【文章內(nèi)容簡介】 的接入無線網(wǎng)絡(luò)中，極大 程度 的提高了信息 分析 處理能力。 重新 布線 ， 省去了施工 造成 的 成本 ：無線局域網(wǎng)利用無線 電波 傳輸信號， 解決了 于難于布線的環(huán)境中搭建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò) 的技術(shù)性難題 。 ： 在工業(yè) 控制 現(xiàn)場，鋪設(shè)的 線纜 及其 容易受到 外界 的 接觸導致破損 ，無線網(wǎng)絡(luò)則保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性 與穩(wěn)定性 。 較 廣：無線局域網(wǎng)在開放空間覆蓋半徑 可達 達 550 米，室內(nèi)一般覆蓋半徑為 300400 米，通過室外無線設(shè)備傳輸距離可以達到幾十公里 ，可是同樣存在著缺點，那就是無限信號的穿 6 墻能力弱 。 無線局域網(wǎng) 現(xiàn)主要應(yīng)用在遠程視頻傳輸、安防管理系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)自動化、醫(yī)療 /實驗儀器聯(lián)網(wǎng)自動化、工業(yè) /流程聯(lián)網(wǎng)控管等領(lǐng)域。 （ 3）藍牙 無線 技術(shù) (Bluetooth) 藍牙 無線通訊技術(shù) 是由東芝、愛立信、 IBM、 Intel和諾基亞于 1998 年， 共同提出 的近距離無線數(shù)字 通訊 的技術(shù)標準。從提出該技術(shù) 至今 ，藍牙技術(shù)的發(fā)展 極其 迅速。藍牙作為 一種新生 的 ， 短距離無線 通訊 技術(shù)標準，受到全世界 范圍內(nèi)的 越來越多 的 工業(yè)生產(chǎn)廠家 與 研究機構(gòu)的 重點 關(guān)注。近 幾 年來，世界上一些權(quán)威的標準化組織，也都在 考慮 藍牙技術(shù) 的 標準 是否有缺陷 。例如， IEEE 的標準化機構(gòu)，已經(jīng)成立了 工作組，專門關(guān)注有關(guān)藍牙技術(shù)標準的兼容 性問題 和未來的發(fā)展 方向 等問題。 IEEE TG2 是探討藍牙如何與 IEEE 802． 11b 無線局域網(wǎng)技術(shù)共存的問題；而 IEEE TG3 則是研究未來藍牙技術(shù) ， 向 著 更高速 (如 1020Mbits/s)傳輸 發(fā)展的問題。國內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家與研究部門也準備開始組織藍牙技術(shù)產(chǎn)品的 研發(fā) 。 藍牙是取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線 通訊 技術(shù)，工作頻段是全球開放的 民用的 頻段，可以同時進行數(shù)據(jù) 、 語音 、圖像等 傳輸，傳輸速率可達到 10Mb/s，使得在其范圍內(nèi)的各種信息化設(shè)備都能實現(xiàn)無縫資源共享。藍牙技術(shù)的應(yīng)用 極其 廣泛且 富有 潛力。它可以應(yīng)用于無線設(shè)備、圖像處理設(shè)備、安全 設(shè)備 、 娛樂設(shè)備 、汽車產(chǎn)品 設(shè)備 、家用電器、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。 （ 4） GPRS 技術(shù) GPRS（ General Packet Radio Service，通用分組無線 通訊 業(yè)務(wù)）是一個疊加在 GSM上專為高速數(shù)據(jù) 通訊 而設(shè)計的新 型 網(wǎng)絡(luò)，屬于分組交換數(shù)據(jù) 的 承載和傳輸 的一種 方式，稱為 數(shù)字移動 通訊 技術(shù)，是 GSM 向 3G移動 通訊 發(fā)展的必經(jīng)階段。它充分利用 了現(xiàn)有 的 移動 通訊 網(wǎng)絡(luò) 的 設(shè)備，通過在 GSM 網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件 算法上的 升級形成 的 一個 新型 的網(wǎng)絡(luò)邏輯實體，手機通話繼續(xù)使用 GSM，而數(shù)據(jù)傳輸則使用 GPRS。它采用分組交換方式傳輸數(shù)據(jù)，理論上最高數(shù)據(jù)速率可達 170Kbps，客戶可以在移動狀態(tài)通話的同時使用各 種高速數(shù)據(jù) 傳輸 業(yè)務(wù)。通俗的 說 ， GPRS 是一項高速數(shù)據(jù)處理的科技，它 是 以分組交換技術(shù) 作為技術(shù) 基礎(chǔ)， 將 移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 之間建立起來聯(lián)系 ，用戶通過 GPRS 可以在移動狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS 目前支持 TCP/IP 和 業(yè)務(wù)、 GPRS 空中接口加密、 GPRS 附加業(yè)務(wù)、增強型短信業(yè)務(wù)、 GPRS 分組數(shù)據(jù)計費 等等，其中最顯著的是 TCP/IP 和 功能，可以通過 TCP/IP 和 提供電子郵件、 WWW 7 瀏覽、專用數(shù)據(jù)、 LAN 接入等業(yè)務(wù)。 GPRS 采用分組交換技術(shù)，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有 顯著的 優(yōu)勢，每個用 戶可同時占用多個無線 傳輸通道 ，同一無線 傳輸通道 又可支持 由多個用戶 互相 共享， 能將無線網(wǎng)絡(luò)上的信息資源利用的更加充分 ，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸；支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，理論 最快速度可 達 170Kbps；按數(shù)據(jù)流量計費的 計算 方式更加靈活； GPRS 還支持在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進行語音通話。 本次系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)應(yīng)用的實際情況采用 Zigbee 無線通訊技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn) 架空人車 系統(tǒng)的監(jiān)控 、 控制 、語音通訊等 功能。 8 2 架空人車通訊 監(jiān)控 系統(tǒng)整體 方案 設(shè)計 整體系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 及 功能 的 設(shè)計 礦山井下 架空人車通訊監(jiān)控系 統(tǒng)的 主要 功能是 地面控制室 人員 對架空 車廂進行 實現(xiàn)監(jiān)控， 架空車廂 內(nèi)的人員可以在意外事故發(fā)生 時 按下緊急按鈕 ，及時的 通知 地面 控 制 室采取有效 的安全 措施， 阻止事故的 發(fā)生。 由于 架空人車 在 工作中 不停 的 移動 ，傳統(tǒng)的有線傳輸 無法在 架空人車 上進行 安裝，因此 本 設(shè)計 采用無線通訊模塊作為 架空人車 和 地面控制室 人員 進行信息交換和語音傳輸?shù)?傳輸工具。 但是井下 和地面間的距離 太 遠， 而且線路不是直線 ，單純的 只用 無線模塊無法將 數(shù)據(jù)完好 的傳輸至地面 的控制臺 ， 由于 這種 現(xiàn)實 情況 的限制 ， 我們在井下 和地面間 設(shè)立了 中繼站 ， 中繼站 通過無線模塊和 架空人車 通訊， 再 通過 CAN 總線 將數(shù)據(jù)傳輸至 控制臺， 進而 間接地 實現(xiàn)了 架空人車 和 控制臺 的通訊。 綜上所述 ， 可 將整個系統(tǒng)主要分為三個 部分：架空人車的轎廂通訊機（以 下簡稱轎廂機）， 中繼站和控制臺（地面的總控制室）。轎廂機 安裝在 架空人車的 轎廂內(nèi) ，控制臺安裝 在 地面 的控制室 內(nèi) ， 控制室 的人員通過 控制臺 監(jiān)控 轎廂的 運行狀況并與轎廂內(nèi)的人員 通訊 。 中繼站安裝 在轎廂 運行 的巷道內(nèi)， 將 轎廂機的數(shù)據(jù) 通過無線接收到中繼站，再將接收到的數(shù)據(jù)通過 CAN 總線傳輸?shù)娇刂婆_ 。在地面控制室安裝 控制臺， 地面人員通過 控制臺 和轎廂內(nèi) 人員進行語音 通訊，并監(jiān)控 各個 轎廂運行狀況。 系統(tǒng) 設(shè)計的整體 框圖 如圖 21 所示 。 上 位 機節(jié) 點 機 2 節(jié) 點 機 3節(jié) 點 機 1 節(jié) 點 機 N? ? ?轎 廂 1 轎 廂 5 轎 廂 N? ? ?? ? ? 圖 21 系統(tǒng)設(shè)計 整體 框圖 All system block diagram 車廂與上控制臺 通過 中繼站收發(fā) 無線信號進行語音通信， 轎廂 中的工人可以隨時向地面控制室報告 車廂 的 運行狀態(tài) 并請求相關(guān) 指令 ，控制 臺 也可以隨時詢問各個 車廂 的運行 狀態(tài) 以便做出 相應(yīng)的 調(diào)整。如果地面控制 臺 距離較遠，可以在礦井和控制 臺間增加中 9 繼站 以確 語音 保 通訊的 質(zhì)量 和轎廂的信息指令準確 。 系統(tǒng)設(shè)計完成 以后 ，控制 臺 可以一對一選擇不同 的車廂 進 行通訊，也可以 以 廣播的方式對各 車廂 播報 一些 信息，每個 車廂 中工人也可主動要求與控制室 進行 通訊，實現(xiàn)雙向通訊。 系統(tǒng)的各部分功能及實現(xiàn)方案如圖 22 所示。 架 空 人 車 系 統(tǒng)轎 廂 機節(jié) 點 機 上 位 機主控制器語音模塊無線通信鍵盤輸入485 總線LCD顯示485總線主控制器無線通信主控制器語音模塊 圖 22 系統(tǒng) 功能結(jié)構(gòu)圖 System function structure chart 轎廂機 系統(tǒng) 設(shè)計 轎廂機 是本系統(tǒng)被監(jiān)控的 主要部分 ，是整個設(shè)計的核心。在這 部分 中主要分為無線通訊 模塊，語音 編解碼 模塊 ， 電源模塊 以及主控制器 。另外，為了提供 更好的 人機交互界面和方便 的可操作性 ， 轎 廂 內(nèi)部還 設(shè)有 有 按鍵 部分。 圖 23 為轎廂機系統(tǒng)的組成。 主 控 制 器 模 塊無線通信模塊語 音 處 理 模 塊電源模塊鍵 盤 輸 入 圖 23 轎廂機 系統(tǒng)組成 Subsystems of cable car 中繼站 系統(tǒng) 設(shè)計 中繼站 作為 控制臺 和轎廂機間的 紐帶，用于傳輸控制臺 和轎廂機的數(shù)據(jù)，主要工作方式 是通過無線模塊接收 轎廂機 的信號并讀出其中的數(shù)據(jù)，然后再經(jīng) CAN 總線將接收 10 的數(shù)據(jù)發(fā)送給 控制臺 。 其 主要 由電源 模塊，無線 通訊 模塊， CAN 總線接口以及主控制器組成。 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 24 所示。 無 線 通 信 模 塊主 控 制模 塊4 8 5 總 線接 口系 統(tǒng) 供 電 電源 設(shè) 計無 線 通 信 模 塊主 控 制模 塊4 8 5 總 線接 口系 統(tǒng) 供 電 電源 設(shè) 計1 號 節(jié) 點2 號 節(jié) 點4 8 5 總 線圖 24 中繼站 系統(tǒng)組成 Node machine subsystems 控制臺 系統(tǒng) 設(shè)計 控制臺 主要完成與 轎廂機 系統(tǒng)的通訊，確保監(jiān)控功能 與語音通訊 的實現(xiàn)。在控制 臺的工作人員可以通過按鍵來 設(shè)置 通訊方式， 選擇是 以廣播方式發(fā)布消息， 還 是一對一的方式和某一個 車廂 進行通話這時需要通過按鍵來選擇通訊的對象，同時 在顯示 屏 上可以實時顯示當前控制器所處的工作模式 和 通話 轎廂 的編號，如圖 25 所示 為 控制臺 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 ， 其中 包括語音 通訊與 處理 模塊 ，鍵盤控制模塊， 主控制器 模 塊 、 顯示模塊以及 CAN 總線接口 。 主 控 制 器 模 塊LCD顯示4 8 5 總 線 網(wǎng)絡(luò) 通 訊語 音 通 訊 與處 理 模 塊鍵 盤 控 制 模 塊 圖 25 控制臺系統(tǒng) 組成 Control room system ponents 上述為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，下面主要對轎廂機，中繼站和 控制臺 三部分進行介紹。 11 3 轎廂機系統(tǒng)設(shè)計 轎廂機結(jié)構(gòu) 設(shè)計 轎廂機系統(tǒng)安裝在架空的乘人轎廂中，車內(nèi)的人員通過轎廂機系統(tǒng)與井上控制臺人員通訊。轎廂 作為被監(jiān)控的對象，是整個 系統(tǒng) 設(shè)計的主要組成部分。工作人員在乘 轎廂下井的過程中 ， 需要隨時和地面上的控制 臺 保持 聯(lián)系， 為了 確保 轎廂 正常 運行 和工作人員的人身安全。如圖 31 所示，在 轎廂機系統(tǒng) 中，裝有 主控芯片 ，無線 通訊 模塊，語音編解碼 模塊 等 。工人可以隨時向控制 臺 發(fā)出通話請求建立通訊，同時也可以在沒有通話時接收控制 臺 的廣播信息，方便執(zhí)行任務(wù)。 轎 廂 機主控制器語音模塊無線通信鍵盤輸入 圖 31 轎廂機系統(tǒng) Fig. 31 cable car system ponents 轎廂機 的 硬件設(shè)計 轎廂機主控制器電路 主控制器 是整個設(shè)計的控制核心，無線 通訊 和語音的編解碼都由單片機的控制來 完成?？紤]到整個系統(tǒng)對 單片機的運算速度 和資源的要求， 本 設(shè)計中采用的 主 控制 器 芯片是 MK60DN512ZVLQ10（簡稱 K60） 。 MK60DN512ZVLQ10 單片機是 Freescale 半導體公司自主設(shè)計并制造的 32 位高性能通用 嵌入式 微處理器 。 MK60DN512ZVLQ10 是CortexM4 系列的 ARM，內(nèi)部的數(shù)據(jù)是 32 位的，寄存器是 32 位的，存儲器接口也是 32位的。 MK60DN512ZVLQ10 采用哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行進行，大大提高運算速度。 K60 芯片使用多組電 源引腳分別為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、 I/O 引腳驅(qū)動、 A/D 轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器位內(nèi)核和振蕩器等供電。 K60 控制器 技術(shù)成熟，可靠性 強 ，抗干擾 與 電磁兼容性 非常 強，內(nèi)部資源 非常多，接口模塊包括 SPI、 SCI、 I2C、 UART、 CAN、 A/D、 PWM、 Flash 等 等。 主頻晶振 12 為 50MHz，可以通過鎖相環(huán)電路，將單片機的工作頻率倍頻到 200MHz，且穩(wěn)定工作，大大提升單片機的運算速度。 它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機電產(chǎn)品 等 應(yīng)用領(lǐng)域 中 具有廣泛的 應(yīng)用 ，而且在 Flash 存儲控制及加密方面也有很強的功能 ，片內(nèi)具有512kb 的 Flash 模塊，可以存儲大量數(shù)據(jù)，無需外加 EEPROM 芯片。主控 芯片電路圖如圖 32 所示。 圖 32 主控芯片 MK60DN512ZVLQ10 Master chip MK60DN512ZVLQ10 雖然 MK60DN512ZVLQ10 將 CPU、 ROM、 RAM 以及 IO 統(tǒng)統(tǒng)集成在一個集成電路芯片中，但 仍然需 要一些 匹配的 外部電路 。 主控制器模塊外圍電路如圖 33 所示。包括電源 供電 指示燈電路，晶振 時鐘 電路，復位電路以及 JTAG 程序下載電路 。 JTAG 程序下載端口結(jié)合機載軟件 IAR 可實現(xiàn)程 序的單步或同步調(diào)試功能，可以在線仿真同步看變量動態(tài)數(shù)值等人性化的功能。復位電路 的 作用 是 當系統(tǒng)處于不穩(wěn)定工作時或跑飛時，可按下復位鍵使程序從頭重新運行。晶振時鐘電路主要 給 主控芯片提供工 13 作時鐘，它決定著系統(tǒng)工作速率的快慢， 輸出端分別接 K60 的 EXTAL 和 XTAL 引腳 ，MK60DN512ZVLQ10 有內(nèi)