基于STM32 的礦用隔爆兼本安型讀卡分站

王洋洋，洪玉玲,3

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122；3.礦用設備事故仿真與模擬驗證實驗室，遼寧 撫順113122）

礦井人員定位管理系統作為礦山安全避險六大系統中必不可少的一大系統[1]，不僅可以協助管理者對井下作業人員進行調度指揮，提高生產效率，更可在緊急救援時為救援人員提供重要數據，提高救援效率。讀卡分站是人員管理系統中重要的標識卡識別設備，而常規的分站防爆型式為礦用本質安全型，這就需要額外關聯1 臺礦用隔爆兼本安型電源為其供電，增加了系統的維護量。為此設計了基于STM32f103RCT6 的新型礦用隔爆兼本安型讀卡分站[2-3]，分站采用分腔設計，減輕了分站整體質量。該分站設置在井下或出入井口，通過數碼管顯示及語音播報的形式完成對標識卡工作狀態的檢測，同時可配合人臉識別儀或虹膜識別儀等設備檢測作業人員所攜帶標識卡的唯一性，滿足《煤礦安全規程》等相關要求。

1 讀卡分站硬件

讀卡分站電路組成包括本安電源模塊、無線收發模塊、STM32f103RCT6 微處理器單元、語音模塊、功放單元、數碼顯示單元、天線及揚聲器等。分站組成如圖1。

1）處理單元電路。處理單元主控制器采用STM32F103RCT6，該芯片具有256 K 字節程序存儲，48 K 字節RAM，采用cortex-m3 內核[4-7]，具有較高的性能、強大的軟件包及技術文檔的支持，同時具有較高的性價比。主控制器外圍電路如圖2。通過USART1 接收來自無線收發模塊的數據，數據幀包括幀頭、幀長、信息及校驗等。主控制器對接收數據進行解析處理，通過PC6、PC7 及PC8 這3 個IO 口將標識卡卡號數據送給顯示模塊進行顯示；通過USART3 及PB0、PB1 與語音模塊進行通信，驅動語音模塊將文本數據轉化為音頻信號。發光二極管D1閃爍可指示MPU 的運行狀態，并通過PB12 由1 個9014 三極管驅動直流蜂鳴器，當標識卡欠壓時，PB12 輸出高電平，蜂鳴器報警提示，提醒攜卡人員及時更換電池。

圖2 主控制器外圍電路Fig.2 Circuits around the master controller

2）本安電源。ib 等級12 V 本安電源原理圖如圖3。為方便地面取電，本安電源采用127～220 V 交流輸入，首先由AC/DC 模塊將交流轉換為直流，再經LM317 三端穩壓器穩壓，由取樣電路采集電路電流，當電流大于設定值時過流保護電路動作，切斷電源輸出實現過流保護；過壓保護電路由電壓檢測電阻、三極管、MOS 管及晶閘管等組成，當電壓超多設定的過壓值后，MOS 管關斷實現過壓保護；在輸出前端并聯2 個穩壓二極管，在輸出端電壓過高時起到限壓作用[8-9]。過流保護及過壓保護電路可將輸出端能量限制在安全范圍內，按照GB 3836.4—2010《爆炸性環境第4 部分：由本質安全型“i”保護的設備》的要求均采用雙重保護，以達到ib 等級本質安全要求，電源最終輸出12 V 本安電源。12 V 本安電源通過穿墻端子進入本安腔后經過DC-DC 電源模塊轉換為5 V 后再經AMS1117-3.3 輸出3.3 V，給處理單元、顯示單元、無線收發模塊供電。

圖3 ib 等級12 V 本安電源原理圖Fig.3 Principle of 12 V intrinsic power supply reached ib level

3）無線收發模塊。本分站采用基于UWB 技術的無線收發模塊與標識卡進行雙向通信，UWB 技術具有功耗低、定位精度高、抗干擾性強等優點，現已在石油化工、倉儲、監獄等領域應用。本無線收發模塊的芯片采用DW1000，DW1000 是完全集成的符合IEEE802.15.4-2011 標準的低功耗收發器集成電路，它可用于雙向測距或TDOA 定位系統定位，精度最高可達10 cm。無線收發模塊將接收到的標識卡的ID 號、電壓值等消息通過USART 方式傳送給STM32f103RCT6 主控制器處理。

4）語音模塊。語音模塊采用科大訊飛公司的XF-S4240 語音合成模塊，該模塊提供了USART、SPI、IIC 3 種數據通訊接口，選擇USART 異步串行通信接口將來自微處理模塊的文本數據轉化為音頻輸出。語音模塊引腳連接如圖4。BSY 引腳為模塊狀態輸出，用來指示模塊的狀態，低電平為準備就緒，高電平為忙狀態。為模塊復位引腳，低電平有效。

圖4 語音模塊引腳連接Fig.4 Voice module pin connection

5）音頻功放單元。音頻功放單元集成芯片采用LM386-4，內部為三級放大電路，該芯片外圍器件少，靜態功耗低，同時1 腳和8 腳接上1 只電阻R5和電容C9組成串聯RC 網絡，用來調節LM386-4 的最大電壓增益倍數，WT2電位器用來調節揚聲器輸出合適的音量，音頻功放電路如圖5。

圖5 音頻功放電路Fig.5 The design of power amplifier circuit

6）數碼顯示單元。顯示單元采用5 個74HC595級聯的方式靜態驅動5 個高亮共陽極數碼管，數據串行輸入，并行輸出，同時該集成芯片具有數據鎖存功能，通過靜態驅動數碼管，數碼管顯示不閃爍，達到理想的視覺效果。

2 分站軟件

嵌入式軟件移植了uc/os-III 實時操作系統[10]，該系統包含任務調度、任務管理、時間管理等功能。

2.1 主程序

主程序流程如圖6。

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flow diagram

首先進行各個硬件資源的初始化，包括心跳初始化、看門狗初始化、LED 初始化、74HC595 初始化、USART1 初始化、USART3 初始化等。然后進行全局變量的初始化、uc/osIII 的初始化。使用TaskCreate創建開始任務、LED 任務、USART 任務及數碼顯示與語音合成任務，最后執行OSStart 函數，關鍵代碼如下。

2.2 串口數據的接收與發送

串口數據的接收和發送采用DMA（Direct Memory Access，直接內存存?。┓绞?。串口數據格式見表1，波特率為115 200 bps。接收時，串口接收到數據后，直接由DMA 自動取走，將數據存儲到內存空間，避免串口接收數據時多次進入中斷，可提高微處理器的處理效率。

表1 數據幀格式表Table 1 Data frame format table

由于接收到的數據幀長不確定，采用檢測串口空閑中斷標志來判斷數據幀是否傳輸完成，需要首先要在配置USART1 時使能空閑中斷，運行代碼USART_ITConfig

數據接收后，對數據按照數據協議進行校驗，對錯誤幀拋棄，正確幀按照語音合成模塊協議進行處理后，將數據采用DMA 傳輸方式通過UART3 發送給語音合成模塊，當判斷電壓值低于設定閾值時，合成對應數據，此時，分站語音播報“電量低”。

3 結 語

設計一種基于STM32f103RCT6 的新型礦用隔爆兼本安型讀卡分站。分站采用分腔式結構設計，整體質量更輕；進行了本安電源電路、處理單元電路、顯示單元、功放單元等硬件電路設計，滿足本質安全及性能需求；進行了嵌入式軟件的設計，并移植了uc/os-III 操作系統，完成多任務的調度，并使用DMA 傳輸方式，節約了MPU 執行時間，提升了處理效率；分站實現了標識卡的識別、卡號的顯示及語音播報，符合煤礦及非煤礦山的需要。