基于nRF24L01的礦用搜救器設(shè)計(jì)

引言

　　在煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化中，人員定位系統(tǒng)發(fā)揮了越來(lái)越大的作用?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)煤礦使用的人員定位系統(tǒng)都是基于2.4GHz工業(yè)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，該定位系統(tǒng)主要由裝在礦井巷道的定位分站和配戴在工人身上的目標(biāo)識(shí)別卡協(xié)同工作來(lái)完成人員定位。然而定位分站并不是在每一個(gè)巷道都安裝，在沒(méi)有安裝定位分站的巷道就不能實(shí)現(xiàn)人員定位;而且由于事故原因引起的定位分站不能正常工作導(dǎo)致的被困人員不能正常定位，以致?tīng)I(yíng)救困難等現(xiàn)象也屢見(jiàn)不鮮。鑒于以上客觀原因，本設(shè)計(jì)就顯得具有明顯的實(shí)際意義。

　　搜救器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　搜器系統(tǒng)主要由電源模塊、主控制器模塊、2.4GHz無(wú)線通信模塊、紅外通信模塊、FLASH存儲(chǔ)器模塊、OLED顯示模塊和觸摸按鍵模塊組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)電源

　　采用鋰電池做為系統(tǒng)電源，電池充電管理芯片選用CN3083，圖2所示是以500mA電流4.2V電壓進(jìn)行恒壓充電的電路圖。圖2中發(fā)光二極管D5發(fā)光時(shí)表明充電正在進(jìn)行，D6發(fā)光時(shí)表明充電已經(jīng)結(jié)束。鋰電池通過(guò)LDO芯片MD73R30向系統(tǒng)提供穩(wěn)定的3.3V電壓，該芯片有使能控制引腳CE，可以通過(guò)將圖中POWER_EN置為低電平關(guān)閉MD73R30以節(jié)省電能。

　　主控制器

　　選用STM32F103VE做主控制器。STM32F103VE增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)512k字節(jié)的閃存和64k字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。器件包含3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口： 2個(gè)I2C、3個(gè)SPI、2個(gè)I2S、1個(gè)SDIO、5個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。STM32F103VE具有DMA功能，可以在外設(shè)和內(nèi)存之間、內(nèi)存和內(nèi)存之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸。STM32F103VE具有FSMC(靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)，本設(shè)計(jì)用FSMC功能實(shí)現(xiàn)控制具有Intel8080總線模式的OLED顯示屏。

　FLASH存儲(chǔ)器

　　搜救器要存儲(chǔ)大量的人員信息，所以在主控制器外部擴(kuò)展了8M字節(jié)的FLASH。M25P64是一個(gè)8M×8的串行FLASH存儲(chǔ)器，具有寫保護(hù)機(jī)制，通過(guò)高速SPI兼容總線應(yīng)用。存儲(chǔ)器由128個(gè)塊組成，每個(gè)塊包含256頁(yè)，每頁(yè)256個(gè)字節(jié)。M25P64具有高性能的編程功能，用頁(yè)編程指令每次可編程1至256字節(jié)。整個(gè)存儲(chǔ)器可以通過(guò)塊擦寫指令擦除，也可以由塊擦除指令一次一塊的擦除。

　　紅外通信

　　出于方便應(yīng)用考慮，搜救器在與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)使用紅外通信技術(shù)。由于STM32F103VE的USART可以設(shè)置成IrDA模式，所以本設(shè)計(jì)選用Vishay的紅外芯片TFDU4300。TFDU4300是一個(gè)對(duì)于低電壓IO接口有獨(dú)立邏輯參考電壓的紅外收發(fā)模塊，它與快速紅外數(shù)據(jù)通信的最新IrDA物理層標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，IrDA的速度最高支持115.2kbit/s并且支持基帶遠(yuǎn)程控制。收發(fā)模塊由PIN二極管，一個(gè)紅外發(fā)送器和一個(gè)低功耗控制IC構(gòu)成，提供一個(gè)完全的單芯片前端到后端的解決方案。器件覆蓋擴(kuò)展的近于1米IrDA范圍，通過(guò)一外部限流控制電阻可以調(diào)到更近的范圍。

　　無(wú)線通信

　　無(wú)線通信模塊通信芯片采用的是工作在2.4GHzISM頻段的nRF24L01，整個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用單芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。nRF24L01只要用很少的外圍元件就可以進(jìn)行正常的工作。無(wú)線通信模塊電路主要是由nRF24L01、數(shù)字衰減器(HMC274)、天線、晶振電路組成，框圖如圖3所示。

　　在功能上，主要用于搜救器和目標(biāo)識(shí)別卡之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。nRF24L01和STM32F103VE通過(guò)SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　OLED顯示屏

　　選用奇晶光電的OLED顯示模塊C0283QGLC-T。該顯示模塊帶有2.8英寸OLED顯示屏并且集成OLED顯示屏驅(qū)動(dòng)芯片S6E63D6，S6E63D6支持intel 8080總線模式。S6E63D6與STM32F103VE的FSMC接口相連，通過(guò)將FSMC設(shè)置成16位的PSRAM控制器，結(jié)合FSMC提供的時(shí)鐘信號(hào)、控制信號(hào)以及數(shù)據(jù)總線可以把S6E63D6看成外部存儲(chǔ)器來(lái)操作。

　　觸摸按鍵

　　選用PIC基于mTouch技術(shù)的電容觸摸專用單片機(jī)PIC16F724，該單片機(jī)最多提供8個(gè)觸摸按鍵輸入。與PIC16F724相連的6個(gè)觸摸按鍵定義為所需要的功能鍵。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件采用主從結(jié)構(gòu)，程序采用C語(yǔ)言編寫。STM32F103VE收到PIC單片機(jī)的發(fā)送的數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議取出命令字和鍵碼，然后根據(jù)鍵碼完成相應(yīng)的操作。軟件基于模塊化思想設(shè)計(jì)，主要包括主控制器程序和觸摸按鍵感應(yīng)程序。

　主控制器程序

　　主控制器程序完成STM32F103VE初始化、OLED顯示屏初始化、nRF24L01初始化，nRF24L01數(shù)據(jù)處理，紅外數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理和顯示內(nèi)容更新等工作。其中nRF24L01數(shù)據(jù)接收，紅外數(shù)據(jù)交換，按鍵鍵碼的獲取是通過(guò)中斷方式完成的。

　　觸摸按鍵檢測(cè)程序

　　鍵值判斷程序包括主程序和中斷服務(wù)程序。單片機(jī)上電后進(jìn)入主程序先完成初始化工作(包括I/O端口、定時(shí)器、電容傳感模塊和USART的設(shè)置)，然后開(kāi)全局中斷，依次查詢按鍵標(biāo)記(KeyFlag)的值，如果按鍵標(biāo)記置位(KeyFlag的值等于1)則將按鍵標(biāo)記清零并調(diào)用USART發(fā)送函數(shù)將相應(yīng)的鍵碼發(fā)送給主MCU(STM32F103VE)否則查詢下一個(gè)按鍵標(biāo)記直到8個(gè)按鍵標(biāo)記查詢完后進(jìn)入休眠等待中斷程序的到來(lái)。中斷程序喚醒單片機(jī)后，先將定時(shí)器1的TMR1值讀出，接下來(lái)將TMR1值與0.85倍的平均值做比較。如果TMR1的值小于0.85倍的平均值則將按鍵標(biāo)記KeyFlag置1，接著設(shè)置成下一個(gè)觸摸傳感器;如果TMR1的值大于或等于0.85倍的平均值則將TMR1的值代入程式計(jì)算新的平均值，接著設(shè)置成下一個(gè)觸摸傳感器。最后重啟定時(shí)器并退出中斷服務(wù)程序。退出中斷服務(wù)程序后進(jìn)入主程序進(jìn)行新的一次按鍵標(biāo)記查詢。程序流程圖如圖4所示，左圖是主程序流程圖，右圖為中斷服務(wù)程序流程圖

　　結(jié)語(yǔ)

　　本儀器采用STM32F103VE作為主控制器，成本低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了技術(shù)要求。通過(guò)煤炭科學(xué)院撫順?lè)衷旱蔫b定，已交付用戶使用。在井下沒(méi)有安裝定位分站的巷道中進(jìn)行的模擬營(yíng)救中，營(yíng)救距離達(dá)到規(guī)定的60米。