【導(dǎo)讀】本文首先分析了國(guó)內(nèi)外井下人員定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并比較了其中的優(yōu)缺點(diǎn)。了系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)行了功能劃分。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化思想，從三個(gè)子。系統(tǒng)分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文中重點(diǎn)研究了井下的無線通信問題，并選擇了RFID（射頻識(shí)。煤礦生產(chǎn)管理中的問題·····························································1

　　

【正文】 （ BS）部分需具有無線收發(fā)功能、串行數(shù)據(jù)傳輸功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理功能。移動(dòng)站（ MS）部分需具有無線收發(fā)功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能。 基站硬件 電路設(shè)計(jì) 考慮到基站的功能要求將基站的硬件電路分為 五個(gè)功能模塊，如 圖 41 所示，這五個(gè)模塊是：通信模塊、時(shí)鐘模塊、無線收發(fā)模塊、主控單元和電源模塊 。 這些的模塊的功能如下： 通信模塊：負(fù)責(zé)基站（ BS）與地面的通信，完成現(xiàn)場(chǎng)總線與主控單元的接口功能； 時(shí)鐘模塊：負(fù)責(zé)提供日期與時(shí)間 數(shù)據(jù)，方便記錄井下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)基站向地面?zhèn)魉投ㄎ粩?shù)據(jù)時(shí)同時(shí)傳送定位時(shí)間信息； 無線收發(fā)模塊：完成基站與射頻卡的 無線通信，包括無線通信協(xié)議和數(shù)據(jù)的防碰撞算法部分； 主控單元：控制無線收發(fā)模塊、通信模塊和時(shí)鐘模塊的工作，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理； 電源模塊： 從井下的供電線路中獲取電源，并變換整定出穩(wěn)定可靠的直流電壓，為基站提供不同等級(jí)的電壓，滿足供電要求。 由于通信模塊與井下和地面所采取的通信方式有關(guān)，將其設(shè)計(jì)內(nèi)容放在第三個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來考慮。 下面分別設(shè)計(jì)基站的其他四個(gè)模塊 ，為了合理的選用器件，按照無線收發(fā) 模塊、 主控單元、時(shí)鐘模塊、電源模塊的順序依次進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 19 無 線 收 發(fā) 模 塊主 控 單 元通 信 模 塊電 源 模 塊時(shí) 鐘 模 塊井 下 供 電 線 路工 業(yè) 現(xiàn) 場(chǎng) 總 線基 站 天 線B S 圖 41 基站原理框圖 Fig41 Block diagram of BS （ 1）無線收發(fā) 模塊 無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)大體有兩種方案：一是利用分立器件搭建無線收發(fā)電路，另一種是直接選用具有無線收發(fā)功能的集成芯片。 從設(shè)計(jì)的方便性和可靠性來考慮，應(yīng)選用集成度較高的單片射頻收發(fā)芯片。這是因?yàn)橐环矫婵梢员苊庥梅至⒃罱o線收發(fā)電路，提高系統(tǒng)工作的可靠性；另一方面由于單片射頻收發(fā)芯片可以獨(dú)立完成無線收發(fā) 任務(wù)，也可以減輕傳輸控制電路的負(fù)擔(dān)。 目前有多種功能不同的單片射頻收發(fā)芯片，下面接收其中典型的幾種。 1） XE1202 XE1202 是將無線發(fā)射與接收功能集成在單一芯片上的射頻收發(fā)芯片，芯片內(nèi)集成了射頻發(fā)射、射頻接收、 PLL 合成、 FSK 調(diào)制等電路，具有高速率、超低功耗等功能。可以工作在 433MHz、 870MHz 和 915MHz ISM 頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 。 XE1202 采用連續(xù)相位的兩級(jí)頻移鍵控（ CPFSK）方式。 XE1202 的接收部分集成有低噪聲放大器（ LNA）和下變頻器，采用直接變 頻方式，具有濾波通道和接受用的解調(diào)器，微控制 20 器接口可以直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并可以產(chǎn)生同步數(shù)據(jù)時(shí)鐘（ CLKD）。 XE1202 的發(fā)射部分可以提供一個(gè)完整的通道，完成從數(shù)據(jù)到天線的傳送，該部分帶有一個(gè)可以對(duì)頻偏進(jìn)行編程的直接上變頻器，并可以對(duì) RF 輸出功率進(jìn)行控制。芯片具有 3 線總線接口，可以通過 3 線總線以及外部引腳來設(shè)置傳輸狀態(tài)，僅需要極少的外部元件（天線匹配網(wǎng)絡(luò)、振蕩電路、 SAW 振蕩器）即可完成接收和發(fā)射的雙重功能。發(fā)射功率也可以通過總線來控制。 2） nRF2401 nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以 5dBm 的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有 ，接收時(shí)工作電流只有 18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其 DuoCeiverTM 技術(shù)使 nRF2401 可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。 nRF2401 適用于多種無線通信的場(chǎng)合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。 nRF2401 有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模 式。 nRF2401 的工作模式由 PWR_UP 、 CE、 TX_EN和 CS三個(gè)引腳決定。 nRF2401的收發(fā)模式有 ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定。 nRF2401 的所有配置工作都是通過 CS、 CLK1 和 DATA 三個(gè)引腳完成，把其配置為 ShockBurstTM 收發(fā)模式需要 15 字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要 2 字節(jié)的配置字。由上文對(duì) nRF2401 工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401 一般工作于 ShockBurstTM 收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡(jiǎn)單 ，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高。 3） nRF9E5 nRF9E5 是真正的系統(tǒng)級(jí)無線射頻收發(fā)芯片，內(nèi)嵌高性能 8051MCU， 4 通道 12 位 ADC。內(nèi)置 nRF905 收發(fā)器，包括所有 nRF905 芯片的特性，可以工作在 Shockburst 模式下（自動(dòng)處理前綴，地址和 CRC），最大程度抑制了噪聲，工作電壓范圍為 。芯片的最大輸出功率為 +10dBm。只需極少的外圍元件就能組建一個(gè)完整的射頻收發(fā)電路。芯片還具有載波檢測(cè)功能，能有效的減少數(shù)據(jù)的碰撞。應(yīng)用領(lǐng)域：無線數(shù)據(jù)通訊、報(bào)警和安全系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化控制、 遙控裝置、監(jiān)測(cè)、車輛安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、無線通信、電信終端等。 4） CC1010 CC1010 是基于 Chipcon39。s Smart RF 技術(shù)的單片可編程 UHF 收發(fā)器芯片，電路工作在315/433/868/915MHz ISM 頻段（ 300MHz1000MHz）。在典型的應(yīng)用中，僅需少數(shù)的幾個(gè) 21 外接元件。靈敏度為 109dBm，可編程輸出功率為 20dBm~10dBm， FSK 調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) ， ~ 低電源工作。芯片內(nèi)嵌與 8051 兼容的微控制器（ MCU）、 32KB Flash、 2048+128 Bytes SRAM、 3 通道 10bitADC、 4 個(gè)定時(shí)器、 2 個(gè)脈沖寬度調(diào)制（ PWM）輸出、 2 個(gè)通用異步串行收發(fā)（ UART）接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）、看門狗（ WatchDog）、串行外設(shè)接口（ SPI）、 DES 編碼， 26 個(gè)通用 I/O 口。適合與計(jì)算機(jī)遙測(cè)遙控、安放、家庭自動(dòng)化、汽車儀表數(shù)據(jù)讀取等無線數(shù)據(jù)發(fā)射 /接收系統(tǒng)中使用。 上面介紹的幾種射頻收發(fā)芯片都能通過簡(jiǎn)單的外圍電路來完成無線收發(fā)功能。其中前兩種射頻收發(fā)芯片內(nèi)部沒有集成微控制器（ MCU），需要增加微控制器（ MCU）來對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收進(jìn)行控 制，而且內(nèi)部硬件資源較少，但價(jià)格相對(duì)較低，適用于簡(jiǎn)單、低成本的無線通信電路；后面兩種內(nèi)部集成有與 8051 兼容的微控制器（ MCU），并具有多種硬件資源，功能強(qiáng)大，但同時(shí)價(jià)格也高。 由于井下環(huán)境惡劣，通信條件較差，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枰褂每煽康耐ㄐ艆f(xié)議和數(shù)據(jù)差錯(cuò)控制算法，另外還要考慮到 RFID 通信過程中的數(shù)據(jù)防碰撞問題，而這些都需要微處理器（ MCU）來完成。如果選用內(nèi)部沒有集成 MCU 的射頻芯片，那么這些工作都要由基站的主控 MCU 來完成，這會(huì)增加主控 MCU 的負(fù)擔(dān)，由于主控 MCU 還要完成其他的控制任務(wù)，為了 保證系統(tǒng)的可靠工作還需要增加一片 MCU 專門來完成無線收發(fā)的控制任務(wù)，這樣就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也增加了系統(tǒng)成本。因此考慮采用內(nèi)部集成有 MCU 的射頻芯片。 nRF9E5 和 CC1010 都是內(nèi)部集成有兼容 8051MCU 的單片射頻收發(fā)芯片，都具有豐富的硬件資源，可以完成復(fù)雜的通信任務(wù)?？紤]到 CC1010 雖然硬件資源較為豐富，但價(jià)格較高，因此采用 nRF9E5。下面具體介紹一下這款芯片。 nRF9E5 是挪威 Nordic VLSI 公司于 2020 年 2 月推出的系統(tǒng)級(jí) RF 芯片。該芯片采用+3VDC 供電，面積為 5mm 5mm，共有 32 個(gè)外部引腳。 nRF9E5 嵌入了 nRF905 433/868/915MHz 無線收發(fā)芯片、集成增強(qiáng)型 MCS 8051 微控制器和 4 個(gè)通道的 10 位 A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率為 80kbps，內(nèi)含 電壓基準(zhǔn)、電源管理、 PWM 輸出、 UART 異步串口、 SPI 通訊接口、邏輯接口電路、看門狗電路、多通道可編程喚醒，以及 CRC 檢驗(yàn)和多點(diǎn)通信控制，高頻電感和濾波器等已經(jīng)全部?jī)?nèi)置，芯片的一致性能好、穩(wěn)定且不易受干擾。采用 GFSK 調(diào)制，抗擾能力強(qiáng) ， 支持多點(diǎn)通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 。具有特有的 ShockBurst 信號(hào)發(fā)射模式和發(fā)射信號(hào)載波監(jiān)測(cè)功能，可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。 nRF9E5 沒有復(fù)雜的通訊協(xié)議，完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通訊，內(nèi) 22 置的 CRC 糾錯(cuò)硬件電路和協(xié)議免去了軟件開發(fā)人員的軟件糾錯(cuò)編程和微控制器的糾錯(cuò)運(yùn)算，降低了無線應(yīng)用的開發(fā)難度。外圍電路連接極為簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)晶體管和一個(gè)電阻，nRF9E5 輸出端 ANT ANT2 外接 50? 單天線終端裝置，信號(hào)有效發(fā)射距離無遮擋時(shí)可達(dá) 800m 以上，樓道內(nèi)收發(fā)也可達(dá)到 250m 左右，對(duì)障礙物具有一定的穿透能力 ，且其最大發(fā)射功率僅為 10DBm(10 毫瓦 )，收發(fā)狀態(tài)切換時(shí)間小于 650ms。由于 nRF905 功耗低，工作可靠，因此很適用于井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 nRF9E5 的外部電路非常簡(jiǎn)潔，除了天線輸入輸出匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、電壓偏置控制電阻和時(shí)鐘振蕩晶振外，基本不需要其它元件 。但 由于 nRF9E5 中沒有提供程序存儲(chǔ)空間 Flash， 所以每次上電復(fù)位后它都需要通過其 SPI 接口從外部程序存儲(chǔ)空間中導(dǎo)入 4K 的程序存放在內(nèi)部 4K 的 RAM 中 ， 為了適應(yīng) nRF9E5 這一特點(diǎn)，我們選用 Microchip 公司帶 SPI 接口的串行 EEPROM 25AA320 芯片作為射頻卡的程序存儲(chǔ)器，該芯片支持低電壓工作，最低工作電壓為 ，且該芯片的存儲(chǔ)空間為 4K。 表 42 和表 43 分別是 nRF9E5 的特性和參考數(shù)據(jù)。 表 42 nRF9E5 的特性 Features of nRF9E5 內(nèi)置 nRF905 433/868/915MHz 頻率可調(diào)收發(fā)器 內(nèi)嵌兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 微控制器 4 輸入 10 位 80ksps AD 轉(zhuǎn)換器 工作電壓： ~ 封裝： 32pin QFN（ 5? 5mm） 只需極少的外圍元件 內(nèi)置 VDD 電源監(jiān)控模塊 掉電模式時(shí)工作電流： ? A 最大輸出功率： +10dBm 頻道切換時(shí)間： 650? s 低 MCU 供電電流： 1mA， 4MHz@3V 適合高頻應(yīng)用 具有載波檢測(cè)功能 低供電電流，發(fā)射時(shí)的典型值： 11mA@10dBm，接收時(shí)的典型值： 對(duì)于 nRF9E5 而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有載波檢測(cè)功能。在 ShockBurst 接收方式下，當(dāng)出現(xiàn) nRF9E5 工作信道內(nèi) 的射頻載波時(shí)，載波檢測(cè)引腳 (CD)被置高，這個(gè)特性很好的避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞，有效的防止了信號(hào)的干擾。當(dāng)收發(fā)器 23 準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，它首先進(jìn)入接收方式并探測(cè)所工作的信道是否空閑。載波檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)一般比靈敏度低 5dB，比如，靈敏度為 100dBm，載波檢測(cè)功能探測(cè)低至 105dBm 的載波。也就是說，載波低于 105dBm，載波檢測(cè)信號(hào)為低 (一般為 0)，高于 95dBm，則載波檢測(cè)信號(hào)為高 (一般為 VDD)，介于 105~95dBm 之間，載波檢測(cè)信號(hào)可能為低也可能為高。 nRF9E5 的內(nèi)部主要由 微控制器（ MCU）模塊和射頻模塊（ nRF905）組成，圖 41 為nRF9E5 的結(jié)構(gòu)框圖。下面簡(jiǎn)單介紹一下這兩個(gè)模塊。 nRF9E5 內(nèi)嵌的微控制器兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051，典型的指令周期為 4~20 個(gè)時(shí)鐘周期，與標(biāo)準(zhǔn) 8051 的 12~48 個(gè)時(shí)鐘周期相比，運(yùn)算速度要快的多。另外微控制器模塊還比標(biāo)準(zhǔn) 8051多了 5 個(gè)特殊的中斷源： ADC， SPI， 2 個(gè)射頻相關(guān)中斷，一個(gè)喚醒功能。模塊具有 3 個(gè)與8052 兼容的定時(shí)器，在采用串口通信（ UART）時(shí)波特率可以用定時(shí)器 1 也可以用定時(shí)器2 生成。同時(shí)微控制器的時(shí)鐘由外部晶振得到，時(shí)鐘頻率 控制靈活。 表 43 nRF9E5 的參考數(shù)據(jù) Reference data of nRF9E5 參數(shù) 值 單位 最低供電電壓 V 溫度范圍 40~+85 C? 發(fā)射功率為 10dBm 時(shí)的發(fā)射電流 11 mA 接收模式下的電流 mA 微控制器 4MHz@3volt 時(shí)的供電電流 1 mA ADC 工作電流 mA 最大發(fā)射功率 10 dBm 數(shù)據(jù)傳輸率 100 Kbps 靈敏度 100 dBm 低功耗模式下的工 作電流 ? A nRF9E5 內(nèi)嵌處理器的存儲(chǔ)單元比較特殊，它是由一塊與 80C52 兼容的 256 個(gè)字節(jié)RAM 和 512 個(gè)字節(jié) ROM 及一個(gè) 4K 的 RAM 組成。 512 個(gè)字節(jié)的 ROM 中包含一個(gè)初始裝載程序，當(dāng)系統(tǒng)上電或程序復(fù)位時(shí)，這個(gè)初始裝載程序?qū)⒁龑?dǎo)系統(tǒng)通過 SPI 接口將用戶編寫的放在一塊外部串行 EERPMO 程序存儲(chǔ)器中的程序調(diào)入內(nèi)部 4K 的 RMA 中，然后系統(tǒng)在根據(jù)調(diào)入到 RAM 中的程序運(yùn)行。對(duì)于外部 EEPROM 中存放的程序格式， nRF9E5 系統(tǒng)也專門做了規(guī)定。 在 nRF9E5 中，除了內(nèi)置 8051 單片機(jī)外，另一個(gè)重要模塊就是射頻收發(fā)單元，該模塊 24 電路與單芯片射頻收發(fā)器 nRF905 一樣，它與內(nèi)嵌 MCU 是通過內(nèi)部并行口 P2 和內(nèi)部 SPI模式進(jìn)行通信 的 。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好、載波檢測(cè)、地址匹配都能通過程序控制引起相應(yīng)中斷。 圖 42 nRF9E5 的 結(jié)構(gòu)框圖 nRF9E5 block diagram nRF905 是一個(gè)可工作于 433/868/915MHz 的射頻收發(fā)器，它內(nèi)部帶有完整的頻率合成單元，功率放大器， FSK 調(diào)制和接 收單元。該射頻收發(fā)器的輸出信號(hào)功率和載波頻率都可以方便的編程并通過 SPI 口傳送給 nRF905 內(nèi)核。當(dāng)信號(hào)輸出功率為 10dBm 時(shí)，射頻模塊電路的電流消耗僅為 9mA，當(dāng)接收信號(hào)時(shí)，射頻模塊電路的電 流消耗僅為 。同時(shí)4K byte RAM Boot Loader 256 byte RAM 7channel interruption UART0 Timer0 Timer1 Timer2 CPU 8051patible microcontroller A/D converter nRF905 433/868/915MHz readio tranceiver BIAS XTAL oscillator power mgmt Reset Regulators Portlogic PWM low power RC oscillator Watch Dog RTC Timer programmable wakeup SPI AIN3(26) AINT1（ 20） AINT2（ 21） VDD_PA（ 19） AIN2(27) AIN1(28) AIN0(29) AREF(30) IREF（ 23） XC2（ 15） XC1（ 14） VSS(5) VSS(16) VSS(18) VSS(22) VSS(24) VDD(4) VDD(17) VDD(25) DVDD_1V2(31) P00(32) P01(1) P02(2) P03(3) P04(6) P05(7) P06(8) P07(9) SDI 25320 SDO SCK CSN MISO(11) SCK(12) MOSI(10) 25 為了節(jié)省功耗，射頻模塊還可以由程序控制開啟和關(guān)斷。 為了實(shí)現(xiàn)微控制器（ MCU）對(duì)射頻收發(fā)單元的控制， nRF9E5 定義內(nèi)嵌的 8051MCU的 P2 口專門用于控制射頻收發(fā)模塊 P2 和SPI_CTRL 控制。 P2 寄存器的每一位對(duì)應(yīng)射頻收發(fā)模塊 nRF905 的相應(yīng)引腳。 nRF9E5 采用 32 引腳的 QFN 封裝，引腳分配圖如下： P 011P 022P 033V D D4V S S5P 046P 057P 068P079MOSI10MISO11SCK12EECSN13XC114XC215VSS16V D D17V S S18V D D _P A19A N T 120A N T 221V S S22IR E F23V S S24VDD25AIN326AIN227AIN128AIN029AREF30DVDD_1V231P0032n R F 9E 5 圖 42 nRF9E5 的引腳圖 Pin assignment of nRF9E5 下面是 nRF9E5 的引腳工能列表。 表 44 nRF9E5 的引腳功能列表 The functional group of nRF9E5 pins 引腳 名稱 功能 說明 1 P01 數(shù)字輸入輸出 雙向數(shù)字輸入輸出 2 P02 數(shù)字輸入輸出 雙向數(shù)字輸入輸出 3 P03 數(shù)字輸入輸出 雙向數(shù)字輸入輸出 4 VDD 電源 工作電源（ +3VDC） 5 VSS 電源 地（ 0V） 6 P04 數(shù)字輸入輸出 雙向數(shù)字輸入輸出 7 P05 數(shù)字輸入輸出 雙向數(shù)字輸入輸出 8 P06 數(shù)字輸入輸出 雙向數(shù)字輸入輸出 9 P07 數(shù)字輸入輸出 雙向數(shù)字輸入輸出 10 MOSI SPI 接口 SPI 輸出 11 MISO SPI 接口 SPI 輸入 12 SCK SPI 時(shí)鐘 SPI 時(shí)鐘 13 EECSN SPI 使能 SPI 使能，低有效 14 XC1 模擬輸入 晶體振蕩器 1 腳 /外部時(shí)鐘輸入腳 26 15 XC2 模擬輸出 晶體振 蕩器 2 腳