文 献 综 述

1 引言

随着国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要。我国煤矿企业开始重视基础设施建设，加大安全投入。煤矿安全监控系统得到了普遍应用，大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。然而，目前使用的监控系统在井下部分采用的是有线的信号传输方式，使得系统只能在固定的位置工作，移动性差，设备安装的局限性大，在很多方面都不能实现实时监控^[14]。本文所涉及的设计便是一种基于无线和485的通讯分站硬件系统，其可以改善上述监控系统的不足。

2 通讯分站硬件系统主要构成

2.1无线模块

本设计使用的是基于ZigBee 的无线模块。ZigBee 工作于无需注册的2.4 GHZISM频段，传输速率为10～250 kbps，传输距离大于100 m。它是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议。ZigBee 协议使用IEEE802.15.4 规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。2.4 GHz 频带提供的数据速率为250kpbs。IEEE802.15.4MAC 数据包的最大长度为127 字节。每个数据包都由头字节和16 位CRC 值组成。16位CRC 值验证帧的完整性。此外，IEEE802.15.4 还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有特殊ACK 标志位被置1的帧都会被它们的接收器应答。这就可以确定那些帧实际上已经被传递了。ZigBee 无线网络可采用多种类型的配置。IEEE8-02.15.4/ZigBee 协议中明确定义了三种拓扑结构: 星型结构(star)、簇树结构(Cluster tree)和网状结构(mesh)。凭借基于ZigBee技术的无线传感器网络节点可以移动、组网快速简单、成本低、网络易维护等特点，对煤矿井下各类参数进行实时检测与控制，具有快速的井下处理能力(井下检测、井下运算、井下报警)，是解决煤矿安全生产问题的重要手段^[14]。

2.2 RS485通讯

RS485总线通讯方式以其简洁灵活、硬件接口简单、软件易实现、性价比较高、传输距离较远、误码率较低、抗干扰能力强等优点在工业控制系统中特别是中小型数据采集和控制系统得到了广泛的应用。

如图1所示，RS485采用差分信号传输方式，通信总线为两根线：A和B。PC机串口的负逻辑 RS232电平经 RS232与 RS485转换模块转换为标准的RS485电平，各下位机模块经RS485通信接口电路分别挂接在系统通信总线上，然后在软件上规约上下位机的通信协议即可实现多机通信^[5]。 由于采用平衡发送与差分接收的模式，从而提高了整个网络的搞干扰性，最多可接256个节点、最远可支持1219m的通信距离。速率最高可达10Mbps,当然通信距离与速率是成反比的，只有在100Kbps以下且使用专用的RS485/422通讯线缆才可以达到最远传输距离。由于RS485/422的实际应用现场环境都比较复杂，再加上操作人员接线方式或使用传输线缆的不正确，往往导致RS485/422在实际使用过程中都会存在比较大的干扰，所以我们一般需要采用隔离的方式，来抑制干扰。

2.3 主芯片

ARM是目前嵌入式领域应用最广泛的R ISC微处理器结构,以其低成本、低功耗、高性能等优点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。2007年6月意法半导体( ST)公司发布了基于ARM Cortex2M3的STM32系列产品,这些产品结合了高性能、实时、低功耗、低电压、高集成度和易于开发等特性,给MCU用户带来了前所未有的自由空间。本设计使用的是STM32 系列产品中的增强型系列STM32F103,其工作在72MHz,带有片内RAM和丰富的外设。STM32F103微控制器可以运行用户自己编写的引导加载程序Boot loader来实现IAP。引导加载程序必须通过一个通讯接口(如CAN,USART,USB等)接收系统程序代码,校验后将正确完整的代码写入指定的Flash区域中^[7]。

2.4 基于ST7920控制器的液晶屏

ST7920是台湾矽创电子公司生产的中文图形液晶控制器, 可作为控制器和驱动器提供32路com输出和64路seg输出。与驱动器ST7921组成的模块最多可驱动256#215;32点阵液晶, 主要用于显示汉字及图形, 其内置了2 MB 中文字型ROM(CGROM) , 共提供8192个中文字型( 16#215;16点阵) ; 16KB半宽字型ROM(HCGROM), 共提供126个西文字型( 16#215;8点阵) ; 64#215;16 位字符显示RAM (DDRAM 最多16 字符#215;4行, LCD 显示范围16#215;2 行) ; 64#215;16 位字符产生RAM(CGRAM) ; 15#215;16位共240 点的ICON RAM( ICONRAM) 。此外，为了适应多种微处理器与单片机接口需求，该模块还可提供4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口。利用上述特性方便实现文字与图形混合显示、画面清除、光标归位、显示开/关、光标显示/隐藏、显示字体闪烁、光标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示、休眠模式等功能。与同类型点阵的LCM相比, ST71920控制的LCM硬件和软件设计灵活, 而且内置多种汉字字库。相对于无字库的液晶控制器而言, 大大降低了成本, 简化了系统设计, 因此,在当今LCM市场上, ST71920 应用广泛^[4]。

2.5电源稳压器

LM317是由美国国家半导体公司(NS)研制生产的可调三端稳压器。我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串联集成稳压器。作为直流稳压电源中的稳压电路使用。LM317在稳压精度、纹波抑制比、输出电压、过流和过热保护、调整安全工作区保护等方面都比较优秀,适用范围非常广泛LM317输出电压为1.2V#8212;37V,保证1.5A输出电流,电压稳定性好。其三个引脚为别为调整端、输出端和输入端,并没有接地端,采用的是一种悬浮式电路结构,其基准电压为1.25V。此芯片在使用过程中可以通过不同的匹配方式完成不同功能的电路，是个功能强大结构简单的实用芯片^[11]。

3通讯分站的概述

由上述几大主要构成的通讯分站实现了通过无线接收传感器的值，并可以通过液晶屏实时显示通讯情况，最后通过RS485收发器将数据传送到总站。其改善了现有的井下监控系统移动性差，安装位置局限的缺点，可使井下监控系统基本实现实时监测，具有安全可靠应用范围广的特点。

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