矿用本安型遥控接收与发送装置①

陈国凡, 陈观土

(安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

经济的快速发展离不开工程机械设备，井下工程机械设备工作于粉尘、瓦斯、积水等恶劣的坏镜，有线控制方式关系着人身安全及经济效益。现有的无线远程遥控装置存在各种弊端，如遥控装置不符合本安型要求、信号延迟、远程操作人员无法及时了解井下情况等；另外，信号收发器现用的各类无线通信技术存在协议复杂，设备功耗较大等缺点[1]。工业无线网技术广泛应用，得益于近几年无线通信技术突飞猛进的发展态势[2]。基于遥控装置各种弊端，设计一种性能稳定、符合本安型要求，能监控井下情况的遥控装置。相比于传统的工业远程遥控装置，设计的遥控装置可靠性更高，能实时监控井下及机械设备的情况。

1 本安型接收与发射装置硬件电路设计

本安型无线远程遥控装置由一个接收装置与三个手柄发射装置组成。接收装置采用轮询的方式对三个遥控手柄进行实时访问。无线远程遥控装置最远遥控距离可达100m，遥控系统的稳定性好，能够适应各种复杂控制环境。遥控装置严格按照本安型的要求对电路进行设计，电路中没有大电容及大电感，发出的电火花不足以引燃井下瓦斯等易燃易爆气体，符合井下本质安全型要求。遥控装置由信号采集滤波电路、按键、摇杆、液晶屏、无线收发射模块等组成。发射手柄装置的主控芯片采集控制信号，统一打包发给接收装置；接收装置通过无线模块nrf24r1接收手柄信号，并将信号进行转换处理，处理好的信号传给机械设备完成对设备的远程控制；同时，手柄将接收装置传过来的温度、瓦斯等信号进行液晶屏的显示，以监测井下及机械设备的状态。

1.1 供电电源电路

为方便远距离控制，手柄发射装置采用标准的+5V锂电池供电，这种供电方式能够方便工程机械设备操作人员不受空间的限制。遥控手柄各硬件供电电压为+5V和+3.3V。基于锂电池的+5V电压，需设计+5V转+3.3V的电路模块。井下一般用+24V的电源，对于锂离子电池充电电路需设计输入电压为+24V、输出电压为+5V的电压转换模块；+24V转+5V电路模块采用采用防雷和防浪涌设计，可防止高电压高电流损坏电路内部元器件。电路中没有大电容和大电感，最大电容电感的分别为C4=C6=C12=10μF，L1=4.7μH，满足井下本质安全型的设计要求。

1.2 模拟信号采集电路

模拟信号采集电路可采集4-20ma或0-10V的工业级传感器模拟信号，如温度检测传感器、湿度检测传感器、瓦斯监测传感器等信号。模拟信号采集电路如图1所示。

图1 模拟信号采集电路

电路中采用的数模转换芯片为CS1238，它是一款高精度且低功耗芯片，应用在模拟信号采集电路中使得采集数据的精度更高，能更好地监测井下情况。该芯片具有两路的差分输入通道，管脚AINP1,ANNN1或管脚APNP2,APNN2为传感器信号输入端，MCU主控芯片stm32f103的SPII MOSI和SPII SCK管脚分别接CS1238芯片的#DRDY#DOUT和SCLK管脚，进而对CS1238进行各种配置，如数据的输出速率、通道的选择、PGA选择等的配置。

为进一步降低监控终端功耗，通过MCU对传感器供电进行通断控制(定时采集数据时对传感器供电)，减少传感器功耗[3]。各个传感器采集到的模拟信号通过模拟量信号采集电路传输到接收装置的控制芯片，MCU通过对这些信号进行逻辑转换处理，进而打包成数据帧通过2.4G无线模块传输到发射装置的蓝色液晶屏显示，便于操作人员了解井下的各种情况而采取相应操作。

1.3 RS485信号传输电路

无线远程遥控接收装置不仅能将控制信息发送到工程机械对其进行各种动作的控制执行，而且还能读取井下各种传感器的监控信息。接收端与瓦斯监测传感器通过RS485模块电路相连接。传感器都是裸露接触井下环境，为了满足本安电路的设计要求，防止接收装置的主控芯片及外围电路产生的电弧点燃井下瓦斯等易燃气体，传感器与主控芯片的RS485模块连接电路采用防雷和防浪涌设计。F2与 F3串联接入电路，用于限制流过TVS管的电流在较高的瞬态电压下低于可承受的最大电流[4]。RS485模块电路主要硬件部分为SP3485芯片，其供电电压为+3.3V，是一款低能耗芯片。SP3485芯片的DE管脚与主控芯片的USART_RTS管脚相连接，主控芯片通过USART_RTS管脚输出高低电平，从而通过RS485模块电路对各种传感器监测到的信息进行读取操作，读取到的信息经过模数转换、逻辑转换处理后打包发送给遥控手柄。RS485模块电路如图2所示。

图2 RS485模块电路

RS485模块电路中的D10和D11是放电管，两只放电管分别连接到电路正负极再到接地端子。当接收装置的主控芯片及外围电路主控芯片某一瞬间产生高电压高电流时，高电压和高电流会击穿放电管的极间间隙，放电管由绝缘变为导通状态将能量引到接地端子，进而防止高电流高电压损坏传感器甚至是点燃井下易燃易爆气体。

1.4 主控芯片及射频通讯模块

遥控装置的芯片均为stm32f103，其数据能力处理极强，可以减小因数据处理能力不足而造成撞机的机率。stm32f103芯片内的模数转换集成模块不仅提高了数据转换速度，而且解决了接口资源少的问题，同时DMA 控制器提高了数据传输速率，为数据的处理及传输提供了极大的便利[5]。

射频通讯模块均采用nrf24r1无线模块，该模块传输距离远，传输数据稳定且速率可达2Mbps，工业级应用可达2000m以上。射频通讯模块在发送模式下自动在发送数据上加上字头和 CRC校验码，在接收模式下自动去除数据的字头和CRC校验码[6]。射频模块的管脚与主控芯片管脚号对应连接，通过编程设定射频模块通讯地址、传输速率、数据包长度以及工作频率。

2 遥控装置系统软件设计

本安型遥控接收与发射装置运行的条件不仅依赖于高可靠性的硬件电路，更取决于可读性强的软件程序。硬件电路设计完成后，应在软件程序上进一步优化让电路的性能发挥至最佳状态。在程序设计中，采用模块化编程，以控制逻辑为主将模块化程序融为一体。

Modbus协议为工业中广泛应用的一种通信协议，已经成为通用工业的标准。ASCII和RTU为该协议的两种数据传输模式。得益于该协议的开始和结束标志，数据包的处理更加简单、LRC校验位易于编写等优点，遥控装置的数据传输采用Modbus协议的RTU模式。

遥控装置系统程序主要分为遥控手柄发射装置程序和遥控接收装置程序。遥控装置通讯采用modbus通信协议，该通信协议是主从网络结构。在遥控控制系统中，主站是接收装置，从站为遥控手柄装置。遥控接收装置通过modbus协议对遥控手柄进行轮询以检测遥控手柄的控制信号；在程序的数据帧设置从机的设备地址，当从机检测到数据帧则首先判断该设备地址信息与自己的地址号是否一样；若相同则建立通信，通过功能代码判断是读数据还是写数据；控制信号被遥控接收装置读取，通过输出电路对机械设备进行控制。在LRC校验中，遥控手柄将计算的LRC值放在LRC校验位；遥控接收装置对接收的数据也进行LRC值的计算，并与数据帧中的LRC值进行比对，若两个值相同则说明数据传输成功。遥控装置数据传输程序如图3。

图3 遥控装置数据传输程序流程图

通信程序的编写主要包括以下方面：主控芯片stm32的初始化、数字量模拟量采集程序、无线接收发射模块程序、UART串口程序、modbus协议通信程序等。主控芯片STM32的程序初始化程序编写主要包括：stm32的初始化设置，如管脚GPIO,ADC和DMA、时钟、串口等的初始化设置；对于数字量模拟量采集程序，首先进行ADC以及采集芯片的初始化配置，而后是编写遥控手柄按键和摇杆的数字量模拟量信号采集程序；2.4G无线收发模块程序：先对无线模块进行初始化设置，再确定模块采用的通信协议及数据帧的发送与接收程序编写；UART串口程序主要是为了实现蓝色液晶显示屏与主控芯片、射频通信模块与主控芯片等的数据传输。

3 遥控接收与发射装置调试

遥控接收与发射装置整体功能调试大体内容包括：2.4G无线模块数据的发射与接收，按键摇杆的控制信号采集，接收与发送装置的数据传输等。调试装置：三个遥控手柄电路板、一个遥控接收端电路板、若干按键及摇杆、无线发射与接收模块、Windows PC、串口调试助手。

焊接好硬件电路，用Keil uVision5将程序下载到三个遥控手柄和遥控接收端的电路板上。按下遥控手柄装置对应的按钮或摇杆，手柄信号被采集传输到上位机的串口调试助手界面显示。经调试，硬件电路运行稳定，可靠性强，满足设计要求。调试实物如图4所示。

图4 调试实物图

4 结 论

对本安型遥控接收与发射装置的重要部分硬件电路及程序进行了设计，旨在改善远程操作人员无法及时了解矿下情况、工业遥控装置的控制信号传输不稳定、遥控装置不符合本安型要求的状况。主控芯片为stm32f103，数据的处理能力更强、传输速度更快，让远程遥控装置的系统稳定性更高、工程机械设备的控制精度更好，降低了井下遥控作业不可控因素发生的机率。与近距离跟机控制相比，该本安型遥控接收与发射装置提高设备工作效率的同时，大大降低了操作人员的危险系数。