基于STM8的低功耗无线通信模块在矿用本安仪器中的应用设计*

连　杰，陈　刚，田小超

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

基于STM8的低功耗无线通信模块在矿用本安仪器中的应用设计*

连杰，陈刚，田小超

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

摘要：基于STM8的低功耗模块实现了矿用本安仪器的无线通信。提出了无线通信系统的整体结构，遵循本安性、兼容性和低功耗原则优化改造现有的矿用本安仪器，分析了实现矿用本安仪器之间采用无线数传通信的技术难题，包括通信协议和功耗问题，系统功能主要由SX1212与单片机ST公司的低功耗单片机STM8L101F3实现，设计了系统电源电路和本安电源电路，其中本安电源电路具有热保护功能，可以防止器件过热。研究结果表明，模块在改动极小的情况下，既可以使本安仪器之间实现无线通信，又几乎不影响仪器原有的性能指标，解决了矿井有线通信的难题。

关键词：无线通信；低功耗；本质安全

目前，在煤矿井下复杂的工况环境中，矿用本安仪器之间传输数据多采用有线的方式连接，不仅操作繁琐，插头和线缆的可靠性也影响仪器的长期稳定使用；因此，需要对其传输技术进行改进。随着科学技术的发展，无线通信模块的出现解决了上述操作繁琐等问题。本文基于STM8的无线通信模块，实现了矿用本安仪器的无线数据传输。

1总体结构概述

该设计总体结构如图1所示，无线数传通信模块主要包含如下几个部分：MCU控制部分、射频通信部分、本安电源部分和外围接口部分[1]。

图1　总体结构

2设计原则

设计该无线通信模块的目的是为了优化改造现有的矿用本安仪器，既要与现有的仪器匹配兼容，又不能影响现有仪器的性能指标。为保证上述目标，设计制定了本安性、兼容性和低功耗等3个原则。

2.1本安性

本安即本质安全，指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。

本设计在电源电路上采用两级低功耗LDO进行稳压，输入5 V，输出3.3 V，同时在LDO后级采用两级过流过压保护电路，一旦产生过流过压现象，切断LDO输出，保证本安性能。

2.2兼容性

在原有需要传输数据的矿用本安仪器中，多采用RS232或者RS485方式通信。外围电路通过通用的串行接口实现现有仪器与该无线模块的数据通信，能够很好地兼容原有仪器，在更改最小的情况下实现本安仪器之间的无线通信。

2.3低功耗

矿用本安仪器因限制能量保证本质安全，多采用电池供电，对功耗的要求极为苛刻。本设计在器件选型上选用了STM8L系列超低功耗的MCU，休眠模式仅耗电1.5 μA的无线通信芯片SX1212和静态电流低至30 μA微功率稳压器，在一定程度上保证了模块较低的功耗；同时，设计通信协议为收发数据帧格式由四部分组成：前导符、同步码、有效载荷和CRC校验码，充分利用了SX1212的省电模式。在该模式下，接收机在一个休眠周期后搜索信道中是否有前导符存在，如果没有则立刻休眠等待下一个休眠周期后再搜索，反之则处于接收状态，等待同步码到来，将数据接收下来，置低模块状态指示(AUX)，串口输出结束后关闭串口，置高AUX进入睡眠模式，等待下一个休眠被唤醒。为了使目的接收机时钟和发送机同步，模块设计数据帧中的前导符为一串>1 s的1010。主要功能是为了能唤醒接收模块，使其进入正常接收数据。设置接收端每1 s自唤醒一次，每隔1 s醒来一次搜索前导符。而发射机首先发射>1 s的前导符后再发射同步字及数据，也就是说接收机在唤醒的周期，只要发现信道中有前导符，正常情况下都能成功检测到并唤醒接收。

通过上述方式，在可靠接收数据的同时，让无线通信模块更多的工作在低功耗的省电模式中，仅约15 μA的平均待机电流对本安仪器本身电器性能影响微乎其微，几乎不会减少原本的可使用时间。

3系统电路设计

系统功能主要由SX1212与单片机ST公司的低功耗单片机STM8L101F3实现，SX1212与STM8L通信采用SPI接口，与外部终端通信采用UART接口。STM8L基于8位STM8内核，与STM32L系列一样采用了专有超低漏电流工艺，利用最低功耗模式实现了超低功耗。其中STM8L101系列最低功耗模式电流仅为0.30 μA，动态运行模式下电流为150 μA/MHz。

SX1212是SEMTECH公司推出的一款超低功耗的单芯片无线芯片，频率为300～510 MHz。SX1212经过优化具有非常低的接收功耗，典型接收电流为2.6 mA，远小于同类收发器的接收电流。工作电压为2.1～3.6 V，最大发射功率为+12.5 dBm[2]。另外，SX1212集成度非常高，其包含了射频功能和逻辑控制功能的集成电路，内部集成了压控振荡器、锁相环电路、功率放大电路、低噪声放大电路、调制解调电路、变频器和中放电路等。此外，它整合的基带调制解调器的数据传输速率高达150 kbps，其数据处理功能包括一个64字节的FIFO、包处理、自动CRC生成和数据白化。SX1212高度集成的架构允许最少的外部元件数量，同时也保证了设计的灵活性。所有主要的射频通信参数均可编程，其中多数可动态设置。由于SX1212集成度非常高，需要的外围电路零件比较少，关键在于设计RF前端的匹配电路。另外在PCB布线时，高频部分的走线用了非常短粗的线，元器件参数也根据线路板的实际情况作出了适当的调节，以抵消分布参数的影响。一般的RF芯片发射与接收端口的阻抗并不是标准的50 Ω阻抗，要达到最佳的接收效果，应将输入阻抗通过外围器件的补偿，使之与50 Ω的天线匹配[3]，电路如图2所示。

图2中Y2是声表面滤波器，用于衰减规定频带以外的信号，L2、C3、C22构成了阻抗匹配网络，L4、L5分别是压控振荡器电感和调整压控振荡电感，可以使模块工作于不同的频率，C7、R3、C8构成了锁相环电路。

在本安电源电路设计中，采用了Linear公司的微功率稳压器和Maxim公司的微功率过流过压保护芯片，静态电流低至30 μA，电路如图3所示，其中LDO输出电压由R1、R2、R3和R4决定，过压保护门限由R7、R8、R10和R11决定，R9、R12决定过流保护门限。

图2　系统电路图

图3　本安电源电路

采用此电路后，若达到设定过压过流门限值时，输出时序将如图4所示，tBLANK定时器开始计数。如果过流条件的保持时间达到tBLANK，则触发FLAG报警指示。如果过流条件在tBLANK时间之前消除，则复位定时器。达到时间tBLANK后， 立即开始重试延时tRETRY， 在tRETRY时间内，FET保持关断。tRETRY结束后，FET再次导通。如果仍然存在故障，则重复该循环，FLAG保持为低电平。故障消除后，FET保持导通。

自动重试功能降低了过流或短路条件下的系统功耗。tBLANK期间，当开关导通时，供电电流保持在电流门限以内。在tRETRY期间，当开关关断时，没有电流流过开关，所以平均输出电流远远小于所设置的限流值。采用下式计算平均输出电流：

图4　故障状态下重试时序图

如果tBLANK为20.7 ms (典型值)，tRETRY为600 ms (典型值)，占空比为3.3%，则会降低96.7%的功耗，保证电路的安全性能。

此电路所用器件同时具有热关断功能，热保护功能没有故障屏蔽时间，以防器件过热。如果结温>+150 ℃ (典型值)，器件关断，同时触发FLAG报警。结温冷却至30 ℃ (典型值)后，器件退出热关断状态并恢复常规工作；热保护功能与限流类似，热保护限值与自动重试定时器配合工作。

4结语

本文设计的低功耗无线通信模块可用于矿用本安仪器的升级改造中，模块基于STM8L和SX1212设计，兼具兼容性、低功耗和本质安全等性能，在改动极小的情况下，既实现了本安仪器之间的无线通信，又几乎不影响仪器原有的性能指标。

参考文献

[1] 严冬,张森,何镜.基于STM32F103的433MHz频段无线数传模块的设计[J].科技视界,2014(1)：81-82.

[2] 李恒焕,隋振中.一种基于SX1231的无线数传模块的设计[J].河南机电高等专科学校学报,2011(2)：5-8.

[3] 李昌斌,马莉,房雪莲,等.无线数传模块的应用[J].信息技术,2012(7)：69-71.

* 中煤科工集团西安研究院有限公司2014年度科技创新基金项目(2014ZD006)

责任编辑郑练

Low Power Wireless Communication Module Application based on STM8 in Mine Safety Instrument Design

LIAN Jie, CHEN Gang, TIAN Xiaochao

(CCTEG Xi’an Research Institute ,Xi’an 710077,China)

Abstract：Because of the cumbersome nature of the wired communication, present mine intrinsically safe instrument of wireless communication. Based on low-power module of STM8 implements First，it presents the overall structure of a wireless communication system, follow the principle of safety, compatibility, and low power consumption optimization to transform the existing mine intrinsically safe instrument. Analyze the realization of mine among intrinsically safe instrument using wireless digital communications technical problems, including communications protocol and power consumption. The system function is mainly realized by SX1212 and the low-power single-chip microcontroller STM8L101F3 produced by ST company. Design the system power supply circuit and intrinsically safe power supply circuit which has thermal shutdown function and thermal protection feature, preventing the device from overheating. The results show that the module with small changes can make intrinsically safe equipment realize wireless communication when not afferting the performance of the original instrument, and solves the problem of mine wired communications.

Key words:wireless，low power consumption, intrinsically safe

收稿日期：2015-02-26

作者简介：连杰(1987-)，男，助理工程师，主要从事地球物理勘探类仪器仪表研发工作。

中图分类号：TN 806

文献标志码:A