備ID）和信道，手持發送單元采集按鍵信息，發送給接收單元，由接收單元轉為CAN或RS485通信方式控制采煤機上的PLC控制箱[3-4]。為方便調試及使用，接收單元上設計與手持發送單元同樣的按鍵輸入，可以直接對采煤機進行控制。系統整體結構如圖2所示。
2 硬件設計
采煤機無線遙控系統使用STM32F103VCT6作為主控芯片，該芯片具備高性能的ARM CortexM3 32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置128 KB Flash和 20 KB SRAM的高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，2個I2C接口和SPI接口、3個UART接口、1個USB接口和1個CAN接口。其良好的性能完全滿足系統的應用要求。以下介紹以STM32F103VCT6為核心的外圍電路設計。
2.1 按鍵采集模塊
按鍵采集模塊主要完成兩部分功能：一是設置手持發送單元和接收單元的方向與信道，為了防止操作人員的誤按，必須長按使能鍵才能對方向和信道進行設置；二是采集采集機當前需要的控制指令，如主停、左行、右行、截升、截降、加速、減速等功能。系統設置15路按鍵輸入，3路作為設置鍵，其余12路作為功能鍵，為提高系統的通用性，除完成采煤機現有控制功能外，預留5路按鍵做備用。按鍵采集面板如圖3所示。
2.2 LED指示模塊
如圖3所示，LED指示模塊由11個LED指示燈組成，分別指示電源、方向（左/右）、通信、信道的當前狀態。其中，電源指示燈由硬件點燈，電源正常為綠色，欠壓為紅色；左、右指示燈指示設備當前控制采煤機左側或右側滾輪，也表示設備的ID；通信燈指示設備的無線通信狀態；信道燈指示設備當前配置的433 MHz頻段的信道。
2.3 無線通信模塊
無線通信模塊采用CHIPCON公司的CC1100作為核心芯片。該芯片是0.35 m CMOS工藝生產的全集成收發芯片，功耗超低。它可工作在工業、科學和醫療（ISM）、SRD（Short rang device）頻段，設計標準頻段為315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz，同時它能夠很好地通過簡單的串行接口程序控制工作于300 MHz~1 000 MHz[5]。
芯片集成了一個高度可配置的調制解調器，這個調制解調器支持不同的調制格式，其數據傳輸率可達500 kb/s。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，使性能得到提升。CC1100為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬件支持。其主要操作參數和64位傳輸/接收FIFO（先進先出堆棧）可通過SPI接口控制[6-7]。針對以上優點，設計采用CC1100的433 MHz頻段通信，用戶可以通過按鍵配置芯片工作在6個信道之一，以達到多臺設備同時使用互不干擾的目的。無線收發模塊的電路如圖4所示。
2.4 供電模塊
手持發送單元與接收單元的供電模塊不同，前者采用DC3.3 V充電鋰電池供電，后者采用采煤機上的DC24 V供電。供電電路如圖5~圖7所示。手持發送單元配以充電管理電路，采用紅綠兩個指示燈，充電狀態亮紅燈，充滿后亮綠燈。
2.5 智能輸出接口模塊
無線通信模塊包括接收單元的CAN通信模塊和RS485通信模塊。STM32F103VCT6有內置的CAN控制器，因此只連接一個CAN收發器PCA82C250即可組成CAN通信電路。RS485通信模塊采用MAX485作為電平轉換芯片，與CPU的UART引腳相連作為RS485輸出接口。為了提高信號的傳輸質量并保護核心電路，兩部分電路都采用了光耦6N137做抗干擾和保護設計。CAN和RS485的接口電路如圖8和圖9所示。
3 軟件設計
在軟件設計上采用時間片輪轉法，極大地減小了CPU的等待時間，提高了CPU的利用率。
設計中TIMER中斷時間規定為1 ms；UART0傳輸率規定為9 600 b/s，作為接收單元的RS485輸出口；CAN傳輸率規定為100 kb/s，作為接收單元的智能輸出接口；CC1100芯片與CPU通過SPI收發命令，通信速率為9 600 b/s。
3.1 軟件通信協議
系統在433 MHz頻段上做無線通信，為了避免無線信號包的干擾，除了設置信道外，還制定了通信協議，協議解析正確的包才能被有效處理。本系統的設備間無線通信協議如表1所示。協議定義了起始字符、包長度、設備ID、命令狀態和校驗和。
RS485和CAN智能接口的通信協議的數據區發送內容除了修改源設備ID和目的設備ID外，其余部分與該協議一致。
3.2 發送單元軟件設計
手持發送單元軟件設計上包括設置模塊、讀取和保存配置模塊、功能采集模塊、LED顯示模塊以及無線發送模塊5部分，在這5個子模塊的基礎上，建立定時時間句柄，每100 ms執行一次該定時任務。具體的流程如圖10所示。
3.3 接收單元軟件設計
接收單元包括設置模塊、讀取和保存配置模塊、功能采集模塊、LED顯示模塊、無線接收模塊、RS485發送模塊以及CAN發送模塊7個部分。與發送單元一樣，建立輪循任務，但是接收單元要建立兩個輪循任務，一個專門處理SPI接口收到的數據包，每2 ms執行一次；另一個處理配置和按鍵采集等任務，每100 ms執行一次。接收單元具體流程如圖11所示。
4 系統性能測試
為了使設備滿足礦下的遠距離可靠運行，必須進行無線通信距離的測試。遠距離室外測試可以通過通信燈判斷丟包率。手持遙控單元每按一次按鍵，該按鍵值的數據包成功發送后，通信燈會閃一下；接收單元每收到一個解析正確的包，通信燈會閃一下，表示收包正確?？梢酝ㄟ^計算手持發送設備和接收設備通信燈的亮滅次數計算丟包率。不同距離下丟包率的測試結果如表2所示。
測試結果表明，該系統可以滿足室外空曠環境120 m內5%以內的丟包率，通信效果良好，完全可以滿足礦下采煤機應用。
5 結論
采用嵌入式微處理器STM32F103VCT6和433 MHz無線收發芯片CC1100的采煤機無線遙控系統，具有成本低、結構簡單、功耗低、通信距離遠及性能穩定等特點，可保證采煤機安全可靠運行，具有很大的應用空間。
參考文獻
[1] 謝錫純，李曉豁.礦山機械與設備[M].北京：中國礦業大學出版社，2000.
[2] 胡愛國，李威，許少毅．基于S3C2440與nRF905的采煤機無線遙控系統設計[J]．礦山機械，2011（2）：28-29.
[3] 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（2）：30-33.
[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（8）：107-110.
[5] 潘旭兵，林中．基于CC1100的無線手持終端的設計[J]．電子技術應用，2007，33（10）：29-33.
[6] 楊承恩，林永生，杜佳璐．RF無線射頻電路設計中的常見問題及設計原則[J]．國外電子元器件，2006（4）：69-70，74.
[7] Yang Guangxiang， Liang Hua， Wu Chao， et al. Construction hoist security application for tall building construction in wireless networks[J]. Automation in Construction， 2012，27：147-154.