一种交互式数字化无线遥控起爆器及其设计和控制方法 |
|||||||
| 申请号 | CN201710164709.9 | 申请日 | 2017-03-20 | 公开(公告)号 | CN106707905A | 公开(公告)日 | 2017-05-24 |
| 申请人 | 北京恒卫科技有限公司; | 发明人 | 孙伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种交互式数字化无线遥控起爆系统，包括多个起爆执行模 块 (1)、多个现场 控制器 (2)、电源模块(3)、 无线通信模块 (4)、远程控制器(5)，其特征在于:起爆执行模块(1)，用于向其相连的 雷管 输出起爆 电流 ，引爆爆炸装置；现场控制器(2)，用于等待接收远程控制器(5)的操作命令，并作出相应的动作，控制电源模块(3)输出恒定电流 信号 ，控制起爆执行模块(1)的继电器输出电流信号至外接雷管，同时将现场控制器(2)的状态实时发送回远程控制器(5)；该发明的设计方案可以对系统的各个状态进行实时监控，解决了之前设备中起爆状态无法判断的 缺陷 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种交互式数字化无线遥控起爆系统，包括多个起爆执行模块(1)、多个现场控制器(2)、电源模块(3)、无线通信模块(4)、远程控制器(5)，其特征在于:其特征在于:其特征在于: |
||||||
| 说明书全文 | 一种交互式数字化无线遥控起爆器及其设计和控制方法技术领域[0001] 本发明涉及爆破控制领域，尤其涉及一种交互式数字化无线遥控起爆器。 背景技术[0002] 21世纪是技术成熟并逐步应用的时代，信息技术、光电技术、电子技术等迅猛发展，无线遥控技术也相应的发展成熟。无线遥控设备分为远程控制器5和受控端两部分，远程控制器5把控制命令以某种特定编码的方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理并完成相应的控制操作。目前，无线遥控技术被广泛地应用于军事、生活的各个领域。然而，国内现有的起爆方式仍以有线控制为主，无线遥控在这方面还处于刚刚起步阶段。有线控制方式存在灵活性差、资源浪费、操作复杂、繁琐等缺点。部分公司产品实现了简单的无线引爆功能，其引爆方式采用简单的射频通信方式，控制功能单一，只能实现一发一收的简单工作。这种方式缺点明显：首先，控制端与受控端不能进行实时通信，控制端对受控端的当前状态不能监控，包括受控端开机状态、接线状态、起爆状态等；其次，控制技术简单，可靠性差，这在爆破工程里边就意味着安全性差；最后，这种控制方式属于点对点通信，即一台控制机对应一台受控机，使用过程仍然存在诸多不便；对于多点起爆的场所，其应用更加繁琐。 发明内容[0003] 本发明的目的是通过远程控制器与现场控制器之间稳定有效地相互通信，能够免疫周围复杂环境干扰和设备相互之通信干扰，实现一个控制中心同时对多个分散式分机执行机构的控制起爆任务，实现快速的爆破准备，并通过时间同步的无线控制方式实现不同起爆点的同步起爆。本发明的另一个目的是提供一种通过复杂的加密处理、控制方法及通信方法，从而克服复杂环境下实现同一台远程控制器对现场端多台控制机的实时高效地控制；并将这种可靠的无线通信技术成功的应用到遥控起爆设备中，与传统起爆方式相结合的，达到远程遥控起爆的目的。 [0006] 现场控制器，用于等待接收远程控制器的操作命令，并作出相应的动作，控制电源模块输出恒定电流信号，控制起爆执行模块的继电器输出电流信号至外接雷管，同时将现场控制器的状态实时发送回远程控制器； [0007] 电源模块用于为起爆执行模块、现场控制器、无线通信模块、远程控制器提供稳定的5V、3.3V和1.2A电源； [0008] 无线通讯模块采用TRS4463芯片，用于发送远程控制器的操作指令，并接收现场控制器传回的系统状态信息；同时无线通讯模块还用于发送现场控制器的状态信息，并接收远程控制器的操作指令。 [0010] 步骤1、进行交互式数字化无线遥控起爆系统CPU设计，交互式数字化无线遥控起爆系统的CPU采用STM32单片机； [0011] 步骤2、进行无线传输模块的设计，无线传输模块选用与远程控制器相同的收发模块，并与远程控制器配套使用；通过8位的拨码开关设定现场控制器的无线收发频率与同组内的远程控制器的收发频率保持一致；通过另外的8位拨码开关控制现场控制器的序号，与其他同组别的现场控制器相互区分开，从而使远程控制器对各个现场控制器能够独立地控制； [0012] 步骤3、进行引爆功能模块设计，具体包括： [0013] 步骤3.1、在供电电源一侧，升压芯片的使能信号与电源输入信号采用联动控制方式，通过一组控制信号同时实现对以上两个被控量的通断控制。做到升压电路工作同时电压信号供电电路，在升压电路不工作时从源头上切断电压信号，增加电路安全性； [0014] 步骤3.2，输出电流到达雷管前，必须经过两个单刀双掷的继电器开关，并对两路继电器分开控制，从而对电源信号和回路信号同时控制，只有当电源能供电并且两个继电器开关同时打开时，才能够在雷管电阻上流过1.2A的电流，完成引爆工； [0015] 步骤4、进行电源模块设计： [0016] 现场控制器需要根据实际需要，安装在靠近引爆点的地方，其电源选用电池组供电电源；电池组电压通过可控电压变换芯片MP2303将电池组的9V电压降到6V和5V电压，供交互式数字化无线遥控起爆系统中的PA继电器使用；再通过低压差电压调节器LM1117-3.3将电压降到3.3V，供交互式数字化无线遥控起爆系统中的CPU和无线通讯模块使用。 [0017] 进一步地，本发明还提供了一种用于交互式数字化无线遥控起爆系统的控制方法，具体包括以下步骤： [0019] 步骤2、启动：打开远程控制器启动按钮，远程控制器通过LCD显示系统电量，现场控制器连接状态；通过按键选择起爆节点的现场控制器进行通信连接，并在接收到反馈信息后将现场控制器的信息显示在控制面板上； [0020] 步骤3、解除保险：远程控制器打开保险按钮，交互式数字化无线遥控起爆系统进入准备起爆的状态；现场控制器接收到保险解除命令后，开始测量外部连接的雷管电阻，并将电阻信息上传到远程控制器；同时，24V起爆电压电路使能，供电电路处于工作状态；远程控制器将接收到的现场信息在显示界面显示，等待下一步操作； [0021] 步骤4、起爆：远程控制器打开起爆按钮，将起爆命令发送到指定的现场控制器；现场控制器接收到起爆命令后将继电器切换到24V输出，同时，外部在连接雷管的接线端子上输出24V，并保持数秒时间，雷管被引爆，断开供电电路；现场控制器将起爆状态和自身信息反馈到远程控制器，并在远程控制器显示。 [0022] 进一步地，本发明还提供了一种用于交互式数字化无线遥控起爆系统的通讯方法，其特征在于： [0023] 现场控制器和远程控制器之间采用GFSK通信方式，通过专用IC实现；现场控制器和远程控制器之间采用AES128算法加密；远程控制器发送的每条控制指令为定长指令，每条控制指令包含操作命令和时间序列两部分信息； [0024] 现场控制器采用中断方式接收指令，即在接收完数据包后发生中断； [0025] 远程控制器和现场控制器之间通信的时间精度高于1ms； [0026] 远程控制器的指令采用多次发送和广播的形式与现场控制器进行通信，并且控制指令的发送时间间隔为固定时间T，现场控制器可以根据接收中断发生时间和包序号推算出主机的时间； [0028] 本发明的有益效果在于： [0029] 1、与现有的以有线引爆为主流技术相比，该发明的设计可以做到远距离无线遥控，可以节省大量的线缆，可以节省大量的人力物力的投入。 [0030] 2、从机起爆装置安装简单、灵活，使用方便。 [0032] 4、该发明的设计实现了一个发射主机对多个起爆从机的同时操作，可以实现多点起爆控制。 [0034] 图1是一种遥控多通道爆破控制装置的各功能组成配图； [0035] 图2是现场控制器组成各功能模块关系相关配图； [0036] 图3是电源模块相关原理组成配图； [0037] 图4是本遥控多通道爆破控制装置的原理示意图； [0038] 图5是远程控制器数据帧发送方式相关配图； [0039] 图6是远程和现场控制器之间通信相关配图； 具体实施方式[0040] 以下结合附图1-6对本发明的技术方案进行详细说明。 [0041] 如图1所示，该实施例提供了一种交互式数字化无线遥控起爆系统，该交互式数字化无线遥控起爆系统包括多个起爆执行模块1、多个现场控制器2、电源模块3、无线通信模块4、远程控制器5，其中： [0042] 起爆执行模块1，用于向与它相连的雷管输出起爆电流，引爆爆炸装置； [0043] 现场控制器2，用于等待接收远程控制器5的操作命令，并作出相应的动作，控制电源模块3输出恒定电流信号，控制起爆执行模块1的继电器输出电流信号至外接雷管，同时将现场控制器2的状态实时发送回远程控制器5； [0044] 电源模块3用于为起爆执行模块1、现场控制器2、无线通信模块4、远程控制器5提供稳定的5V、3.3V和1.2A电源； [0045] 无线通讯模块4采用TRS4463芯片，用于发送远程控制器5的操作指令，并接收现场控制器2传回的系统状态信息；同时无线通讯模块4还用于发送现场控制器2的状态信息，并接收远程控制器5的操作指令； [0046] 无线通讯模块4选用Silicon Labs的Si4463低电流收发模块，其频段范围十分广阔，覆盖了119MHz至1050MHz的Sub-1GHz频段。其工作和休眠状态具有相对非常低的功耗，采用SPI的通讯方式，最快可达10MHz。设计中充分发挥Si4463的优点，通过8位的拨码开关设定远程控制器的无线收发频率，做到不同组的起爆控制系统在同一起爆环境中，相互独立没有干扰，使系统工作过程更加稳定、可靠。 [0047] 远程控制器5，用于实时显示系统工作状态，向现场控制器2发送操作命令，同时接收现场控制器2传回的系统当前工作状态。远程控制器5包括液晶显示模块和输入模块，其中分别液晶显示模块包括LCD、指示灯；输入模块包括键盘、按钮保险、起爆输入部分。远程控制器5的CPU采用是意法半导体生产的专用于嵌入式方向的STM32单片机：STM32F103RBT6是F1系列的增强型产品，是同类产品中性能最高的产品。其系统时钟最高可达72MHz，内置128K闪存，可支持USART、IIC、SPI、CAN等多种不同的通信方式，应用更及灵活方便，可以满足不同外设的需求。 [0048] STM32F103RBT6与其相匹配的晶振电路、复位、去耦电路，共同组成了远程控制器的CPU系统。远程控制器5是工作人员发出控制命令、观察系统状态、观察雷管起爆状态的工具，因此，远程控制器5还设置有人机交互模块。首先，人机交互模块能够显示系统状态、现场端雷管的起爆状态。显示屏选用串口显示屏，串口显示屏添加有串口保护电路。该实施例中采用PRTR5V0U2X超低容值轨对轨静电放电保护二极管保护电路，使串口线在高速数据传输的过程中免受静电放电和其他瞬变对信号的影响。控制指令的输入采用的是按键输入方式，一个按键对应现场的一台控制机，按键之间按照特定的顺序排布，并标明各自对应的现场控制器的编号，方便多台现场控制器同时使用，更加简便、直观。 [0049] 如图2所示，现场控制器2包括微处理单元7，微处理单元7分别与无线通信模块4、电源模块3、数据存储模块6和起爆执行模块1相连，电源模块3还分别与无线通信模块4、起爆执行模块1相连。起爆执行模块1包括起爆升压电路、起爆控制电路。 [0050] 如图3所示，所述的电源模块3包括电池充电电路3-1、+3.6V电池组3-2、电容C1、过流保护电路3-3、二极管D1、+5V升压电路3-4、+3.3V稳压电路3-5、1.2A恒流电路3-6，充电电路3-1的正负极与+3.6V电池组的正极和负极相连接，+3.6V电池组3-2正极与+5V电源升压电路3-4输入端之间连接过流保护电路3-3，过流保护电路3-3输出端与+3.3V稳压电路3-5输入端连接二极管D1，其中，D1的正极与过流保护电路3-3的输出端相连，二极管D1的负极与3.3V稳压电路3-5和1.2A恒流电路3-6的输入端相连。 [0051] 从便携性和实用性的角度考虑，控制机的电源选用电池组供电。电池组电压通过可控电压变换芯片MP2303组成的降压电路，将电池组的9V电压降到6V；系统中的CPU、显示屏、无线通讯模块的供电电压是3.3V供电，因此，电源模块又加入了低压差电压调节器LM1117-3.3，将电压降低到3.3V，给电路板的各个模块供电。 [0052] 为提高系统的耐用性，电池组采用可充电锂电池组，因此在电源模块中集成了为电池组充电的电路设计。锂电池组充电电路由MP26123DR-LF-Z稳压芯片及其工作电路组成，其充电输入电压最大可达24V，充电电流可达2A，电路设计中包括两个精确控制充电电流和充电电压的控制回路，使充电状态更稳定。电路的安全设计包括电流限制和热关断开关，在电路故障或者其他突发事件导致电流过大时可以及时切断电路，保护电路和电池组安全。 [0053] 如图4所示，远程控制器5与现场控制器2之间使用基于ISM频段的无线通信技术，使用GFSK调制技术。两者之间使用10KSPS的通信速率，为防止其他设备或者外界环境中对设备的影响和干扰，该实施例中采用软件密码配对的加密方式与选频技术相结合的方法，使得远程控制器5和现场端的通信更加安全、可靠。 [0054] 该实施例还提供了一种交互式数字化无线遥控起爆系统的硬件电路设计方法： [0055] 步骤1、进行交互式数字化无线遥控起爆系统CPU设计，交互式数字化无线遥控起爆系统的CPU采用的是意法半导体公司出品的STM32单片机，具体型号采用STM32F103C8T6。与在远程控制器5的CPU采用的产品型号在性能上基本保持一致。 [0056] 步骤2、进行无线传输模块(4)的设计，无线传输模块(4)选用与远程控制器5相同的收发模块—Silicon Labs的Si4463，与远程控制器5配套使用，具有相同的频率范围、信号频率和信号质量。 [0057] 与现场控制器2通信采用SPI的通讯方式，最快可达10MHz。设计中通过8位的拨码开关设定现场控制器2的无线收发频率与同组内的远程控制器5的收发频率保持一致；通过另外的8位拨码开关控制现场控制器2的序号，与其他同组别的现场控制器2相互区分开，使远程控制器5对各个现场控制器2能够独立地控制，使系统工作更加灵活。 [0058] 步骤3、进行引爆功能模块设计： [0059] 步骤3.1、在供电电源一侧，升压芯片的使能信号与电源输入信号采用联动控制方式，通过一组控制信号同时实现对以上两个被控量的通断控制；做到升压电路工作同时电压信号供电电路，在升压电路不工作时从源头上切断电压信号，增加电路安全性； [0060] 步骤3.2，输出电流到达雷管前，必须经过两个单刀双掷的继电器开关，并把两路继电器分开控制；对电路的电源信号和回路信号同时控制，只有当电源能供电并且两个继电器开关同时打开时，才能够在雷管电阻上流过1.2A的电流，完成引爆工作。 [0061] 引爆功能是现场控制器2区别于远程控制器5的最显著的功能模块，也是现场控制器2最核心、最重要的组成部分。引爆功能模块是整个系统设计中的执行机构，引爆功能模块直接作用对象是外部的雷管，控制引爆功能模块输出足够大的电流来引爆雷管。安全性和有效性是引爆系统设计中尤为关注的特性，因此，在引爆功能模块中既要保证输出电流能够引爆雷管，又要防止在没有引爆命令时模块发生误操作，这在实际应用中是非常致命的。 [0062] 为防止引爆功能模块误操作带来的危险，在本设计中，该实施例采用源头控制、分层次、多节点控制来对电路的安全运行提供保障。 [0063] 当发生故障时，即使某一开关误动作导通，其他开关仍然能够切断回路，使工作回路处于断路状态，雷管无法被引爆。 [0064] 步骤4、进行电源模块设计： [0065] 由于现场控制器2需要根据实际需要安装在靠近引爆点的地方，因此要尽可能的轻巧便于携带安装，由于安装位置的不确定性，其电源选用电池组供电电源。 [0066] 电池组电压通过可控电压变换芯片MP2303及电路，将电池组的9V电压降到6V和5V电压，供交互式数字化无线遥控起爆系统中的PA继电器使用； [0067] 再通过低压差电压调节器LM1117-3.3将电压降到3.3V，供交互式数字化无线遥控起爆系统中的CPU和无线通讯模块使用。 [0068] 现场控制器系统电路板设计中还集成了电池组充电电路，电池组采用可充电锂电池组。锂电池组充电采用与远程控制器5相同的充电芯片—MP26123DR-LF-Z稳压芯片，其充电输入电压可达24V，充电电流可达2A。由于现场控制器距离引爆点较近，引爆过程中对控制机的冲击较大，电路的安全设计中包括电流限制和热关断开关，在电路故障或者其他突发事件导致电流过大时可以及时切断电路，保护系统电路和电池组安全。 [0069] 现场控制器最主要的工作是引爆雷管，而引爆雷管需要满足一定的条件，即雷管必须获得足够多的能量，这就要求供电电路要能够提供稳定的大电流输出到雷管所在的电路。本发明中采用大功率升压/降压芯片XL6019来实现，由XL6019构成的恒流源供电电路，其输出电流恒为1.22A，最大输出电压60V。恒流源电路是雷管引爆的直接供电电路，它的工作状态的好坏直接决定设备的品质。所以该实施例在设计中，恒流源电路的输入、使能、输出端全部控制在CPU下工作，保证了电路工作的安全性、稳定性。 [0070] 本发明还提供一种交互式数字化无线遥控起爆系统的控制方法，具体包括以下步骤： [0071] 步骤1、进行前期准备：现场控制器2采用多起爆点单机控制，需要预先将现场控制器2放入指定的起爆点，并打开现场控制器2，并检查仪器状态，等待远程控制器5发出命令。 [0072] 步骤2、启动：打开远程控制器5启动按钮，远程控制器5通过LCD显示系统电量，现场控制器2连接状态；通过按键选择起爆节点的现场控制器2进行通信连接，并在接收到反馈信息后将现场控制器2的信息显示在控制面板上。 [0073] 步骤3、解除保险：远程控制器5打开保险按钮，交互式数字化无线遥控起爆系统进入准备起爆的状态；现场控制器2接收到保险解除命令后，开始测量外部连接的雷管电阻，并将电阻信息上传到远程控制器5；同时，24V起爆电压电路使能，供电电路处于工作状态。远程控制器5将接收到的现场信息在显示界面显示，等待下一步操作。 [0074] 步骤4、起爆：远程控制器5打开起爆按钮，将起爆命令发送到指定的现场控制器2；现场控制器2接收到起爆命令后将继电器切换到24V输出，同时，外部在连接雷管的接线端子上输出24V，并保持数秒时间，雷管被引爆，断开供电电路。现场控制器2将起爆状态和自身信息反馈到远程控制器5，并在远程控制器显示。 [0075] 该实施例中，本发明还提供了一种远程控制器5和现场控制器2之间采用高速高可靠性的通信协议，通过逻辑电路和软件编程的方式实现起爆在时间上的精确同步。 [0076] 该实施例还提供了一种用于实现交互式数字化无线遥控起爆系统的控制方法的远程通信方法，其特征在于：现场控制器2和远程控制器5之间采用GFSK通信方式，通过专用IC实现；现场控制器2和远程控制器5之间采用AES128算法加密；远程控制器5发送的每条控制指令为定长指令，每条指令包含操作命令和时间序列两部分信息；现场控制器2采用中断方式接收指令，即在接收完数据包后发生中断；远程控制器5和现场控制器2之间通信的时间精度高于1ms；远程控制器5的指令采用多次发送、广播形式与现场控制器2进行通信，远程控制器5指令多次发送可以保证现场控制器2能够可靠地接收；并且控制指令的发送时间间隔为固定时间T，现场控制器2可以根据接收中断发生时间和包序号推算出主机的时间。远程控制器5控制指令广播发送后，现场控制器2根据自身序号和指令的广播帧号，判断自己应该进行发送回复指令的时间节点，以避免和其他现场控制器在通信时发生碰撞，减小信息发生错误的概率，提高通信的可靠性。 [0077] 通过以上方式，可以实现1台远程控制器与12台现场控制器在100ms内完成一次同步操作的功能，能够使同一组别的现场控制器之间在起爆时间上的差异不超过10ms。 [0078] 此外，远程控制器发送广播指令控制方法：此指令需要指定现场控制器回复，或者所有现场控制器回复；远程控制器5的广播指令为定长时间t，在实际中此时间为10ms，发送12个字节。远程控制器5的广播指令含有一个帧的序号，来标记广播帧的发送顺序。正常情况下，现场控制器2在接收到第一个广播指令时发生中断，当距离较远或者信号恶劣情况下可能丢失掉第一个数据帧，直到第二个或者第三个广播指令才接收到并发生中断。为便于示意，我们在图5和图6的广播帧流程图中假设接收到的是第二个广播指令。 [0079] 现场控制器发送应答指令控制方法：现场控制器2接收到指令后，根据自身序号和接收到广播帧的序号计算出需要等待的时间，判断是否到达自己的发送周期，并在自己的发送周期将回复帧T2发送给远程控制器5。 [0080] 尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。 |
||||||
