基于STM32 的矿用隔爆兼本安型读卡分站

王洋洋，洪玉玲,3

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122；3.矿用设备事故仿真与模拟验证实验室，辽宁 抚顺113122）

矿井人员定位管理系统作为矿山安全避险六大系统中必不可少的一大系统[1]，不仅可以协助管理者对井下作业人员进行调度指挥，提高生产效率，更可在紧急救援时为救援人员提供重要数据，提高救援效率。读卡分站是人员管理系统中重要的标识卡识别设备，而常规的分站防爆型式为矿用本质安全型，这就需要额外关联1 台矿用隔爆兼本安型电源为其供电，增加了系统的维护量。为此设计了基于STM32f103RCT6 的新型矿用隔爆兼本安型读卡分站[2-3]，分站采用分腔设计，减轻了分站整体质量。该分站设置在井下或出入井口，通过数码管显示及语音播报的形式完成对标识卡工作状态的检测，同时可配合人脸识别仪或虹膜识别仪等设备检测作业人员所携带标识卡的唯一性，满足《煤矿安全规程》等相关要求。

1 读卡分站硬件

读卡分站电路组成包括本安电源模块、无线收发模块、STM32f103RCT6 微处理器单元、语音模块、功放单元、数码显示单元、天线及扬声器等。分站组成如图1。

1）处理单元电路。处理单元主控制器采用STM32F103RCT6，该芯片具有256 K 字节程序存储，48 K 字节RAM，采用cortex-m3 内核[4-7]，具有较高的性能、强大的软件包及技术文档的支持，同时具有较高的性价比。主控制器外围电路如图2。通过USART1 接收来自无线收发模块的数据，数据帧包括帧头、帧长、信息及校验等。主控制器对接收数据进行解析处理，通过PC6、PC7 及PC8 这3 个IO 口将标识卡卡号数据送给显示模块进行显示；通过USART3 及PB0、PB1 与语音模块进行通信，驱动语音模块将文本数据转化为音频信号。发光二极管D1闪烁可指示MPU 的运行状态，并通过PB12 由1 个9014 三极管驱动直流蜂鸣器，当标识卡欠压时，PB12 输出高电平，蜂鸣器报警提示，提醒携卡人员及时更换电池。

图2 主控制器外围电路Fig.2 Circuits around the master controller

2）本安电源。ib 等级12 V 本安电源原理图如图3。为方便地面取电，本安电源采用127～220 V 交流输入，首先由AC/DC 模块将交流转换为直流，再经LM317 三端稳压器稳压，由取样电路采集电路电流，当电流大于设定值时过流保护电路动作，切断电源输出实现过流保护；过压保护电路由电压检测电阻、三极管、MOS 管及晶闸管等组成，当电压超多设定的过压值后，MOS 管关断实现过压保护；在输出前端并联2 个稳压二极管，在输出端电压过高时起到限压作用[8-9]。过流保护及过压保护电路可将输出端能量限制在安全范围内，按照GB 3836.4—2010《爆炸性环境第4 部分：由本质安全型“i”保护的设备》的要求均采用双重保护，以达到ib 等级本质安全要求，电源最终输出12 V 本安电源。12 V 本安电源通过穿墙端子进入本安腔后经过DC-DC 电源模块转换为5 V 后再经AMS1117-3.3 输出3.3 V，给处理单元、显示单元、无线收发模块供电。

图3 ib 等级12 V 本安电源原理图Fig.3 Principle of 12 V intrinsic power supply reached ib level

3）无线收发模块。本分站采用基于UWB 技术的无线收发模块与标识卡进行双向通信，UWB 技术具有功耗低、定位精度高、抗干扰性强等优点，现已在石油化工、仓储、监狱等领域应用。本无线收发模块的芯片采用DW1000，DW1000 是完全集成的符合IEEE802.15.4-2011 标准的低功耗收发器集成电路，它可用于双向测距或TDOA 定位系统定位，精度最高可达10 cm。无线收发模块将接收到的标识卡的ID 号、电压值等消息通过USART 方式传送给STM32f103RCT6 主控制器处理。

4）语音模块。语音模块采用科大讯飞公司的XF-S4240 语音合成模块，该模块提供了USART、SPI、IIC 3 种数据通讯接口，选择USART 异步串行通信接口将来自微处理模块的文本数据转化为音频输出。语音模块引脚连接如图4。BSY 引脚为模块状态输出，用来指示模块的状态，低电平为准备就绪，高电平为忙状态。为模块复位引脚，低电平有效。

图4 语音模块引脚连接Fig.4 Voice module pin connection

5）音频功放单元。音频功放单元集成芯片采用LM386-4，内部为三级放大电路，该芯片外围器件少，静态功耗低，同时1 脚和8 脚接上1 只电阻R5和电容C9组成串联RC 网络，用来调节LM386-4 的最大电压增益倍数，WT2电位器用来调节扬声器输出合适的音量，音频功放电路如图5。

图5 音频功放电路Fig.5 The design of power amplifier circuit

6）数码显示单元。显示单元采用5 个74HC595级联的方式静态驱动5 个高亮共阳极数码管，数据串行输入，并行输出，同时该集成芯片具有数据锁存功能，通过静态驱动数码管，数码管显示不闪烁，达到理想的视觉效果。

2 分站软件

嵌入式软件移植了uc/os-III 实时操作系统[10]，该系统包含任务调度、任务管理、时间管理等功能。

2.1 主程序

主程序流程如图6。

图6 软件流程图Fig.6 Software flow diagram

首先进行各个硬件资源的初始化，包括心跳初始化、看门狗初始化、LED 初始化、74HC595 初始化、USART1 初始化、USART3 初始化等。然后进行全局变量的初始化、uc/osIII 的初始化。使用TaskCreate创建开始任务、LED 任务、USART 任务及数码显示与语音合成任务，最后执行OSStart 函数，关键代码如下。

2.2 串口数据的接收与发送

串口数据的接收和发送采用DMA（Direct Memory Access，直接内存存取）方式。串口数据格式见表1，波特率为115 200 bps。接收时，串口接收到数据后，直接由DMA 自动取走，将数据存储到内存空间，避免串口接收数据时多次进入中断，可提高微处理器的处理效率。

表1 数据帧格式表Table 1 Data frame format table

由于接收到的数据帧长不确定，采用检测串口空闲中断标志来判断数据帧是否传输完成，需要首先要在配置USART1 时使能空闲中断，运行代码USART_ITConfig

数据接收后，对数据按照数据协议进行校验，对错误帧抛弃，正确帧按照语音合成模块协议进行处理后，将数据采用DMA 传输方式通过UART3 发送给语音合成模块，当判断电压值低于设定阈值时，合成对应数据，此时，分站语音播报“电量低”。

3 结 语

设计一种基于STM32f103RCT6 的新型矿用隔爆兼本安型读卡分站。分站采用分腔式结构设计，整体质量更轻；进行了本安电源电路、处理单元电路、显示单元、功放单元等硬件电路设计，满足本质安全及性能需求；进行了嵌入式软件的设计，并移植了uc/os-III 操作系统，完成多任务的调度，并使用DMA 传输方式，节约了MPU 执行时间，提升了处理效率；分站实现了标识卡的识别、卡号的显示及语音播报，符合煤矿及非煤矿山的需要。