【正文】
輸出的電源也分開(即分開供電),否則不能完全隔離,所以要有兩個+5V穩(wěn)壓電路。圖44為中繼站電源電路。與轎廂機相似,中繼站的電源設(shè)有+5V和+,分別為單片機、語音模塊、CAN總線物理層模以及無線模塊供電。 中繼站系統(tǒng)主程序設(shè)計如圖45所示,單片機在完成相應的初始化部分程序之后就進入while主循環(huán)開始執(zhí)行檢測與數(shù)據(jù)處理。單片機時刻檢測和CAN總線上接收的數(shù)據(jù),當接收到新數(shù)據(jù)時,便開始執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)處理。由于數(shù)據(jù)的來源與內(nèi)容不同,所以處理數(shù)據(jù)的方式相應的不同。當接收到CAN總線上的數(shù)據(jù)時,相應的格式轉(zhuǎn)變之后,通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給對應地址的轎廂機。當接收到無線數(shù)據(jù)時,相應的格式轉(zhuǎn)變之后,通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制臺。中繼站主程序流程如圖45所示圖45 主程序流程圖 Main program flow chart of base station system 中繼站無線通訊模塊軟件設(shè)計無線通訊模塊的初始化包括上電復位以及各個寄存器的配置,而各寄存器的配置又包括頻率合成寄存器、頻率控制字寄存器、信道數(shù)、頻率控制詞寄存器、調(diào)制解調(diào)器配置寄存器、主通信控制狀態(tài)機配置寄存器、頻率偏移補償配置寄存器、AGC控制寄存器、電磁波激活控制寄存器、前末端RX 配置寄存器、前末端TX 配置寄存器、頻率合成器校準寄存器、RC振蕩器配置寄存器、頻率合成器校準控制寄存器,通過配置各寄存器完成對NRF24L01+的初始操作,隨后只要將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)寄存器即可,接收數(shù)據(jù)的時候只要讀取相應的數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)即可。圖46為無線通訊模塊程序流程圖。當初始化NRF24L01+成功之后,即進入判斷狀態(tài),單片機首先判斷進入收或發(fā)狀態(tài),若單片機進入接收狀態(tài),接收特定的驗證碼后,返回對應的特定的驗證碼,通知發(fā)送機接收機已經(jīng)準備好進入接收狀態(tài)了,即開始接收數(shù)據(jù),將相應的寄存器清空,準備進入下一個數(shù)據(jù)的接收,然后依然進入讀取數(shù)據(jù)的狀態(tài),接收完數(shù)據(jù)后,對接收的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理,只需執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)處理子程序,但需要注意的是,接收數(shù)據(jù)過程是在中斷中執(zhí)行的,在進入中斷服務程序內(nèi),執(zhí)行相應的接收子程序。若單片機進入發(fā)送狀態(tài),與接收狀態(tài)相同,首先發(fā)送一段特定的驗證碼,通知接收機即將發(fā)送數(shù)據(jù),若收到接收機返回的特定的驗證碼,單片機進入發(fā)送狀態(tài),開始發(fā)送數(shù)據(jù),然后通過返回值可以判斷本次發(fā)送數(shù)據(jù)是否成功。圖46 NRF24L01程序流程圖 Program flow diagram of NRF24L01無線數(shù)據(jù)的發(fā)送采用的是緩沖發(fā)送模式:使用媒介訪問控制層數(shù)字格式和短地址發(fā)送一個信息包。使能發(fā)送,當信道評估顯示信道空閑時,使能校準然后發(fā)送;當沒有字節(jié)寫入,TXFIF0緩沖器發(fā)出下溢指示狀態(tài)位和下溢脈沖,發(fā)送自動停止。=0;STX0N使能發(fā)送;STXONCCA信道估計顯示信道空閑,使能校準然后發(fā)送。SFLUSHTX當沒有字節(jié)寫入,TXFIFO緩沖器發(fā)出下溢脈沖;TXCTL=。615控制臺系統(tǒng)設(shè)計 控制臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計控制臺是用來完成調(diào)度人員與轎廂內(nèi)的工人進行語音通話和實現(xiàn)實時監(jiān)控功能,同時控制臺與中繼站都是CAN總線上的外置設(shè)備,包含了語音模塊,顯示模塊,F(xiàn)lash模塊和CAN總線模塊,單片機仍然選擇Freescale公司的MK60DN512ZVLQ10微處理控制芯片。控制臺系統(tǒng)組成如圖51所示。圖51 控制臺組成 Master control room system ponents控制臺系統(tǒng)各部分的關(guān)系如圖52所示??刂婆_在工作過程中,通過CAN總線與中繼站相連并通過中繼站的無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給轎廂機,同樣的,控制臺也是通過中繼站來接收轎廂機傳來的的數(shù)據(jù),完成雙向數(shù)據(jù)傳輸。圖52 控制臺功能結(jié)構(gòu)圖 Master control room system function structure在OLED顯示模塊中,調(diào)度人員可以通過顯示屏來查看主控對象的工作狀態(tài)和當前通話車廂的編號,保證正常的通訊。組態(tài)王顯示模塊還可用來設(shè)置系統(tǒng)的工作方式,即調(diào)度人員要語音通訊時就通過按鍵來選擇是一對一通話,或是廣播消息使車廂里的工作人員完成相應的操作。在工作的過程中,控制臺系統(tǒng)的全部工作都是在單片機的控制下協(xié)調(diào)工作的。 控制臺系統(tǒng)硬件設(shè)計 控制臺主控制器電路控制臺的主控電路同樣選用MK60DN512ZVLQ10做為主控芯片。 控制臺語音處理模塊電路 控制臺的語音處理模塊與轎廂機的語音處理模塊均采用AMBE1000,完全一樣如圖53所示,電路也基本相同,在此就不再重復敘述。圖53語音模塊 Voice module 控制臺顯示模塊本設(shè)計的控制臺顯示模塊用來顯示轎廂內(nèi)乘坐的人員數(shù)量情況以及轎廂的運行狀態(tài)。采用OLED作為顯示模塊。使用OLED來顯示信息要比數(shù)碼管顯示信息好得多,不需要像數(shù)碼管一樣去掃描操作,大大減輕了單片機的負荷,不僅可以顯示文字數(shù)字,還可以顯示圖形等信息。OLED顯示模塊,由于其本身沒有字庫,在程序中必須加入字庫所要用到字符代碼,也可以自己生成。OLED中的每個字符可由86個點陣組成,每一屏可以顯示154一共是60個字符。,功耗較小,亮度高。圖54為OLED的接口電路。圖54 OLED模塊接口 OLED module interface 控制臺鍵盤模塊設(shè)計控制臺的鍵盤模塊同樣使用和轎廂機一樣的編碼鍵盤,如圖55所示。其功能是用來選擇與指定的轎廂機通訊,用戶通過鍵盤輸入指定的轎廂地址即可與對應的轎廂建立通訊。圖55 編碼式鍵盤Fig. 55 coding keyboard 控制臺CAN總線模塊電路控制臺通過CAN總線與中繼站通訊,用于接收由轎廂機發(fā)來的數(shù)據(jù)??刂婆_的CAN接收器模塊電路與中繼站相同,如圖56所示。圖56 CAN通訊模塊 CAN munication module 控制臺電源模塊電路控制臺系統(tǒng)的電源設(shè)計和轎廂機的電源電路主體是相同的,不同的只有兩點:轎廂機是由電池供給穩(wěn)壓芯片電壓的,而中繼站是直接由220V交流電經(jīng)過變壓器變壓(220V~12V)、整流橋整流、阻容濾波后得到的+12V電壓供給穩(wěn)壓芯片的;光電耦合6N137要想完全的隔離,必須將輸入與輸出的電源也分開(即分開供電),否則不能完全隔離,所以要有兩個+5V穩(wěn)壓電路。圖57為中繼站電源電路。與轎廂機相似,控制臺系統(tǒng)的電源設(shè)有+5V和+,分別為單片機、語音模塊、CAN總線物理層模以及OLED顯示模塊顯示。圖57 控制臺電源電路 Node power supply circuit 控制臺系統(tǒng)軟件設(shè)計 控制臺軟件主程序設(shè)計圖58 控制臺軟件主程序流程圖 The PC software flow chart of main program雖然控制臺的硬件方面和轎廂機和中繼站較為相似,但中繼站的軟件與前兩者相比要復雜的多,由于控制臺除了要和特定地址的轎廂進行語音通訊和數(shù)據(jù)傳輸外,還要實時監(jiān)控其余轎廂的運行情況,因此數(shù)據(jù)處理方面才是控制臺軟件設(shè)計的重點。如圖58所示為中控臺主程序流程圖。 控制臺數(shù)據(jù)處理子程序為了使整個系統(tǒng)能夠有條不紊的運行,本系統(tǒng)設(shè)定了一個系統(tǒng)周期和同步信號,來使整個系統(tǒng)按照同樣的時鐘進行。當整個系統(tǒng)上電后,首先由控制臺給中繼站發(fā)送一個同步信號1,使整個系統(tǒng)的時鐘同步,中繼站收到后給控制臺和轎廂機發(fā)送同步信號2,中繼站開始系統(tǒng)周期,轎廂機和控制臺待接收到同步信號2后進入系統(tǒng)周期。為了消除系統(tǒng)各部分由于發(fā)送時間導致的周期誤差,控制臺會定期重新發(fā)送同步信號,以矯正系統(tǒng)周期。在數(shù)據(jù)處理方面,控制臺要接收語音數(shù)據(jù)、播放語音數(shù)據(jù)、接收報文信息,兩組數(shù)據(jù)在系統(tǒng)周期下以特定的時序向控制臺發(fā)送,控制臺執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)處理。如圖59所示為控制臺數(shù)據(jù)處理子程序流程圖。圖59 控制臺數(shù)據(jù)處理子程序 Data processing subroutine flow chart of PC6 硬件抗干擾設(shè)計在電路設(shè)計系統(tǒng)中,為了少走彎路和節(jié)省時間,應盡量思考并且滿足抗干擾性能,為了避免在設(shè)計完成后出現(xiàn)問題而不知所措,而再去檢查補救,因為本設(shè)計是對礦井環(huán)境而設(shè)計的,現(xiàn)場環(huán)境干擾較多,對系統(tǒng)的電磁干擾較大,需要加大系統(tǒng)的電磁兼容性[16]。形成干擾的基本要素有三個:1)干擾源,是對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的設(shè)備或信號,用數(shù)學語言表述:du/dt,di/dt即電壓和電流的變化,就是干擾源。例如:雷擊、繼電器開斷、可控硅的通斷、電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁干擾、高頻時鐘都可能成為干擾源。2)傳播路徑,指干擾從干擾源傳播到抗干擾能力弱器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是傳導耦合方式和輻射耦合方式。3)敏感器件,指容易被干擾的對象。如:A/DD/A轉(zhuǎn)換器、單片機、MIC信號采集器、弱信號放大器等。 抗干擾設(shè)計基本原則;;。抑制干擾源的原理就是盡量抑制電壓或者電流的變化率。這是抑制干擾的方法中最優(yōu)也是最重要的方法,通??梢允掳牍Ρ?,減小干擾。減小干擾源的電壓變化率通常是在干擾源的兩極并聯(lián)電容,電容有阻礙電壓變化作用。~,以減小元器件工作時對電源的影響。應注意高頻電容的布線,連接應靠近電源端盡量加粗并且要使導線短些,不然,等效于增大了串聯(lián)在電容上的電阻值,會影響濾波效果,降低抗干擾能力。本系統(tǒng)的所有元器件模塊都使用了并聯(lián)高頻電容的方法以減少干擾。 干擾種類及解決方法按干擾 傳播路徑可分為傳導干擾和輻射干擾兩類。所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同,所以可以在導線上加入濾波器,將高頻干擾噪聲在傳播時就消除,有時也可以加入光耦進行隔離。電源存在的噪聲危害非常大,對電源的濾波非常重要。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到元器件的干擾。一般對敏感器件用隔離罩連接地線進行隔離或者增加干擾源與敏感器件的距離。切斷干擾傳播路徑的常用措施如下:1)首先考慮電源干擾對單片機有什么負面影響。電源的干擾降低了,整個電路的抗干擾能力就提升了一個等級。電源噪聲對單片機的影響很大,因此單片機需要在電源處加入濾波器,以便減小電源波動對單片機的影響。比如:可以利用磁珠和電容組成π型濾波電路,當然條件要求不高是也可用100Ω電阻代替磁珠。2)如果用單片機的I/O口控制電機等高噪聲器件,在I/O口與高噪聲器件之間加入光耦隔離(增加π型濾波電路)。3)電路板的設(shè)計合理化,強/弱信號、高/低頻率信號、數(shù)字/模擬信號,合理分不能過近。4)用地線把數(shù)字信號與模擬信號隔離,數(shù)字地與模擬地不可以直接連接,最后通過電容相連接。A/DD/A芯片也需要注意模擬地和數(shù)字地的連接。5)單片機和其他的大功率器件要分開共地,以較少大功率器件對單片機產(chǎn)生干擾。 提高敏感器件的抗干擾性能提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲的拾取,以及從不正常狀態(tài)盡快恢復的方法。提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下:1)在電路板布線時應減少通路形成回環(huán)的面積,減少噪聲。2)單片機沒有用到的I/O口不能懸空,應該內(nèi)部配置高阻態(tài)。3)在滿足設(shè)計要求的前提下,盡量減小單片機的倍頻,可以增加單片機的穩(wěn)定性。4)元器件直接焊在電路板上,盡量不用插座。7 技術(shù)與經(jīng)濟分析系統(tǒng)的技術(shù)分析的目的就是確定所設(shè)計的系統(tǒng)是否有價值投入生產(chǎn)。當然,我們設(shè)計系統(tǒng)的目的就是投入使用,故需要考慮實際情況。因此必與系統(tǒng)的運行環(huán)境、開發(fā)成本、系統(tǒng)運行成本、機械損耗、機器維護工作等方面。一個系統(tǒng)的生產(chǎn)背景,就是其運行環(huán)境,依據(jù)運行環(huán)境研發(fā)的系統(tǒng)才可以與實際情況相符。在系統(tǒng)設(shè)計前,一定得整體對架空人車的優(yōu)點與不足進行了解,才能更好地設(shè)計好本系統(tǒng)。在設(shè)計開始階段,我搜集了大量的資料與文獻,總結(jié)了架空人車的現(xiàn)狀和存在的不足,相應的對系統(tǒng)進行改進,增加系統(tǒng)安全。根據(jù)礦山井下煤礦生產(chǎn)中工人上下井過程中遇到的問題,應用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究了本礦山井下架空人車通訊系統(tǒng)有效解決有線監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的線路磨損,漏電,斷路等問題,大大提高了設(shè)備維護周期,增長了設(shè)備的使用壽命,降低了維護費用,提高煤礦生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。本次設(shè)計可以實現(xiàn)控制室與車廂內(nèi)的工作人員進行語音通訊,控制室可以通過控制臺監(jiān)測架空人車的運行情況以及車廂內(nèi)的人員情況。設(shè)計的最終目的在于為煤礦的安全生產(chǎn)提供一定的保障措施,降低煤礦事故發(fā)生的可能性,從而提高煤礦生產(chǎn)的社會效益。8結(jié)論煤礦開采的燃煤,是國家極為重要的資源,無論是民用取暖還是火電站發(fā)電,都是需要大量的燃煤。因此礦井的安全開采極為重要,關(guān)乎著人民安全的重要性和社會的和諧穩(wěn)定性。隨著我們國家不斷地進步,經(jīng)濟飛速發(fā)展,人民的生活水平逐漸提高,因此,安全生產(chǎn)也被提到了第一位。我國時有煤礦事故發(fā)生,造成了重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡,因此“安全第一”的原則為首要原則。因此本設(shè)計針對礦井遇到的實際問題做出了解決方案,深入研究了有線訊息傳輸?shù)娜秉c,將無線物聯(lián)網(wǎng)的思想應用到了本設(shè)計之中,經(jīng)濟實用,解決了轎廂在長期運行過程遇到的線路磨損老化等損耗,減少故障出現(xiàn)的幾率。本設(shè)計方案將轎廂、和控制臺通過無線連接起來,由于無線信號直接傳輸距離不會太遠,所以需要中繼站去中轉(zhuǎn)信號,因此將本設(shè)計分為:控制臺、中繼站、轎廂機三個部分。將控制模塊與無線通訊模塊相互協(xié)調(diào),各個分系統(tǒng)互相通訊完成對架空人車的監(jiān)控和通訊。最終系統(tǒng)可以通過控制臺觀察到架空人車的運行情況是否正常、轎廂內(nèi)人員數(shù)量并且可以和轎廂內(nèi)的人員進行語音通訊,還可以播放固定的語音訊息,如安全事項、通知、音樂等。由于水平很有限,資料查詢的也不夠詳盡,本設(shè)計中仍然存在著一些不足之處,比如無線通訊的模塊選擇,總線的選擇,程序時序仍需要進改進。另外,本設(shè)計的系統(tǒng)需還有擴展功能的空間,可以在后續(xù)對轎廂內(nèi)的人員進行視頻監(jiān)控等功能,以及對轎廂機正常運行時的電壓、電流等重要信息的監(jiān)控,確保系統(tǒng)正常運行。致謝離校日期已日趨臨近,畢業(yè)論文的完成也隨之進入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成,一直都離不開老師、同學、朋友