基于STM8的低功耗無線通信模塊在礦用本安儀器中的應用設計*

連　杰，陳　剛，田小超

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

基于STM8的低功耗無線通信模塊在礦用本安儀器中的應用設計*

連杰，陳剛，田小超

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

摘要：基于STM8的低功耗模塊實現了礦用本安儀器的無線通信。提出了無線通信系統的整體結構，遵循本安性、兼容性和低功耗原則優化改造現有的礦用本安儀器，分析了實現礦用本安儀器之間采用無線數傳通信的技術難題，包括通信協議和功耗問題，系統功能主要由SX1212與單片機ST公司的低功耗單片機STM8L101F3實現，設計了系統電源電路和本安電源電路，其中本安電源電路具有熱保護功能，可以防止器件過熱。研究結果表明，模塊在改動極小的情況下，既可以使本安儀器之間實現無線通信，又幾乎不影響儀器原有的性能指標，解決了礦井有線通信的難題。

關鍵詞：無線通信；低功耗；本質安全

目前，在煤礦井下復雜的工況環境中，礦用本安儀器之間傳輸數據多采用有線的方式連接，不僅操作繁瑣，插頭和線纜的可靠性也影響儀器的長期穩定使用；因此，需要對其傳輸技術進行改進。隨著科學技術的發展，無線通信模塊的出現解決了上述操作繁瑣等問題。本文基于STM8的無線通信模塊，實現了礦用本安儀器的無線數據傳輸。

1總體結構概述

該設計總體結構如圖1所示，無線數傳通信模塊主要包含如下幾個部分：MCU控制部分、射頻通信部分、本安電源部分和外圍接口部分[1]。

圖1　總體結構

2設計原則

設計該無線通信模塊的目的是為了優化改造現有的礦用本安儀器，既要與現有的儀器匹配兼容，又不能影響現有儀器的性能指標。為保證上述目標，設計制定了本安性、兼容性和低功耗等3個原則。

2.1本安性

本安即本質安全，指通過設計等手段使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故的功能。

本設計在電源電路上采用兩級低功耗LDO進行穩壓，輸入5 V，輸出3.3 V，同時在LDO后級采用兩級過流過壓保護電路，一旦產生過流過壓現象，切斷LDO輸出，保證本安性能。

2.2兼容性

在原有需要傳輸數據的礦用本安儀器中，多采用RS232或者RS485方式通信。外圍電路通過通用的串行接口實現現有儀器與該無線模塊的數據通信，能夠很好地兼容原有儀器，在更改最小的情況下實現本安儀器之間的無線通信。

2.3低功耗

礦用本安儀器因限制能量保證本質安全，多采用電池供電，對功耗的要求極為苛刻。本設計在器件選型上選用了STM8L系列超低功耗的MCU，休眠模式僅耗電1.5 μA的無線通信芯片SX1212和靜態電流低至30 μA微功率穩壓器，在一定程度上保證了模塊較低的功耗；同時，設計通信協議為收發數據幀格式由四部分組成：前導符、同步碼、有效載荷和CRC校驗碼，充分利用了SX1212的省電模式。在該模式下，接收機在一個休眠周期后搜索信道中是否有前導符存在，如果沒有則立刻休眠等待下一個休眠周期后再搜索，反之則處于接收狀態，等待同步碼到來，將數據接收下來，置低模塊狀態指示(AUX)，串口輸出結束后關閉串口，置高AUX進入睡眠模式，等待下一個休眠被喚醒。為了使目的接收機時鐘和發送機同步，模塊設計數據幀中的前導符為一串>1 s的1010。主要功能是為了能喚醒接收模塊，使其進入正常接收數據。設置接收端每1 s自喚醒一次，每隔1 s醒來一次搜索前導符。而發射機首先發射>1 s的前導符后再發射同步字及數據，也就是說接收機在喚醒的周期，只要發現信道中有前導符，正常情況下都能成功檢測到并喚醒接收。

通過上述方式，在可靠接收數據的同時，讓無線通信模塊更多的工作在低功耗的省電模式中，僅約15 μA的平均待機電流對本安儀器本身電器性能影響微乎其微，幾乎不會減少原本的可使用時間。

3系統電路設計

系統功能主要由SX1212與單片機ST公司的低功耗單片機STM8L101F3實現，SX1212與STM8L通信采用SPI接口，與外部終端通信采用UART接口。STM8L基于8位STM8內核，與STM32L系列一樣采用了專有超低漏電流工藝，利用最低功耗模式實現了超低功耗。其中STM8L101系列最低功耗模式電流僅為0.30 μA，動態運行模式下電流為150 μA/MHz。

SX1212是SEMTECH公司推出的一款超低功耗的單芯片無線芯片，頻率為300～510 MHz。SX1212經過優化具有非常低的接收功耗，典型接收電流為2.6 mA，遠小于同類收發器的接收電流。工作電壓為2.1～3.6 V，最大發射功率為+12.5 dBm[2]。另外，SX1212集成度非常高，其包含了射頻功能和邏輯控制功能的集成電路，內部集成了壓控振蕩器、鎖相環電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調制解調電路、變頻器和中放電路等。此外，它整合的基帶調制解調器的數據傳輸速率高達150 kbps，其數據處理功能包括一個64字節的FIFO、包處理、自動CRC生成和數據白化。SX1212高度集成的架構允許最少的外部元件數量，同時也保證了設計的靈活性。所有主要的射頻通信參數均可編程，其中多數可動態設置。由于SX1212集成度非常高，需要的外圍電路零件比較少，關鍵在于設計RF前端的匹配電路。另外在PCB布線時，高頻部分的走線用了非常短粗的線，元器件參數也根據線路板的實際情況作出了適當的調節，以抵消分布參數的影響。一般的RF芯片發射與接收端口的阻抗并不是標準的50 Ω阻抗，要達到最佳的接收效果，應將輸入阻抗通過外圍器件的補償，使之與50 Ω的天線匹配[3]，電路如圖2所示。

圖2中Y2是聲表面濾波器，用于衰減規定頻帶以外的信號，L2、C3、C22構成了阻抗匹配網絡，L4、L5分別是壓控振蕩器電感和調整壓控振蕩電感，可以使模塊工作于不同的頻率，C7、R3、C8構成了鎖相環電路。

在本安電源電路設計中，采用了Linear公司的微功率穩壓器和Maxim公司的微功率過流過壓保護芯片，靜態電流低至30 μA，電路如圖3所示，其中LDO輸出電壓由R1、R2、R3和R4決定，過壓保護門限由R7、R8、R10和R11決定，R9、R12決定過流保護門限。

圖2　系統電路圖

圖3　本安電源電路

采用此電路后，若達到設定過壓過流門限值時，輸出時序將如圖4所示，tBLANK定時器開始計數。如果過流條件的保持時間達到tBLANK，則觸發FLAG報警指示。如果過流條件在tBLANK時間之前消除，則復位定時器。達到時間tBLANK后， 立即開始重試延時tRETRY， 在tRETRY時間內，FET保持關斷。tRETRY結束后，FET再次導通。如果仍然存在故障，則重復該循環，FLAG保持為低電平。故障消除后，FET保持導通。

自動重試功能降低了過流或短路條件下的系統功耗。tBLANK期間，當開關導通時，供電電流保持在電流門限以內。在tRETRY期間，當開關關斷時，沒有電流流過開關，所以平均輸出電流遠遠小于所設置的限流值。采用下式計算平均輸出電流：

圖4　故障狀態下重試時序圖

如果tBLANK為20.7 ms (典型值)，tRETRY為600 ms (典型值)，占空比為3.3%，則會降低96.7%的功耗，保證電路的安全性能。

此電路所用器件同時具有熱關斷功能，熱保護功能沒有故障屏蔽時間，以防器件過熱。如果結溫>+150 ℃ (典型值)，器件關斷，同時觸發FLAG報警。結溫冷卻至30 ℃ (典型值)后，器件退出熱關斷狀態并恢復常規工作；熱保護功能與限流類似，熱保護限值與自動重試定時器配合工作。

4結語

本文設計的低功耗無線通信模塊可用于礦用本安儀器的升級改造中，模塊基于STM8L和SX1212設計，兼具兼容性、低功耗和本質安全等性能，在改動極小的情況下，既實現了本安儀器之間的無線通信，又幾乎不影響儀器原有的性能指標。

參考文獻

[1] 嚴冬,張森,何鏡.基于STM32F103的433MHz頻段無線數傳模塊的設計[J].科技視界,2014(1)：81-82.

[2] 李恒煥,隋振中.一種基于SX1231的無線數傳模塊的設計[J].河南機電高等專科學校學報,2011(2)：5-8.

[3] 李昌斌,馬莉,房雪蓮,等.無線數傳模塊的應用[J].信息技術,2012(7)：69-71.

* 中煤科工集團西安研究院有限公司2014年度科技創新基金項目(2014ZD006)

責任編輯鄭練

Low Power Wireless Communication Module Application based on STM8 in Mine Safety Instrument Design

LIAN Jie, CHEN Gang, TIAN Xiaochao

(CCTEG Xi’an Research Institute ,Xi’an 710077,China)

Abstract：Because of the cumbersome nature of the wired communication, present mine intrinsically safe instrument of wireless communication. Based on low-power module of STM8 implements First，it presents the overall structure of a wireless communication system, follow the principle of safety, compatibility, and low power consumption optimization to transform the existing mine intrinsically safe instrument. Analyze the realization of mine among intrinsically safe instrument using wireless digital communications technical problems, including communications protocol and power consumption. The system function is mainly realized by SX1212 and the low-power single-chip microcontroller STM8L101F3 produced by ST company. Design the system power supply circuit and intrinsically safe power supply circuit which has thermal shutdown function and thermal protection feature, preventing the device from overheating. The results show that the module with small changes can make intrinsically safe equipment realize wireless communication when not afferting the performance of the original instrument, and solves the problem of mine wired communications.

Key words:wireless，low power consumption, intrinsically safe

收稿日期：2015-02-26

作者簡介：連杰(1987-)，男，助理工程師，主要從事地球物理勘探類儀器儀表研發工作。

中圖分類號：TN 806

文獻標志碼:A