礦用多功能智能終端的設計分析

柴中華

（霍州煤電集團龐龐塔煤礦， 山西 呂梁 033000）

引言

煤礦智能化的發展體現在煤礦井下作業環境。這種智能控制主要是依賴監控系統和監測裝置加以實現，各種各樣的傳感設備和多個采集分站和主站在煤礦井下必不可少。舉例來說，有必要把礦井壓力監測設備應用到綜采工作面上去，并且每一個或兩個壓力傳感器就要對應一個監測子站，這樣才能對壓力數據進行實時采集和及時上傳。傳感器和噴霧電磁閥在智能噴霧除塵系統中進行工作時也需要靠控制器來進行控制處理，每隔幾組就需要安裝一個，主要用來監控采煤機的位置并對噴霧電磁閥的動作加以控制；三機電源監控系統的安裝也較為繁瑣，需要將監測分站固定在各自的區域，這樣才能對數據進行采集、分析上傳和處理；安全監測系統主要依賴安裝變電站來實時掌握環境參數的變化；除了包含巷道壓力監測，還有粉塵濃度監測和其他系統共同協作，并且都要求布置分站，從而使更多的采集終端設備，多樣化的通訊方式以及全面的采礦工作面得以維護。于是一些問題也暴露出來，具體體現在需維護設備的數量大，投資成本大，設備不可通用造成利用率低等等。針對以上問題設計出了一種礦用多功能智能終端，具有豐富的模擬輸入輸出方式，以及光纖、無線等多種通信方法，同時還包含了多個接口高度清晰的液晶顯示屏，可以實現多重操作，采礦報警以及儲存電量等多種優異的功能[1]。

1 礦用多功能智能終端的設計原理（見圖1）

智能終端的模塊組成較為復雜，MCU 處理是最核心的組成部分，其他通信模塊、輸入輸出模塊以及顯示模塊等共同參與構成了多功能的智能設備終端。

圖1 智能終端設計原理框圖

1）MCU 核心處理模塊首先需要搭配高級的STM32F 系列處理器，具體功能有：輸入輸出模擬量及其他數據量，收集并對多個接口的數據進行處理，高清LCD 屏幕的多接口顯示，并且可以實現多種按鈕執行相應的操作，另外如果想與其他分站和主站取得聯系，也通過多種通訊方式來實現。

2）兩級無線通信模塊主要是為了實現二級網絡通信而設定的。一級網絡可以在無線自組織網絡和長距離模式下實現各個多功能終端之間以及終端與主站之間的信號連接。二級網絡的特異功能在于通過低耗和近距離的方式來實現終端與傳感器之間的交流[2-3]。

3）模擬、數字量和額外的輸入輸出量的模塊都是經過開關單元連接其他開關設備，然后對數據進行采集，并可以通過開關單元輸出開關值來轉換其他開關設備的狀態。同樣的原理，模擬量單元也能輸入輸出模擬量傳感器的數據，并且能改變模擬量設備的工作狀態。

4）通訊模塊包含多種模式，主要依賴于對應的通訊單元來進行工作：RS232 通訊、以太網通訊以及光纖通訊等等多種通信方式都能實現。

5）LCD 顯示模塊，為了達到高級顯示效果，引用了50 種線型高清LCD 屏幕，礦用多功能智能終端的數據和狀態可以以數據和圖形等多種方式呈現，另外只需要掌握五個按鈕，就可以達成畫面的切換及顯示，對終端系統進行設置等豐富的功能。

6）智能電源模塊用于電源之間的電壓控制以及電量儲存等，可實現分區電源電壓的轉換等。

2 硬件及功能設計

2.1 MCU 模塊的選擇和設計

終端的設計除了要考慮輸入和輸出功能以外，還需要帶有通信、顯示功能損耗和數據處理的能力。因此在零件選擇上要更加慎重，通過層層篩選最終確定選用成本低廉、損耗率小但是功能優異的STM32F 互連微控制器，選用的STM32F 控制器的處理頻率為72 MHz。存儲器由兩部分組成，分別是256 kB 閃存和64 kB 嵌入，定時器有十個，模數轉換器兩個，12C 接口、US-ART 通信接口和 SPI 通信端口的數量分別為兩個、兩個和五個，外設的DMA 通道有十二條，計算單元有一個和96 位唯一標識碼。這個控制器除了以上性能以外，還有低壓和節能的特點。它的工作電壓要求極低，在2～4 V 之間即可完成工作，與主流電池技術兼容。它還具有用于電池工作模式的特殊引腳。當工作頻率為72 MHz 時只消耗電流27 mA。通過對控制器的功能和硬件本身進行二次優化設計和應用需求具體改進，使得控制器充分適應了MCU 內核處理模塊的基本性能要求。

2.2 通信模塊選擇和設計

目前常用的通信方式存在諸多問題，其中比較普遍的有：電纜鋪設繁瑣，經濟投入較大，維護過程復雜，故障排查困難等，終端設計中將無線通信和微功率兩者相結合，并根據實際情況設計了一種二級無線通信方法。一級網絡選擇自組織的遠程JZ881無線數據傳輸模塊，可以實現800 m 以內的信號傳輸。就算在礦井底下也至少能傳輸200 m 的距離。載波頻率在200 MHz 左右，睡眠功耗設置在10 mW 左右，接收、發射和睡眠時的電流參數極限分別為35 mA、40 mA、10μA。二級網絡對于 JZ886 無線數傳模塊的主要要求是低功耗，該模塊視距可靠傳輸距離能實現百米左右，就算在煤礦井下工作時也能達到20 m 左右，載頻300～900 MHz，不用再去申請頻段，睡眠模式下功率為10 mW，接收、發射和睡眠時的電流參數極限分別為10 mA、35 mA、1 μA。上述的兩種無線通信模塊都具有硬件裸板體積小、方便與MUC 內嵌配套使用、全面屏蔽抗干擾性強、采用FSK 調制方式、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 可選擇、收發一體、數據收發轉換自動完成、轉換時間短、可實現數據透明傳輸、傳輸數據幀長、自動過濾掉假數據、穩定性好、故障率低的特點。這兩種無線通信模塊都經過了多次的優化模擬設計，高度滿足多功能智能終端設計的要求。

2.3 液晶顯示模塊選擇和設計

為了實時顯示多功能智能終端數據的收集和分析，并實時監控每個設備的狀態，終端設計在液晶模塊的選擇也非常慎重，要達到工業級超穩定的性能，選用了MDOSOSD 液晶模塊，它不僅有超大的8 頁顯示內存（如果未用完內存，則可以用作擴展內存），還有強大的顯示面板以及豐富的色彩功能盤，另外8080 定時16 位并行總線接口，與終端MCU 實現完美匹配，模塊使用CPLD+SDRAM。該方法驅動的顯示屏可以同時實現總線接口和RGB 接口之間的轉換，顯示界面和程序功能的更新可以僅僅靠U 盤就能直接實現。MDOSOSD 讀取和寫入周期為200 ns，極限全屏刷新速度為13 幀，8 頁的顯示緩存與集成的8 MB SDRAM 相匹配。在設計時獨立設置顯示頁面和讀寫頁面的寄存器。這樣設計的優點可以使得兩者處于不同頁面上，后臺在切換時幾乎毫不費力。同時在設計中也對TFT 驅動和電路加以完善優化，以實現色彩顯示功能的需要，LED 背光驅動，亮度可以隨意切換控制，并且還可以防止屏幕閃爍或顏色變化。終端上配置的按鈕可用于切換顯示界面并執行相應的系統命令。液晶顯示模塊的設計也是結合實際考慮，完全能滿足煤礦井下的顯示功能要求。

2.4 智能電源模塊選擇和設計

智能電源管理模塊是針對性地解決電源問題而進行設計的，必須要實現電源切換、電壓的電池轉換等功能。智能終端電路板在煤礦中比較常見的是DC 12 V 的電壓電瓶，但是它的最小電壓為DC 3.3 V。因此對于降壓電路的設計應使得電壓控制在這兩者數值之間。在設計時除了要考慮基本參數以外，還需要模擬地下特殊區域的環境來對終端設備進行持續工作設計。該智能設備使用了充電方便、耐用性久的銼電池，如果終端的外部電源發生故障，該電池可在內部實現自動切換，并且立刻啟動相應的低功率電源模式，比如低能耗模式下就會將LCD 屏幕亮度調暗或直接關閉，并將沒有處于工作狀態的部分直接休眠。智能電源管理模塊對于電池電量的把控也非常細致，一旦電量不足便會立刻自動連接電源進行充電。

3 多功能智能終端的軟件設計

除了上述考慮以外，這個礦用多功能智能終端系統還需要實現穩定合理地功能。終端第一次上電時，是處于初始化狀態。初始化之后就開始判斷電源模式，然后進入工作模式并執行開關值。首先進行數據收發、關鍵數據收集、其他外圍數據收發，然后進行輔助無線數據收發、RS232 收發、以太網收發以及光纖數據收發等等。第一級無線網絡數據傳輸通過高清LCD 屏幕顯示和接收，USB 數據發送和接收，相關的數據并進行呈現與處理分析。如果供電方式選擇從內部介入，那么終端系統就會同步啟動低功耗模式，在該模式下電量消耗低，可以保證電池長時間使用。礦井中各個子系統各部位的功能要求均有差別，因此將會在硬件和軟件設計過程中進行周密的設計考慮，爭取可以實現運行期間所有功能的狀態設計。圖2 展示了軟件設計的流程框架。

4 結語

該項礦用多功能智能終端不僅實現了煤礦安全標準的多項認證，并將液壓支架部分在實際煤礦工作中進行了試用，分別設置在質量監控系統的主站和各個分站，輕松實現了壓力傳感器的數據采集。通過終端LCD 屏幕的多個界面可以實時顯示液壓支架的支護狀態，通過主站智能設備可以獲取所有子站的監測數據，然后將這些數據清晰地傳遞到地面上的顯示設備上來。這項多功能智能設備設置在分站和主站的已在多家煤礦中進行試驗應用。長期關注發現實際使用效果非常好，具有極大地推廣應用價值。

圖2 多功能終端軟件流程圖