基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端設計

郭昊騰，吳偉麗，毛 浩，趙紅菊

（1.西安科技大學 電控學院，陜西 西安710000；2.陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西 榆林719000；3.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；4.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

智能化巡檢是未來智慧礦山的基礎支撐和保障設備[1]，其作為煤礦安全管理的重要手段，可以將危險提前“扼殺在搖籃里”，有效排除安全隱患，保證工人的人身安全和生產設備安全運營。張士海[2]提出一種礦用機器人，實時采集帶式輸送機沿線各項監控數據, 并通過信號轉換器搭建的無線網絡傳輸到操控界面；劉健康[3]設計了針對瓦斯檢測的智能巡檢儀，其主機硬件電路以單片機為核心，對傳感器輸出信號，進行處理，控制和輸出；王敏[4]采用ATMEGA32L 單片機為處理核心，通過時鐘電路、鍵盤電路以及讀卡電路等，對礦用智能巡檢儀進行硬件設計，實現人員識別和地址識別。另外郭濤[5]在煤礦安全監控系統現狀及發展趨勢中也指出現有監控設備智能化程度低、缺乏可靠的感知交互手段，無法實時獲取周邊環境安全信息, 不能達到安全主動保障的目的。上述研究表明，出于煤礦井下環境復雜、設備成本、安裝難易程度等多種因素，作為巡檢儀重要組成的核心控制單元，其大多的只是實現對外部傳感器進行數據采集、傳輸，功能單一且智能化、信息化程度較低。對此，設計開發一款礦用巡檢儀智能終端，以集成電子技術、無線通信技術為基礎，通過對礦用巡檢儀外設傳感器的狀態控制、巡檢儀本體穩定性及供電電壓的監控、傳感器數據采集及各個部件之間的交互通信，達到巡檢儀的自身管理以及巡檢環境各參數的實時監測。

1 系統原理

礦用巡檢儀智能終端由主控模塊和電源模塊組成。主控模塊以ST 公司生產的32 位微處理芯片STM32F103 作為控制核心[6-8]，通過wifi 無線通訊模塊接收上位機巡檢指令，對巡檢儀電源電壓進行采集，經過信號調理及ADC 轉換，實現電量監測；電量正常時，控制外部可以搭載的超聲波風速儀、斷面檢測儀、攝像儀等各種礦用傳感器工作狀態，開啟數據檢測和掃描；采集到的數據結果一方面進行本地傳輸與存儲，同時還將無線傳輸給上位機，進行客戶端的數據分析；為減少巡檢儀本體晃動帶來的視覺信號失焦或運動模糊，利用陀螺儀設計了本體穩定性監測功能；此外在巡檢儀充電時，還可以對充電過程中的電壓、電流及充電時間進行監視。電源模塊設計了多路DC-DC 隔離電源，負責提供各個傳感器所需高效率、低噪聲的電壓。

基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端架構框圖如圖1。

圖1 基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端架構框圖Fig.1 Frame diagram of intelligent terminal of mine inspection instrument based on STM32

2 關鍵技術

基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端原理圖如圖2。

2.1 本安型傳感器供電

根據現有礦用傳感器的電源需求，智能終端可提供多路本安型隔離電源輸出。圖2 中T8、T9及T10電路可以將24 V 工作電源轉化成輸出為5、12、18 V 本安型隔離電源。為了提高電源的轉換效率，降低熱損耗，采用了一款適用于電池供電系統，低功耗、高低溫特性好、寬輸入電壓范圍的DC-DC 電源芯片URB24 系列。

由于各路電源設計相同，以5 V 輸出電源電路為例，其原理如圖2 中的T10。通過該電路，實現24 V 電壓輸入轉化為5 V 電壓輸出。電路中在輸入端并聯壓敏電阻R9，當輸入過壓時，壓敏電阻就會立即導通，吸收多余的電壓、電流，進行電壓鉗位，保護后面的電路。同時在電路輸入端串聯二極管D1，一是隔離作用，減小后級電源對前級的影響；二是保護電源芯片U10，防止在電源關斷瞬間，產生的電流倒灌和反壓疊加。同樣的，在電源輸出端串聯二極管D5，以進行類似保護功能設計。相應地，輸入、輸出濾波電容均采用MLCC 電容，用來降低紋波干擾。為增加電路的可視性，設計了發光二極管H1，用于顯示電源是否輸出。電路中電源輸出端串聯N 溝道MOS 開關管Q1和采樣電阻R17，用于實現后續電源過流保護功能。

圖2 基于STM32 的礦用巡檢儀智能終端原理圖Fig.2 Schematic diagram of intelligent terminal of mine inspection instrument based on STM32

供電電源采用雙重過流保護，一是URB24 系列自身具有的過流保護功能；二是采用分立元件開關管、比較器、放大器及電阻電容等器件構成[9]的過流保護設計[10]，開關管Q1通過S 管腳和D 管腳串接于電源和負載之間，利用MOS 管的開關特性，控制電路的導通和斷開，基本原理是一旦采樣電阻采集的輸出電流超過設計值則使開關管Q1關斷，從而將輸入與輸出的電源電路切斷，實現輸出過流保護。采樣電阻R17上的電壓信號經過差分放大電路（采用差分方式，可以消除共模干擾）輸出后與放大器U8B的輸出基準電壓Uref進行比較，負載正常時，放大后的采樣電壓小于基準電壓，U12B的輸出電平為0 V，進而控制MOS 管導通，電源電路正常輸出；負載異常時，采樣電阻上的電流會變大，當采樣電流大于設定的閥值（輸出電流1 A）時，放大后的采樣電壓大于基準電壓，U12B輸出為5 V，進而控制MOS 管斷，電源電路保護無輸出。運算放大器U8B、穩壓管U4及電阻R7、R14、R15及R18構成電壓基準電路，其U8B的輸出作為后級比較器的基準電壓Uref；運算放大器U8A和電阻R12、R13、R16及R19構成組成放大電路；比較器U12B和電阻R21、R22及R23組成比較電路。其中差分放大電路分析如下：

利用運算放大器基本原理，可知：

式中：Ui1、Ui2為采樣電阻R2兩端的采樣電位；UO為電壓放大輸出。

由于V+=V_，令R12=R16，R10=R17，整理式（1）和式（2）得出：

根據此得知，采樣電壓Ui1和Ui2的差值經過放大電路后，其放大倍數取決于R10和R12的比值。由于電源輸出的采樣電壓為mV 級，因此設計放大倍數50 倍，取值電阻R10為50 kΩ，R12為1 kΩ。

2.2 接口隔離保護

礦用巡檢儀智能終端所有外部接口均采用隔離保護設計，以消除工業現場噪聲和高低頻脈沖信號對單片機系統的干擾，保證信號輸出準確、穩定和可靠。對智能終端進行的隔離保護設計有2 個方面：

1）由于模擬及數字通用控制IO 口具有信號單向傳輸性，所以采用光耦隔離。光耦隔離是以光信號為媒介來實現電信號的耦合與傳遞，從而起到輸入、輸出在電氣上完全隔離。如圖2 中T5、T6，本設計采用光耦芯片PC817 實現外部傳感器電源供電的控制，通過在輸入端加3.3 V 單片機電平控制信號，使得發光二極管導通發出光線，照射在受光器上后使三極管導通，輸出端輸出傳感器供電電源（5、12、18 V），完成了“電-光-電”轉換，從而實現輸入、輸出的電氣隔離。為降低單片機功耗，單片機I/O 控制口經過由三極管Q5～Q7組成的驅動電路，再接入光電耦合器的輸入端。

2）具有雙向數據傳輸信號的RS232 和RS485總線通訊采用磁耦隔離[11]。磁耦隔離是一種基于芯片尺寸的變壓器，利用平面磁場專利隔離技術和ICOUPLER 變壓器專利技術，集成變壓器驅動和接收電路，同時不再需要驅動LED 的外部電路，具有低功耗、高集成度等特點。如圖2 中T2、T3，電路中采用ADI 公司的ADuM 系列隔離芯片ADuM1201、ADuM1401 來實現控制器和RS232、RS485 收發器之間的電氣隔離，絕緣電壓最高到560 V 以達到更好的抗干擾性能。該芯片具有數字接口簡單、集成隔離型DC/DC 轉換器、數據傳輸速率高、性能穩定以及提高電路的抗干擾性能等優點。

2.3 電池電壓監測

智能終端設計有對礦用巡檢儀電池電壓監測[12]的功能，選用線性光耦HCNR200 來完成接口隔離及采樣電壓的電平轉換。HCNR200 是一種用于模擬信號隔離的高精度線性光耦器件，如圖2 中T11。在電路中，電壓信號為同向輸出。運算放大器U1B構成負反饋放大電路，其中電阻R3調節運算放大器輸入偏置電流的大小，電容C3在起反饋作用的同時，還可消除電路中存在的高頻干擾，電阻R1用于控制輸入端二極管的發光強度；運算放大器U3A則構成電流-電壓轉換電路，其隔離采樣電路分析如下：

式中：IPD1、IPD2為輸入、輸出隔離光敏二極管電流；Uin為輸入電壓；Uout為輸出電壓；K3為傳輸增益。

整理式（4）和式（5）得出：

由于K3典型值為1，是定值，因而Uin和Uout之間的關系為線性，其增益調整可以通過電阻R6和R3的值來實現。根據電池供電電壓為24 V，單片機STM32F103 電壓采集范圍在0～3.3 V 之間，設計電池采樣電壓縮小倍數為0.137 5，取值電阻R6為220 Ω，R3為1.6 kΩ。為滿足電路的阻抗匹配要求，在采樣電壓進入單片機之前，增加了由U3B構成的電壓跟隨器。

2.4 通訊方式

智能終端負責完成多種通訊數據傳輸，通訊接口布局如圖2 的T2、T3及T14，采用WiFi 無線傳輸[13]方式，用于從上位機接收巡檢計劃，設置巡檢流程，巡檢完成后傳輸采集數據到上位機。電路中，選用基于UART 接口的ESP8266 模塊，該模塊能夠將傳統的串口設備接入無線網絡，實現串口數據與無線網絡間的信息交換。其TXD 和RXD 腳分別接單片機的PC8 口和PC9 口，PC8 作為數據發送口，PC9 作為數據接收口。為了電源的穩定性，模塊使用AMS1117 制作3.3 V 電源單獨供電。

采用RS232 串行通訊方式，實現對巡檢儀無線充電的監控，其監控參數包括充電過程中的電壓、電流、溫度等。選用MAX3232 雙路RS-232 收發器，將單片機邏輯信號的電平轉成RS232 的電平。雖然芯片內部設置了靜電保護電路，但是當應用于環境比較惡劣的場合時，可能造成通信不穩定的情況。因此，在TOUT/RIN 線端外加瞬態抑制二極管D4和D6、線纜采用屏蔽雙絞線以及PCB 布局同一網絡單點接大地等，有效保護RS232 通訊端口。

采用RS485 總線，實現傳感器控制命令的下發和數據的接收處理。RS485 的數據信號采用差分傳輸方式傳輸，由于單片機的UART 接口電平采用的是TTL 電平，因此使用MAX13487 作為收發模塊，將邏輯電平轉換為RS485 協議的差分電平。MAX13487 是用于RS485 通信的低功耗收發器，包含1 路驅動器和1 路接收器。該收發器具備自動收發控制功能，省去了程序通過1 個IO 控制收發器狀態的工作。同時該器件具有熱插拔功能，可以消除上電或熱插入時總線上的故障瞬變信號。為了防止浪涌、過壓等有害信號，在電路中添加了TVS 管D9和D11、自恢復保險絲SW 端口保護措施。

2.5 軟件架構

礦用巡檢儀智能終端除了對外部電氣設備的硬件控制外，其更重要的功能是實現各路傳感器的交互工作、井下環境數據的傳輸、巡檢時間規劃等。采用模塊化設計思想，通過分析軟件功能、總體架構設計及模塊詳細設計，實現智能終端軟硬件協同工作。軟件設計采用環境為Keil-μVision4，軟件流程圖如圖3。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

3 結 語

依托于張家峁煤礦回風巷道人工巡檢存在的問題，基于現有巡檢裝置缺少智能化管理單元，設計了礦用巡檢儀智能終端。通過對智能終端軟、硬件的研制與開發，實現了對礦用巡檢儀的智能化管理，已經使用于張家峁煤礦，代替人工巡檢，解決人員勞動強度大，巷道檢測信息不能及時傳達等問題。智能終端集成度高、實時更強、數據處理更高效，尤為適合于井下離線巡檢。