基于STM32 的矿用巡检仪智能终端设计

郭昊腾，吴伟丽，毛 浩，赵红菊

（1.西安科技大学 电控学院，陕西 西安710000；2.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 榆林719000；3.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；4.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

智能化巡检是未来智慧矿山的基础支撑和保障设备[1]，其作为煤矿安全管理的重要手段，可以将危险提前“扼杀在摇篮里”，有效排除安全隐患，保证工人的人身安全和生产设备安全运营。张士海[2]提出一种矿用机器人，实时采集带式输送机沿线各项监控数据, 并通过信号转换器搭建的无线网络传输到操控界面；刘健康[3]设计了针对瓦斯检测的智能巡检仪，其主机硬件电路以单片机为核心，对传感器输出信号，进行处理，控制和输出；王敏[4]采用ATMEGA32L 单片机为处理核心，通过时钟电路、键盘电路以及读卡电路等，对矿用智能巡检仪进行硬件设计，实现人员识别和地址识别。另外郭涛[5]在煤矿安全监控系统现状及发展趋势中也指出现有监控设备智能化程度低、缺乏可靠的感知交互手段，无法实时获取周边环境安全信息, 不能达到安全主动保障的目的。上述研究表明，出于煤矿井下环境复杂、设备成本、安装难易程度等多种因素，作为巡检仪重要组成的核心控制单元，其大多的只是实现对外部传感器进行数据采集、传输，功能单一且智能化、信息化程度较低。对此，设计开发一款矿用巡检仪智能终端，以集成电子技术、无线通信技术为基础，通过对矿用巡检仪外设传感器的状态控制、巡检仪本体稳定性及供电电压的监控、传感器数据采集及各个部件之间的交互通信，达到巡检仪的自身管理以及巡检环境各参数的实时监测。

1 系统原理

矿用巡检仪智能终端由主控模块和电源模块组成。主控模块以ST 公司生产的32 位微处理芯片STM32F103 作为控制核心[6-8]，通过wifi 无线通讯模块接收上位机巡检指令，对巡检仪电源电压进行采集，经过信号调理及ADC 转换，实现电量监测；电量正常时，控制外部可以搭载的超声波风速仪、断面检测仪、摄像仪等各种矿用传感器工作状态，开启数据检测和扫描；采集到的数据结果一方面进行本地传输与存储，同时还将无线传输给上位机，进行客户端的数据分析；为减少巡检仪本体晃动带来的视觉信号失焦或运动模糊，利用陀螺仪设计了本体稳定性监测功能；此外在巡检仪充电时，还可以对充电过程中的电压、电流及充电时间进行监视。电源模块设计了多路DC-DC 隔离电源，负责提供各个传感器所需高效率、低噪声的电压。

基于STM32 的矿用巡检仪智能终端架构框图如图1。

图1 基于STM32 的矿用巡检仪智能终端架构框图Fig.1 Frame diagram of intelligent terminal of mine inspection instrument based on STM32

2 关键技术

基于STM32 的矿用巡检仪智能终端原理图如图2。

2.1 本安型传感器供电

根据现有矿用传感器的电源需求，智能终端可提供多路本安型隔离电源输出。图2 中T8、T9及T10电路可以将24 V 工作电源转化成输出为5、12、18 V 本安型隔离电源。为了提高电源的转换效率，降低热损耗，采用了一款适用于电池供电系统，低功耗、高低温特性好、宽输入电压范围的DC-DC 电源芯片URB24 系列。

由于各路电源设计相同，以5 V 输出电源电路为例，其原理如图2 中的T10。通过该电路，实现24 V 电压输入转化为5 V 电压输出。电路中在输入端并联压敏电阻R9，当输入过压时，压敏电阻就会立即导通，吸收多余的电压、电流，进行电压钳位，保护后面的电路。同时在电路输入端串联二极管D1，一是隔离作用，减小后级电源对前级的影响；二是保护电源芯片U10，防止在电源关断瞬间，产生的电流倒灌和反压叠加。同样的，在电源输出端串联二极管D5，以进行类似保护功能设计。相应地，输入、输出滤波电容均采用MLCC 电容，用来降低纹波干扰。为增加电路的可视性，设计了发光二极管H1，用于显示电源是否输出。电路中电源输出端串联N 沟道MOS 开关管Q1和采样电阻R17，用于实现后续电源过流保护功能。

图2 基于STM32 的矿用巡检仪智能终端原理图Fig.2 Schematic diagram of intelligent terminal of mine inspection instrument based on STM32

供电电源采用双重过流保护，一是URB24 系列自身具有的过流保护功能；二是采用分立元件开关管、比较器、放大器及电阻电容等器件构成[9]的过流保护设计[10]，开关管Q1通过S 管脚和D 管脚串接于电源和负载之间，利用MOS 管的开关特性，控制电路的导通和断开，基本原理是一旦采样电阻采集的输出电流超过设计值则使开关管Q1关断，从而将输入与输出的电源电路切断，实现输出过流保护。采样电阻R17上的电压信号经过差分放大电路（采用差分方式，可以消除共模干扰）输出后与放大器U8B的输出基准电压Uref进行比较，负载正常时，放大后的采样电压小于基准电压，U12B的输出电平为0 V，进而控制MOS 管导通，电源电路正常输出；负载异常时，采样电阻上的电流会变大，当采样电流大于设定的阀值（输出电流1 A）时，放大后的采样电压大于基准电压，U12B输出为5 V，进而控制MOS 管断，电源电路保护无输出。运算放大器U8B、稳压管U4及电阻R7、R14、R15及R18构成电压基准电路，其U8B的输出作为后级比较器的基准电压Uref；运算放大器U8A和电阻R12、R13、R16及R19构成组成放大电路；比较器U12B和电阻R21、R22及R23组成比较电路。其中差分放大电路分析如下：

利用运算放大器基本原理，可知：

式中：Ui1、Ui2为采样电阻R2两端的采样电位；UO为电压放大输出。

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

根据此得知，采样电压Ui1和Ui2的差值经过放大电路后，其放大倍数取决于R10和R12的比值。由于电源输出的采样电压为mV 级，因此设计放大倍数50 倍，取值电阻R10为50 kΩ，R12为1 kΩ。

2.2 接口隔离保护

矿用巡检仪智能终端所有外部接口均采用隔离保护设计，以消除工业现场噪声和高低频脉冲信号对单片机系统的干扰，保证信号输出准确、稳定和可靠。对智能终端进行的隔离保护设计有2 个方面：

1）由于模拟及数字通用控制IO 口具有信号单向传输性，所以采用光耦隔离。光耦隔离是以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，从而起到输入、输出在电气上完全隔离。如图2 中T5、T6，本设计采用光耦芯片PC817 实现外部传感器电源供电的控制，通过在输入端加3.3 V 单片机电平控制信号，使得发光二极管导通发出光线，照射在受光器上后使三极管导通，输出端输出传感器供电电源（5、12、18 V），完成了“电-光-电”转换，从而实现输入、输出的电气隔离。为降低单片机功耗，单片机I/O 控制口经过由三极管Q5～Q7组成的驱动电路，再接入光电耦合器的输入端。

2）具有双向数据传输信号的RS232 和RS485总线通讯采用磁耦隔离[11]。磁耦隔离是一种基于芯片尺寸的变压器，利用平面磁场专利隔离技术和ICOUPLER 变压器专利技术，集成变压器驱动和接收电路，同时不再需要驱动LED 的外部电路，具有低功耗、高集成度等特点。如图2 中T2、T3，电路中采用ADI 公司的ADuM 系列隔离芯片ADuM1201、ADuM1401 来实现控制器和RS232、RS485 收发器之间的电气隔离，绝缘电压最高到560 V 以达到更好的抗干扰性能。该芯片具有数字接口简单、集成隔离型DC/DC 转换器、数据传输速率高、性能稳定以及提高电路的抗干扰性能等优点。

2.3 电池电压监测

智能终端设计有对矿用巡检仪电池电压监测[12]的功能，选用线性光耦HCNR200 来完成接口隔离及采样电压的电平转换。HCNR200 是一种用于模拟信号隔离的高精度线性光耦器件，如图2 中T11。在电路中，电压信号为同向输出。运算放大器U1B构成负反馈放大电路，其中电阻R3调节运算放大器输入偏置电流的大小，电容C3在起反馈作用的同时，还可消除电路中存在的高频干扰，电阻R1用于控制输入端二极管的发光强度；运算放大器U3A则构成电流-电压转换电路，其隔离采样电路分析如下：

式中：IPD1、IPD2为输入、输出隔离光敏二极管电流；Uin为输入电压；Uout为输出电压；K3为传输增益。

整理式（4）和式（5）得出：

由于K3典型值为1，是定值，因而Uin和Uout之间的关系为线性，其增益调整可以通过电阻R6和R3的值来实现。根据电池供电电压为24 V，单片机STM32F103 电压采集范围在0～3.3 V 之间，设计电池采样电压缩小倍数为0.137 5，取值电阻R6为220 Ω，R3为1.6 kΩ。为满足电路的阻抗匹配要求，在采样电压进入单片机之前，增加了由U3B构成的电压跟随器。

2.4 通讯方式

智能终端负责完成多种通讯数据传输，通讯接口布局如图2 的T2、T3及T14，采用WiFi 无线传输[13]方式，用于从上位机接收巡检计划，设置巡检流程，巡检完成后传输采集数据到上位机。电路中，选用基于UART 接口的ESP8266 模块，该模块能够将传统的串口设备接入无线网络，实现串口数据与无线网络间的信息交换。其TXD 和RXD 脚分别接单片机的PC8 口和PC9 口，PC8 作为数据发送口，PC9 作为数据接收口。为了电源的稳定性，模块使用AMS1117 制作3.3 V 电源单独供电。

采用RS232 串行通讯方式，实现对巡检仪无线充电的监控，其监控参数包括充电过程中的电压、电流、温度等。选用MAX3232 双路RS-232 收发器，将单片机逻辑信号的电平转成RS232 的电平。虽然芯片内部设置了静电保护电路，但是当应用于环境比较恶劣的场合时，可能造成通信不稳定的情况。因此，在TOUT/RIN 线端外加瞬态抑制二极管D4和D6、线缆采用屏蔽双绞线以及PCB 布局同一网络单点接大地等，有效保护RS232 通讯端口。

采用RS485 总线，实现传感器控制命令的下发和数据的接收处理。RS485 的数据信号采用差分传输方式传输，由于单片机的UART 接口电平采用的是TTL 电平，因此使用MAX13487 作为收发模块，将逻辑电平转换为RS485 协议的差分电平。MAX13487 是用于RS485 通信的低功耗收发器，包含1 路驱动器和1 路接收器。该收发器具备自动收发控制功能，省去了程序通过1 个IO 控制收发器状态的工作。同时该器件具有热插拔功能，可以消除上电或热插入时总线上的故障瞬变信号。为了防止浪涌、过压等有害信号，在电路中添加了TVS 管D9和D11、自恢复保险丝SW 端口保护措施。

2.5 软件架构

矿用巡检仪智能终端除了对外部电气设备的硬件控制外，其更重要的功能是实现各路传感器的交互工作、井下环境数据的传输、巡检时间规划等。采用模块化设计思想，通过分析软件功能、总体架构设计及模块详细设计，实现智能终端软硬件协同工作。软件设计采用环境为Keil-μVision4，软件流程图如图3。

图3 程序流程图Fig.3 Program flow chart

3 结 语

依托于张家峁煤矿回风巷道人工巡检存在的问题，基于现有巡检装置缺少智能化管理单元，设计了矿用巡检仪智能终端。通过对智能终端软、硬件的研制与开发，实现了对矿用巡检仪的智能化管理，已经使用于张家峁煤矿，代替人工巡检，解决人员劳动强度大，巷道检测信息不能及时传达等问题。智能终端集成度高、实时更强、数据处理更高效，尤为适合于井下离线巡检。