基于STM32的雷管電子保險裝置設(shè)計

0.引言

雷管使用中如果引爆系統(tǒng)屏蔽不夠完善，使雷管中流過泄漏電流和電容電流達(dá)到一定的數(shù)值和作用時間，電流轉(zhuǎn)化成足夠的熱能達(dá)到雷管炸藥點燃溫度（約180℃）時即可引爆，電雷管耐靜電壓為(1～3)×104V，超過(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內(nèi)外關(guān)于雷管安全保險發(fā)展技術(shù)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的國內(nèi)雷管防護(hù)措施開發(fā)和研制的一次有益的嘗試和探索，簡要介紹了STM32F103RBT6 的主要功能和性能，完成了系統(tǒng)整體設(shè)計。

1.STM32F103RBT6簡介

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 基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3 內(nèi)核，不僅支持Thumb-2 指令集，還擁有強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。STM32F103RBT6 功耗36mA，是32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品。其增強型系列時鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(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，在存儲器的0 等待周期訪問時可達(dá)1.25DMIPS/MHz(Dhrystone2.1) ，可實現(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)兩個事件管理器模塊EVA 和EVB，每個包括:兩個16 位通用定時器;8 個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)看門狗定時器模塊(WDT)。

(7)10 位A/D 轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，可選擇兩個事件管理器來觸發(fā)2個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

對于雷管中流過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)加強對引爆器管理，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)范坑道線路架設(shè)，取締變壓器接地零線和照明接地零線，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裝置。怎么解決這一系列的問題呢，如圖2 我們設(shè)計的解決這個問題的電子保險裝置工作流程圖。

圖2 電子保險裝置工作流程圖

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

圖3 電子保險裝置的整體框圖

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)是通過控制無線解鎖信號發(fā)射終端向指定雷管發(fā)射相應(yīng)解鎖信號以實現(xiàn)對指定雷管進(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Labview 編寫，以實現(xiàn)對無線解鎖信號發(fā)射終端的控制。

4.結(jié)論

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