矿用多功能智能终端的设计分析

柴中华

（霍州煤电集团庞庞塔煤矿， 山西 吕梁 033000）

引言

煤矿智能化的发展体现在煤矿井下作业环境。这种智能控制主要是依赖监控系统和监测装置加以实现，各种各样的传感设备和多个采集分站和主站在煤矿井下必不可少。举例来说，有必要把矿井压力监测设备应用到综采工作面上去，并且每一个或两个压力传感器就要对应一个监测子站，这样才能对压力数据进行实时采集和及时上传。传感器和喷雾电磁阀在智能喷雾除尘系统中进行工作时也需要靠控制器来进行控制处理，每隔几组就需要安装一个，主要用来监控采煤机的位置并对喷雾电磁阀的动作加以控制；三机电源监控系统的安装也较为繁琐，需要将监测分站固定在各自的区域，这样才能对数据进行采集、分析上传和处理；安全监测系统主要依赖安装变电站来实时掌握环境参数的变化；除了包含巷道压力监测，还有粉尘浓度监测和其他系统共同协作，并且都要求布置分站，从而使更多的采集终端设备，多样化的通讯方式以及全面的采矿工作面得以维护。于是一些问题也暴露出来，具体体现在需维护设备的数量大，投资成本大，设备不可通用造成利用率低等等。针对以上问题设计出了一种矿用多功能智能终端，具有丰富的模拟输入输出方式，以及光纤、无线等多种通信方法，同时还包含了多个接口高度清晰的液晶显示屏，可以实现多重操作，采矿报警以及储存电量等多种优异的功能[1]。

1 矿用多功能智能终端的设计原理（见图1）

智能终端的模块组成较为复杂，MCU 处理是最核心的组成部分，其他通信模块、输入输出模块以及显示模块等共同参与构成了多功能的智能设备终端。

图1 智能终端设计原理框图

1）MCU 核心处理模块首先需要搭配高级的STM32F 系列处理器，具体功能有：输入输出模拟量及其他数据量，收集并对多个接口的数据进行处理，高清LCD 屏幕的多接口显示，并且可以实现多种按钮执行相应的操作，另外如果想与其他分站和主站取得联系，也通过多种通讯方式来实现。

2）两级无线通信模块主要是为了实现二级网络通信而设定的。一级网络可以在无线自组织网络和长距离模式下实现各个多功能终端之间以及终端与主站之间的信号连接。二级网络的特异功能在于通过低耗和近距离的方式来实现终端与传感器之间的交流[2-3]。

3）模拟、数字量和额外的输入输出量的模块都是经过开关单元连接其他开关设备，然后对数据进行采集，并可以通过开关单元输出开关值来转换其他开关设备的状态。同样的原理，模拟量单元也能输入输出模拟量传感器的数据，并且能改变模拟量设备的工作状态。

4）通讯模块包含多种模式，主要依赖于对应的通讯单元来进行工作：RS232 通讯、以太网通讯以及光纤通讯等等多种通信方式都能实现。

5）LCD 显示模块，为了达到高级显示效果，引用了50 种线型高清LCD 屏幕，矿用多功能智能终端的数据和状态可以以数据和图形等多种方式呈现，另外只需要掌握五个按钮，就可以达成画面的切换及显示，对终端系统进行设置等丰富的功能。

6）智能电源模块用于电源之间的电压控制以及电量储存等，可实现分区电源电压的转换等。

2 硬件及功能设计

2.1 MCU 模块的选择和设计

终端的设计除了要考虑输入和输出功能以外，还需要带有通信、显示功能损耗和数据处理的能力。因此在零件选择上要更加慎重，通过层层筛选最终确定选用成本低廉、损耗率小但是功能优异的STM32F 互连微控制器，选用的STM32F 控制器的处理频率为72 MHz。存储器由两部分组成，分别是256 kB 闪存和64 kB 嵌入，定时器有十个，模数转换器两个，12C 接口、US-ART 通信接口和 SPI 通信端口的数量分别为两个、两个和五个，外设的DMA 通道有十二条，计算单元有一个和96 位唯一标识码。这个控制器除了以上性能以外，还有低压和节能的特点。它的工作电压要求极低，在2～4 V 之间即可完成工作，与主流电池技术兼容。它还具有用于电池工作模式的特殊引脚。当工作频率为72 MHz 时只消耗电流27 mA。通过对控制器的功能和硬件本身进行二次优化设计和应用需求具体改进，使得控制器充分适应了MCU 内核处理模块的基本性能要求。

2.2 通信模块选择和设计

目前常用的通信方式存在诸多问题，其中比较普遍的有：电缆铺设繁琐，经济投入较大，维护过程复杂，故障排查困难等，终端设计中将无线通信和微功率两者相结合，并根据实际情况设计了一种二级无线通信方法。一级网络选择自组织的远程JZ881无线数据传输模块，可以实现800 m 以内的信号传输。就算在矿井底下也至少能传输200 m 的距离。载波频率在200 MHz 左右，睡眠功耗设置在10 mW 左右，接收、发射和睡眠时的电流参数极限分别为35 mA、40 mA、10μA。二级网络对于 JZ886 无线数传模块的主要要求是低功耗，该模块视距可靠传输距离能实现百米左右，就算在煤矿井下工作时也能达到20 m 左右，载频300～900 MHz，不用再去申请频段，睡眠模式下功率为10 mW，接收、发射和睡眠时的电流参数极限分别为10 mA、35 mA、1 μA。上述的两种无线通信模块都具有硬件裸板体积小、方便与MUC 内嵌配套使用、全面屏蔽抗干扰性强、采用FSK 调制方式、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 可选择、收发一体、数据收发转换自动完成、转换时间短、可实现数据透明传输、传输数据帧长、自动过滤掉假数据、稳定性好、故障率低的特点。这两种无线通信模块都经过了多次的优化模拟设计，高度满足多功能智能终端设计的要求。

2.3 液晶显示模块选择和设计

为了实时显示多功能智能终端数据的收集和分析，并实时监控每个设备的状态，终端设计在液晶模块的选择也非常慎重，要达到工业级超稳定的性能，选用了MDOSOSD 液晶模块，它不仅有超大的8 页显示内存（如果未用完内存，则可以用作扩展内存），还有强大的显示面板以及丰富的色彩功能盘，另外8080 定时16 位并行总线接口，与终端MCU 实现完美匹配，模块使用CPLD+SDRAM。该方法驱动的显示屏可以同时实现总线接口和RGB 接口之间的转换，显示界面和程序功能的更新可以仅仅靠U 盘就能直接实现。MDOSOSD 读取和写入周期为200 ns，极限全屏刷新速度为13 帧，8 页的显示缓存与集成的8 MB SDRAM 相匹配。在设计时独立设置显示页面和读写页面的寄存器。这样设计的优点可以使得两者处于不同页面上，后台在切换时几乎毫不费力。同时在设计中也对TFT 驱动和电路加以完善优化，以实现色彩显示功能的需要，LED 背光驱动，亮度可以随意切换控制，并且还可以防止屏幕闪烁或颜色变化。终端上配置的按钮可用于切换显示界面并执行相应的系统命令。液晶显示模块的设计也是结合实际考虑，完全能满足煤矿井下的显示功能要求。

2.4 智能电源模块选择和设计

智能电源管理模块是针对性地解决电源问题而进行设计的，必须要实现电源切换、电压的电池转换等功能。智能终端电路板在煤矿中比较常见的是DC 12 V 的电压电瓶，但是它的最小电压为DC 3.3 V。因此对于降压电路的设计应使得电压控制在这两者数值之间。在设计时除了要考虑基本参数以外，还需要模拟地下特殊区域的环境来对终端设备进行持续工作设计。该智能设备使用了充电方便、耐用性久的锉电池，如果终端的外部电源发生故障，该电池可在内部实现自动切换，并且立刻启动相应的低功率电源模式，比如低能耗模式下就会将LCD 屏幕亮度调暗或直接关闭，并将没有处于工作状态的部分直接休眠。智能电源管理模块对于电池电量的把控也非常细致，一旦电量不足便会立刻自动连接电源进行充电。

3 多功能智能终端的软件设计

除了上述考虑以外，这个矿用多功能智能终端系统还需要实现稳定合理地功能。终端第一次上电时，是处于初始化状态。初始化之后就开始判断电源模式，然后进入工作模式并执行开关值。首先进行数据收发、关键数据收集、其他外围数据收发，然后进行辅助无线数据收发、RS232 收发、以太网收发以及光纤数据收发等等。第一级无线网络数据传输通过高清LCD 屏幕显示和接收，USB 数据发送和接收，相关的数据并进行呈现与处理分析。如果供电方式选择从内部介入，那么终端系统就会同步启动低功耗模式，在该模式下电量消耗低，可以保证电池长时间使用。矿井中各个子系统各部位的功能要求均有差别，因此将会在硬件和软件设计过程中进行周密的设计考虑，争取可以实现运行期间所有功能的状态设计。图2 展示了软件设计的流程框架。

4 结语

该项矿用多功能智能终端不仅实现了煤矿安全标准的多项认证，并将液压支架部分在实际煤矿工作中进行了试用，分别设置在质量监控系统的主站和各个分站，轻松实现了压力传感器的数据采集。通过终端LCD 屏幕的多个界面可以实时显示液压支架的支护状态，通过主站智能设备可以获取所有子站的监测数据，然后将这些数据清晰地传递到地面上的显示设备上来。这项多功能智能设备设置在分站和主站的已在多家煤矿中进行试验应用。长期关注发现实际使用效果非常好，具有极大地推广应用价值。

图2 多功能终端软件流程图