基于STM32的雷管電子保險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)

0.引言

雷管使用中如果引爆系統(tǒng)屏蔽不夠完善，使雷管中流過(guò)泄漏電流和電容電流達(dá)到一定的數(shù)值和作用時(shí)間，電流轉(zhuǎn)化成足夠的熱能達(dá)到雷管炸藥點(diǎn)燃溫度（約180℃）時(shí)即可引爆，電雷管耐靜電壓為(1～3)×104V，超過(guò)(1～3)×104V 的靜電壓，從而引爆電雷管，造成爆破材料發(fā)生意外爆炸事故。本課題是在參閱了國(guó)內(nèi)外關(guān)于雷管安全保險(xiǎn)發(fā)展技術(shù)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的國(guó)內(nèi)雷管防護(hù)措施開(kāi)發(fā)和研制的一次有益的嘗試和探索，簡(jiǎn)要介紹了STM32F103RBT6 的主要功能和性能，完成了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。

1.STM32F103RBT6簡(jiǎn)介

STM32F103RBT6 是一種高性能32 位微控制器(MicrocontrollerUnit)，是意法半導(dǎo)體公司STM32 系列微控制器(MCU)的新一代產(chǎn)品之一。STM32F103RBT6 基于專(zhuān)為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3 內(nèi)核，不僅支持Thumb-2 指令集，還擁有強(qiáng)大的性能和代碼密度以及位帶操作、可嵌套中斷、低成本和低功耗等多種優(yōu)勢(shì)。STM32F103RBT6 功耗36mA，是32 位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。其增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類(lèi)產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品[1]。

該控制器把具有低成本、高性能處理的ARM Cortex-M3 內(nèi)核CPU和幾種先進(jìn)的外圍設(shè)備結(jié)合在一起，其主要特點(diǎn)有[2]:

(1)使用ARM 最新的、先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3 內(nèi)核，主頻最高可達(dá)72MHz，在存儲(chǔ)器的0 等待周期訪(fǎng)問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25DMIPS/MHz(Dhrystone2.1) ，可實(shí)現(xiàn)單周期乘法和硬件除法。圖1為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 STM32F103RBT6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

(2)2.0～3.6 伏供電，減小了控制器的消耗。

(3)片內(nèi)有高達(dá)32K 字節(jié)的Flash 程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5K 字節(jié)的數(shù)據(jù)/程序RAM，544 字節(jié)雙口RAM(DARAM) 和ZK 字節(jié)的單口RAM(SARAM)。

(4)兩個(gè)事件管理器模塊EVA 和EVB，每個(gè)包括:兩個(gè)16 位通用定時(shí)器;8 個(gè)16 位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。事件管理模塊適用于進(jìn)行電機(jī)控制和逆變器控制。

(5)可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K 字節(jié)空間，這包括64K 字節(jié)的程序空間，64K字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，64K字節(jié)的地址空間。

(6)看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)。

(7)10 位A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)2個(gè)8通道輸入A/D 轉(zhuǎn)換器。

(8)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B 模塊。

(9)串行通信接口(SCI)模塊和16位串行外設(shè)(SPD 接口模塊。

2.系統(tǒng)整體框圖

對(duì)于雷管中流過(guò)泄漏電流和電容電流造成爆破材料發(fā)生意外爆炸事故，我們目前只能采取：

(1)要求爆破作業(yè)人員采取穿防靜電安全鞋、防靜電工作服和防靜電手套操作，避免因靜電導(dǎo)致自爆事故。

(2)加強(qiáng)對(duì)引爆器管理，不得將引爆器放置在潮濕的地方，防止因潮濕導(dǎo)電引起自爆事故發(fā)生。

(3)嚴(yán)格爆破操作規(guī)程操作杜絕違章操作，防止事故發(fā)生。

(4)規(guī)范坑道線(xiàn)路架設(shè)，取締變壓器接地零線(xiàn)和照明接地零線(xiàn)，防止電氣設(shè)備絕緣不良和接地不當(dāng)而引起大地雜散電流。這樣的防護(hù)措施顯然不是我們所希望的安全可靠的安全保險(xiǎn)裝置。怎么解決這一系列的問(wèn)題呢，如圖2 我們設(shè)計(jì)的解決這個(gè)問(wèn)題的電子保險(xiǎn)裝置工作流程圖。

圖2 電子保險(xiǎn)裝置工作流程圖

其基本工作原理是:在對(duì)雷管完成裝定以后，即啟動(dòng)電子安全保險(xiǎn)裝置，通過(guò)軟件將微控制器的工作模式設(shè)置為低功耗模式，此時(shí)電子安全保險(xiǎn)裝置工作在待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)接收外界的解鎖信號(hào)，待無(wú)線(xiàn)接收模塊接收到解鎖信號(hào)后，先通過(guò)主控對(duì)解鎖信號(hào)進(jìn)行分析，以確定是否為該保險(xiǎn)裝置的解鎖信號(hào)，待確認(rèn)無(wú)誤后，微控制器即通過(guò)控制I/O 口將電擊發(fā)信號(hào)傳輸通道解鎖，使電擊發(fā)信號(hào)傳入雷管，以實(shí)現(xiàn)提高雷管裝置安全性與可靠性的作用。

圖3 電子保險(xiǎn)裝置的整體框圖

3.上位機(jī)遙控模塊

用微機(jī)做遠(yuǎn)程控制是電子保險(xiǎn)裝置的重要組成部分，它的控制原理如圖4 所示，它主要任務(wù)是通過(guò)控制無(wú)線(xiàn)解鎖信號(hào)發(fā)射終端向指定雷管發(fā)射相應(yīng)解鎖信號(hào)以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定雷管進(jìn)行控制的功能。

圖4 IPM 接口電路

它的可視化界面可以通過(guò)Labview 編寫(xiě)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)解鎖信號(hào)發(fā)射終端的控制。

4.結(jié)論

本電子保險(xiǎn)裝置選取全數(shù)字化控制技術(shù)，主控芯片采用控制專(zhuān)業(yè)芯片STM32F103RBT6，使整個(gè)電子保險(xiǎn)裝置的控制都以數(shù)字化方法實(shí)現(xiàn)，使雷管的安全性與可靠性得到提高，全數(shù)字化的設(shè)計(jì)也符合發(fā)展的趨勢(shì)。