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​天地MG250/600AWD2采煤机端头站D02117软件设计时需要注意的关键问题
2019-11-19
端头站D02117
端头站D02117
端头站D02117

天地MG250/600AWD2采煤机端头站D02117软件设计时需要注意的关键问题

天地MG250/600AWD2采煤机端头站D02117软件设计时需要注意的关键问题?在采煤机的多种操控方式中,端头操作控制站(简称端头站)方式因其安装与操作位置离截割滚筒较近、易于观察煤岩截割状况、采用可靠性较高的有线通信方式等,成为重要的采煤机操控方式之一。

目前,国内外采煤机配备的端头站大多只具有采煤机操控功能,个别带有显示功能的产品只能显示数字、字符等简单内容。工人通过端头站操控采煤机时,主要依靠目测观察采煤机工况,操作存在一定盲目性[1]。

笔者针对采煤机使用环境特点,设计了一款具有友好人机交互界面的新型采煤机用端头站。其具有传统采煤机端头站的按钮操控功能,又可将采煤机的操作指令和工况信息实时显示在自带的TFT真彩液晶显示屏上,提高了工人操作的便利性、准确性及安全性。

1天地MG250/600AWD2采煤机端头站D02117总体设计要求

(1)端头站软件既可控制采煤机,又能将当前操作指令和采煤机各状态参数、提示或警告信息等以图形、数据、文字等形式显示在端头站显示屏上。软件应满足要求:①显示界面基于GUl图形用户界面开发,界面友好、现代化[],工况数据显示简洁明了,适用于井下低照度与粉尘、水雾密集的环境;

②端头站软件与采煤机主控系统软件交互运行稳定可靠,对输入、输出响应具有较好的实时性(操作响应延时小于100ms)。

(2)端头站主体防爆型式为本质安全型。

(3)端头站采用高速RS485接口与采煤机主控系统互连,内置备用的CAN总线接口,可实现采煤机紧急停止、采高控制、牵引方向与速度控制、声光报警、数据存取等功能。

(4)端头站结构设计满足采煤机防水、防尘需求,整体防护等级达到IP67[]。


2天地MG250/600AWD2采煤机端头站D02117硬件设计

端头站硬件包括主处理电路、按钮输入及报警输出电路、TFT真彩液晶显示屏3部分,如图1所示。电路全部采用本质安全型防爆设计。


端头站采用4.75~5.5V低额定供电电压,内部处理器及3.3V以下数字电路由基于MP2128的同步整流型单片开关降压电路供电,电源转换效率达95%,开关频率达3MHz。与常见的200~

300kHz低开关频率设计相比,该电路采用的电源回路纹波抑制电容由上百uF减小为10μF,使得端头站电路能以较大安全裕量通过本质安全火花试验。

主处理电路以STM32F429单片机为核心。

STM32F429采用带浮点运算单元的ARM Cortex-

M4F内核,其内部集成了TFT液晶屏控制器以及专用的2D图形加速DMA控制器,可直接连接TFT真彩液晶显示屏;运行于168MHz主频时,其耗电小于0.4W。STM32F429以数百kbit/s的速率与采煤机主控系统进行数据交互,并处理端头站控制信号。

TFT真彩液晶显示屏选用带LED背光的10.922cm24位显示屏,分辨率为480×272,可实现较精美的交互显示输出。低电压串联的LED背光灯,配合可软件调节的PWM背光电路,实现了屏幕亮度与功耗的优化,有助于降低端头站总功耗。

为了便于端头站硬件结构分层以及IO扩展,将按钮输入及报警输出部分设计成单独电路板,由超低功耗单片机STM32L151控制。STM32L151与主处理电路中STM32F429之间通过SCI(Serial Communication Interface,串行通信接口)实现高速互连,简化了内部电气连接,有利于量产时组装调试。


端头站软件包含底层驱动程序,中间层开源实时操作系统RTOS,上层各类通信、信号处理、控制逻辑分析、GUI图形显示及辅助程序等模块,如图2所示。


端头站软件以占用系统资源极低的轻量级开源实时操作系统RTOS为基础平台,利用ARM处理器和嵌入式GUI图形库进行开发,*大程度地发挥了单片机的处理效率,实现流畅的GUI图形显示,保证端头站操作的实时性与稳定性。


显示功能基于嵌入式GUI图形接口软件库——emWin开发。显示界面分为时间显示区(有操作提示或报警信息时切换为提示区或报警区)和主显示区(以图标、图像、文字、数字编辑框、进度条等形式显示采煤机操作指令、采煤机采高、牵引速度、位置、电动机参数等),如图3所示。


天地MG250/600AWD2采煤机端头站D02117软件设计时需要注意的关键问题:

(1)各功能模块优先级的合理设定。RTOS采用基于优先级的抢占式任务调度方式,为了使端头站能够迅速可靠地对急停、调高等按钮操作进行反应,将按钮输入功能和与采煤机主控系统通信功能置于高优先级。考虑到GUI图形显示程序运算量大、耗时较长、不确定性高,且显示信息大多源于按钮输入及采煤机主控系统传来的数据,将GUI图形显示功能置于较低优先级。

(2)图像处理。emWin支持显示BMP,PNG格式的图像。BMP格式图像显示快,且屏幕刷新时仅刷新有像素变化的*小矩形区域,直接输出占用内存少,缺点是只能以矩形显示,无法对背景进行透明处理。PNG格式图像的背景可进行透明处理,美观性好,缺点是调取时需刷新整个窗口区域,且每个像素输出时会额外占用4B内存用于计算同背景像素值,图像显示较慢,当内存不足时会出现“死机”现象。为了获得美观的图像显示效果,端头站软件显示图像采用PNG格式,将含有PNG格式图像的部分单独建立小窗口,浮于主显示窗口上。

STM32F429内存有限,可分配给GUI显示计算用的内存空间只有176kB。测试表明,当PNG格式图像显示占用内存不超过100kB时,软件运行比较可靠。由于PNG格式图像每个像素输出时额外占用4B内存,所以设置含PNG格式图像的窗口像素不超过25kB。

(3)文字处理。井下光线暗,有煤尘和喷雾,可视度较低,因此要选择醒目的字体和颜色搭配。经反复试验,选取宋体24号字为主字体,在特定情况下采用少量黑体和19号宋体字;考虑到红光在黑暗、粉尘、水雾环境中的穿透性强,关键文字采用红色显示。

(4)窗口创建、删除。显示屏可显示时间窗口、默认窗口、指令窗口、提示窗口、报警窗口、整机图形化窗口等。端头站软件根据逻辑分析,判断何时创建、何时删除哪些窗口,使句柄始终指向正确位置,否则会导致“死机”。


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