基于Si4463的电磁调速采煤机总线型遥控器的研究与实现

贺洪江，任建涛

（1.河北工程大学 装备制造学院，邯郸 056038；2.河北工程大学 信息与电气工程学院，邯郸 056038）

近些年，随着我国煤炭储存量的迅速减少，薄煤层煤炭开采技术以及开采效率已引起业内高度重视。目前，大多数采煤机的控制方式主要包括机载控制器控制和远程无线遥控控制2种方式。但在实际工作中，受煤矿井下恶劣环境因素限制，通过机载控制器控制采煤机的难度非常大，因此目前采煤机控制主要以无线遥控为主[1]。相比交流变频调速和开关磁阻调速而言，电磁调速采煤机的突出优点是结构简单、容易维护，制造成本低、牵引功率大、启动转矩大、使用可靠等。基于此设计一款高性能、易操作的采煤机遥控器具有重要意义。

1 总线型遥控器

总线型遥控器主要包括无线遥控主机（无线手持设备）和无线遥控副机（无线机载设备）。无线遥控副机采用硬件RS485总线接口和软件Modbus协议，与采煤机主机进行互联，应用性广[2]。与传统数字型采煤机遥控器相比，其突出优点是[3-4]：（1）采煤机电控系统中无需预留数字量点，硬件接口简单，协议通用性强；（2）采用射频通信，解决了传统编码通信传输距离短、误码率高等缺点；（3）通信数据及通信协议具有可编程性，规避了传统采煤机遥控器数据传输固定、单一等缺点；（4）遥控主机可实时显示采煤机的运行参数、实时状态等，便于操作人员实时了解采煤机运行状态并作出相应的控制操作，从而实现采煤机无线闭环控制。其缺点是：采煤机电控系统需解析遥控器数据协议，给系统软件编写增添一定的困难。

2 系统结构及功能

2.1 系统结构

无线遥控主机采用ST公司超低功耗CPU—STM8L101F3P6为核心处理器，以及多种硬件电路，如电源电路、无线收发电路、按键电路、LCD液晶显示电路等。无线遥控副机以STM32F103C8T6为控制核心，Modbus接口电路为硬件平台。无线遥控副机与采煤机主控制系统之间采用RS485总线相连，并通过Modbus协议进行数据传输。采煤机主控制系统作为Modbus主站，无线遥控副机作为Modbus从站，从而便于采煤机控制系统实时采集遥控器数据。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of system structure

2.2 系统功能

采煤机启动后，采煤机主控系统将采煤机的运行参数实时写入无线遥控副机指定的寄存器中，同时读取相应无线操作指令寄存器数据，若操作人员没有进行无线控制，则无线遥控副机无线操作指令寄存器数据为空，否则为非空。另外，无线遥控副机每隔1 s将采煤机运行参数通过无线模块发射出去。

无线遥控主机系统以超低功耗单片机STM8L101F3P6和超低功耗无线射频芯片Si4463为核心，操作人员通过遥控主机面板上按键发送相关控制指令，经无线传输，遥控副机收到数据后进行解析并将相关数据存入对应的寄存器内，同时无线遥控主机接收无线遥控副机发出的采煤机运行参数数据，并在遥控主机LCD液晶上显示出来，从而形成采煤机无线闭环控制[5]。

3 系统硬件设计

3.1 CPU选型

采煤机无线遥控主机采用ST公司的超低功耗单片机STM8L101F3P6，STM8L101F3P6采用高性能8位内核，在16 MHz运行频率下，高达16 MIPS，内置RC振荡器。2个超低功耗模式：暂停模式下0.35 μA；活跃暂停模式下0.8 μA（带有自动唤醒单元）。多数IO端口可驱动大电流，同时快速的时钟切换非常适用于无线遥控设备。

3.2 无线射频电路设计

3.2.1 Si4463 EZRadioPRO简介

Si4463 EZRadioPRO无线射频芯片是Silicon Labs公司生产的低功耗、高集成度单芯片收发器，其最大输出功率高达+20 dBm，可实现远距离无线数据传输。灵敏度为-126 dBm，Si4464的工作频率119 MHz～960 MHz，PA 支持+27 dBm 或+30 dBm，采用（G）FSK，4（G）FSK，（G）MSK，OOK 和 ASK 调制，数据传输速率 100 b/s～1 Mb/s，工作电压 1.8 V～3.6 V，关断电流30 nA，待机电流50 nA。同时还支持跳频功能。Si4463在活跃模式下接收（RX）电流为10 mA，发射（TX）电流为18 mA，极低的待机电流和快速唤醒时间非常适合电池供电系统[6]。因此Si4463其卓越的输出功率和出色的TX效率是目前无线射频传输市场的理想选择。

3.2.2 Si4463工作原理

Si4463和STM8L101F3P6的连接方式如图2所示。单片机采用硬件SPI接口与Si4463连接。SDN是Si4463模式控制线，CS是片选端，低电平有效，SCK是芯片时钟控制线，SDI、SDO是数据传输线，INT是中断信号线。在Si4463器件内部，功放和LNA并没有连接。在使用Si4463收发器的时候，TX和RX引脚可以直接连接在一起，而无需RF开关。在使用Si4463最高输出功率设置时，发射和接收引脚通过一个SPDT（单刀双掷）RF开关分别连接到天线。Si4463器件能进行RF开关控制。通过将RX State和TX State信号送到任意2个GPIO，即可自动控制RF开关。根据工作模式，GPIO控制RF开关自动将天线连接到接收通道或发射通道。如果芯片未处于激活模式，GPIO将禁止RF开关。

图2 无线模块连接电路Fig.2 Wireless module circuit connection

Si4463收发数据包字段包括引导码（preamble）、 同步字 （sync word）、 有效数据长度（payload length）、有效数据（payload）以及 CRC。 其中引导码（preamble）是数据中具有连续边沿变化的一串已知的序列，用于同步发射器和接收器。在发射器和接收器同步之后，接收器必须找到数据段中的有效数据从什么地方开始，即已知位字段来帮助识别有效数据同步字（sync word）。有效数据长度有助于接收器正确、快捷地解析数据包中有效数据载荷。如果在通信过程中受到干扰，将会引起一系列的位错误，因此CRC校验有助于保证接收数据包的正确性。数据包格式如表1所示。

表1 数据包格式Tab.1 Packet format

Si4463内置数据包处理器便于自动进行数据包发射。数据包参数初始化后只需将有效数据传送到FIFO，数据包就会自动进行发射。整个数据包的建立和发送都是由器件完成的，而不用微处理器，缩短了处理器处理数据时间，提高了遥控器的发射效率。

3.3 系统电源电路设计

无线遥控主机系统的特点是便于携带，本系统采用铅酸电池（VRLA）供电。铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。其较传统干电池以及锂电池的优点在于：（1）能够进行快速充电以及浮充充电，并且使用寿命长；（2）质量稳定、可靠性高，为煤矿井下操作提供安全保障；（3）结构简单、价格低廉。本系统采用6 V/1.3 Ah的铅酸电池，经估算，在正常工作模式下最大功耗在20 mA，可保证遥控器50 h的工作时间，系统在休眠状态下最大功耗在80 μA，可保证遥控器保持休眠待机状态12500 h。另外，当电池没电时，可对铅酸电池进行浮充式充电，便于反复使用。

无线遥控主机系统电源芯片采用HT7533，HT7533是一款负载调整能力强、线性性能好、低功耗的稳压芯片。无线遥控副机电源由采煤机主控系统提供，电源稳压芯片采用LM2596，其出入电压范围广，通用性强，适用于多种电源供电。

4 软件设计

4.1 按键扫描和液晶显示设计

按键采用外部中断触发方式，为了降低系统功耗，系统上电启动后立即进入休眠模式，当有按键按下时，触发外部中断唤醒CPU。另外，本系统在软件和硬件上都已设计按键防抖功能，确保按键指令的正确输入。因此，系统软件只需检测外部中断即可。

为了最大限度降低系统功耗，无线遥控主机在处于休眠状态时，系统关闭液晶背光灯，只有当操作人员按下按钮查看采煤机运行参数时，才将液晶背光打开。

4.2 无线数据收发设计

根据采煤机工业现场控制需求，遥控主机在完成初始化后系统便进入halt模式，在休眠模式下系统工作电流在80 μA左右。操作人员在进行相应控制操作时，通过按键触发单片机外部中断，唤醒单片机，同时唤醒无线模块进入工作模式。遥控主机每完成一项指令发送任务，相应的发射信号灯闪烁一次，否则不亮。

遥控副机通过采煤机控制系统供电，在采煤机系统启动并完成一系列初始化后，遥控副机作为Modbus从站开始实时存储采煤机运行参数最新值，每隔1 s将采煤机运行参数通过无线模块发射出去，同时判断是否有无线控制指令，以便及时、准确地将控制指令传输给采煤机控制系统完成远程控制操作。遥控器无线数据收发软件设计流程如图3和图4所示。

图3 遥控主机程序流程Fig.3 Remote host program flow chart

图4 遥控副机程序流程Fig.4 Remote slave program flow chart

4.3 Modbus协议应用

工业现场设备间通信一般采用Modbus协议，Modbus协议支持多种电气接口，如以太网、RS485、RS232等，因此本系统无线机载装置和采煤机载控制器之间采用Modbus数据通信协议，既保证了无线系统具有一定的适用性，也提升了数据传输的可靠性，从而加强了无线遥控系统的性能参数。在本系统中，采煤机控制器作为Modbus主站，实时查询无线遥控副机中定义的相关寄存器，以便及时、准确地读取远程遥控器的控制指令。

5 结语

本文介绍了以STM8L101F3P6和Si4463为核心的采煤机总线型遥控器系统，不仅满足传统无线遥控器控制功能，还具有参数显示、实时监控、自我保护功能，从而实现采煤机无线遥控闭环控制。另外，它具有超低功耗、灵敏度高、体积小、扩展性好、设计简单等特点，其较强的抗干扰性保证了煤矿遥测数据双向传输的稳定。但考虑到矿井作业，该系统还需在防爆方面做进一步优化。

[1]江帆，李伟，张传书.基于C8051F021的采煤机遥控系统设计和研究[J].矿山机械，2011，39（2）：30-33.

[2]刘策越，王伟，赵欣.MG561电磁调速采煤机遥控器研究与实现[J].自动化技术与应用，2014，33（3）：50-53.

[3]高原，李云.基于AVR嵌入式系统的采煤机智能遥控器设计[J].煤矿机电，2012（5）：16-18.

[4]徐恳，朱屹生，朱敏.液压牵引采煤机的无线遥控装置设计[J].煤炭科学技术，2010，38（8）：107-110.

[5]程冬，丁保华，李威.基于片上系统CC2530的采煤机远程遥控装置设计[J].矿山机械，2010，38（3）：19-21.

[6]Silicon Laboratories.Si4464/63/61/60 datasheet[Z].Revision 1.2 Copyright，2012.