引言
在煤礦生產自動化中，人員定位系統發揮了越來越大的作用。現在國內外大多數煤礦使用的人員定位系統都是基于2.4GHz" title="2.4GHz">2.4GHz工業無線" title="工業無線">工業無線通信標準設計的，該定位系統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識別卡協同工作來完成人員定位。然而定位分站并不是在每一個巷道都安裝，在沒有安裝定位分站的巷道就不能實現人員定位;而且由于事故原因引起的定位分站不能正常工作導致的被困人員不能正常定位，以致營救困難等現象也屢見不鮮。鑒于以上客觀原因，本設計就顯得具有明顯的實際意義。
搜救器系統設計
搜器系統主要由電源模塊、主控制器模塊、2.4GHz無線通信模塊、紅外通信模塊、FLASH存儲器模塊、OLED顯示模塊和觸摸按鍵模塊組成，系統框圖如圖1所示。
系統電源
采用鋰電池做為系統電源，電池充電管理芯片選用CN3083，圖2所示是以500mA電流4.2V電壓進行恒壓充電的電路圖。圖2中發光二極管D5發光時表明充電正在進行，D6發光時表明充電已經結束。鋰電池通過LDO芯片MD73R30向系統提供穩定的3.3V電壓，該芯片有使能控制引腳CE，可以通過將圖中POWER_EN置為低電平關閉MD73R30以節省電能。
主控制器
選用STM32F103VE" title="STM32F103VE">STM32F103VE做主控制器。STM32F103VE增強型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，內置高速存儲器(高達512k字節的閃存和64k字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。器件包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口： 2個I2C、3個SPI、2個I2S、1個SDIO、5個USART、一個USB和一個CAN。STM32F103VE具有DMA功能，可以在外設和內存之間、內存和內存之間提供高速數據傳輸。STM32F103VE具有FSMC(靜態存儲控制器)，本設計用FSMC功能實現控制具有Intel8080總線模式的OLED顯示屏。
FLASH存儲器
搜救器要存儲大量的人員信息，所以在主控制器外部擴展了8M字節的FLASH。M25P64是一個8M×8的串行FLASH存儲器，具有寫保護機制，通過高速SPI兼容總線應用。存儲器由128個塊組成，每個塊包含256頁，每頁256個字節。M25P64具有高性能的編程功能，用頁編程指令每次可編程1至256字節。整個存儲器可以通過塊擦寫指令擦除，也可以由塊擦除指令一次一塊的擦除。
紅外通信
出于方便應用考慮，搜救器在與上位機進行數據交換時使用紅外通信技術。由于STM32F103VE的USART可以設置成IrDA模式，所以本設計選用Vishay的紅外芯片TFDU4300。TFDU4300是一個對于低電壓IO接口有獨立邏輯參考電壓的紅外收發模塊，它與快速紅外數據通信的最新IrDA物理層標準完全兼容，IrDA的速度最高支持115.2kbit/s并且支持基帶遠程控制。收發模塊由PIN二極管，一個紅外發送器和一個低功耗控制IC構成，提供一個完全的單芯片前端到后端的解決方案。器件覆蓋擴展的近于1米IrDA范圍，通過一外部限流控制電阻可以調到更近的范圍。
無線通信
無線通信模塊通信芯片采用的是工作在2.4GHzISM頻段的nRF24L01" title="nRF24L01">nRF24L01，整個模塊的結構簡單，采用單芯片進行數據的處理。nRF24L01只要用很少的外圍元件就可以進行正常的工作。無線通信模塊電路主要是由nRF24L01、數字衰減器(HMC274)、天線、晶振電路組成，框圖如圖3所示。
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顯示屏驅動芯片S6E63D6，S6E63D6支持intel
8080總線模式。S6E63D6與STM32F103VE的FSMC接口相連，通過將FSMC設置成16位的PSRAM控制器，結合FSMC提供的時鐘信號、控制信號以及數據總線可以把S6E63D6看成外部存儲器來操作。
觸摸按鍵
選用PIC基于mTouch技術的電容觸摸專用單片機PIC16F724，該單片機最多提供8個觸摸按鍵輸入。與PIC16F724相連的6個觸摸按鍵定義為所需要的功能鍵。
軟件設計
軟件采用主從結構，程序采用C語言編寫。STM32F103VE收到PIC單片機的發送的數據后，根據通信協議取出命令字和鍵碼，然后根據鍵碼完成相應的操作。軟件基于模塊化思想設計，主要包括主控制器程序和觸摸按鍵感應程序。
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數據處理，紅外數據數據處理和顯示內容更新等工作。其中nRF24L01數據接收，紅外數據交換，按鍵鍵碼的獲取是通過中斷方式完成的。
觸摸按鍵檢測程序
鍵值判斷程序包括主程序和中斷服務程序。單片機上電后進入主程序先完成初始化工作(包括I/O端口、定時器、電容傳感模塊和USART的設置)，然后開全局中斷，依次查詢按鍵標記(KeyFlag)的值，如果按鍵標記置位(KeyFlag的值等于1)則將按鍵標記清零并調用USART發送函數將相應的鍵碼發送給主MCU(STM32F103VE)否則查詢下一個按鍵標記直到8個按鍵標記查詢完后進入休眠等待中斷程序的到來。中斷程序喚醒單片機后，先將定時器1的TMR1值讀出，接下來將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記KeyFlag置1，接著設置成下一個觸摸傳感器;如果TMR1的值大于或等于0.85倍的平均值則將TMR1的值代入程式計算新的平均值，接著設置成下一個觸摸傳感器。最后重啟定時器并退出中斷服務程序。退出中斷服務程序后進入主程序進行新的一次按鍵標記查詢。程序流程圖如圖4所示，左圖是主程序流程圖，右圖為中斷服務程序流程圖
結語
本儀器采用STM32F103VE作為主控制器，成本低，系統運行穩定，各項指標達到了技術要求。通過煤炭科學院撫順分院的鑒定，已交付用戶使用。在井下沒有安裝定位分站的巷道中進行的模擬營救中，營救距離達到規定的60米。