图1 新型端头站硬件组成
赵名， 邱锦波
(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)
摘要：针对现有采煤机用端头站大多仅有采煤机操控功能、少数产品显示形式单一的问题，设计了一款带真彩图形显示的新型采煤机用端头站，介绍了该端头站的软、硬件设计方案。该端头站已在某型号采煤机上试用，结果表明其操作响应速度快，运行可靠，显示清晰，画面切换流畅，单个端头站耗电小于2.5 W。
关键词：采煤机； 端头站； 真彩图形显示
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[1-2]。
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) 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GUI图形用户界面开发，界面友好、现代化[3-7]，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100 ms)。
(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[8]。
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。
图1 新型端头站硬件组成
端头站采用4.75~5.5 V低额定供电电压，内部处理器及3.3 V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3 MHz。与常见的200~300 kHz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μF减小为10 μF，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168 MHz主频时，其耗电小于0.4 W。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10.922 cm 24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。
图2 端头站软件组成
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，最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。
图3 显示界面
端头站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最小矩形区域，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4 B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176 kB。测试表明，当PNG格式图像显示占用内存不超过100 kB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4 B内存，所以设置含PNG格式图像的窗口像素不超过25 kB。
(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”。
新型采煤机用端头站已在某型号采煤机上试用，其操作响应速度快，运行可靠，显示清晰，人机界面友好，画面切换流畅，单个端头站耗电小于2.5 W。
参考文献：
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赵名，邱锦波.一种新型采煤机用端头站[J].工矿自动化，2016,42(1)：52-54.
ZHAO Ming， QIU Jinbo
(Shanghai Branch of Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Shanghai 200030, China)
Abstract:For problems of single shearer control function existed in most terminal operation stations for shearer and single displaying form existed in a few productions, a new type of terminal operation station for shearer with true color graphic display function was designed, and design schemes of software and hardware of the terminal operation station were introduced. The terminal operation station has been applied in a shearer resulting in fast response, reliable operation, clear displaying and smooth picture switching as well as few energy consumption of a single terminal operation station of less than 2.5 W.
Key words:shearer; terminal operation station; true color graphic display
作者简介：赵名(1978-)，女，黑龙江鸡西人，工程师，硕士，现主要从事采煤机电气控制及传感器检测装置研发工作，E-mail：zm007ok@163.com。
基金项目：天地科技股份有限公司技术创新基金资助项目(KJ-2014-TDSH-03)。
收稿日期：2015-09-10；修回日期：2015-11-28；责任编辑：李明。
中图分类号：TD632.1
文献标志码：A 网络出版时间：2015-12-31 15:59
文章编号：1671-251X(2016)01-0052-03 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.015