KR101016538B1 - 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법 및 그 방법을 이용한 전자식 뇌관 - Google Patents

마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법 및 그 방법을 이용한 전자식 뇌관 Download PDF

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박윤석
양재현
강용묵
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안병호
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Abstract

본 발명은 뇌관 발파 지연시간 설정 및 폭파 명령 등의 주제어장치 명령에 따라 지연시간 경과 후 뇌관을 정밀하게 격발할 수 있도록 제어하는 전자식 뇌관에 있어서,주제어장치로부터 수신한 신호원을 정류하는 정류회로, 상기 정류회로의 출력에 연결되며, 분압회로에 의하여 분압되어 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하는 전원저장회로, 상기 분압회로에 의하여 분압되어 뇌관에 에너지를 공급하는 발파용 에너지 저장회로, 상기 발파용 에너지 저장회로에 저장되어 있는 에너지를 뇌관에 공급하기 위한 스위칭회로, 상기 스위칭회로와 뇌관 사이에 연결되어 외부의 갑작스런 전기적인 충격으로부터 뇌관을 보호하기 위한 션트회로, 제1항에서의 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법에 따라 타이머를 작동하여, 기폭지연시간 후 상기 스위칭회로를 제어하여 뇌관을 발파하는 마이크로컨트롤러를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관을 제공한다.
본 발명에 의하면, 기폭초시를 매우 짧은 1/1,000초까지 매우 정밀한 시차를 유지하면서 차례로 점화하여 폭발시킬 수 있는 전자식 뇌관으로서, 발파에 따른 진동과 소음, 발파 현장의 파쇄도 개선 효과 및 터널 개설시의 과굴착 제어에 따른 비용을 현저히 감소시킬 수가 있다는 장점이 있다.
뇌관, 전자식 지연뇌관, 발파, MCU, 내부 RC발진, Detonator

Description

마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법 및 그 방법을 이용한 전자식 뇌관{Method for setting reference time in microcontroller and Electronic Detonator using thereof}
본 발명은 암반 또는 건물 등의 파괴 대상에 복수의 폭발물을 장착하여 폭발물을 순차적으로 발파하기 위한 발파 작업에 있어 기폭 시간을 정밀하게 제어하는 전자식 뇌관에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 마이크로컨트롤러에 내장된 RC발진기의 정밀도를 향상시킨 기준시간 설정 알고리즘 및 이를 이용하여 정밀하게 뇌관 기폭 지연시간을 측정하여 뇌관 기폭 지연시간 이후 뇌관을 격발할 수 있도록 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법 및 그 방법을 이용한 전자식 뇌관에 관한 것이다.
발파기술(Blasting Technique)은 오랜 시간에 걸친 경험과 개발을 바탕으로 꾸준히 발전하고 있다. 전자식 뇌관은 주제어장치로부터 공급된 전기 에너지를 에너지 축적 회로에 저장하여, 소정의 지연 시간 경과 후 에너지 축적 회로에 저장된 에너지를 뇌관에 공급되도록 스위칭 동작을 수행한다. 고속으로 발전하는 전자산업의 기술을 도입하여 뇌관기폭초시(Delay Time)를 집적회로(Integrated Circuit)로 조정할 수 있는 전자식 뇌관(Electronic Detonator)이 개발되어 그 활용도를 높이고 있다.
종래의 뇌관은 지연 엘레멘트(Delay Element)를 내장하여 엘레멘트의 연소 시간을 기폭초시로 설정하였으며 기폭초시 정밀성이 전자식 뇌관보다는 현저히 떨어지며 또한 제조시에 기폭초시를 결정하기 때문에 사용시에는 기폭초시 변경이 불가능하다.
이에 비해 전자식 뇌관은 고밀도 집적회로를 사용하여 기폭초시의 정밀성을 높이고 주제어장치(장입기)와의 2선식 통신을 사용하여 임의로 기폭초시를 설정 및 변경할 수 있으며, 현장에서도 설치된 뇌관 상태 확인과 기폭초시를 변경할 수 있다.
그러나 현재 사용되는 전자식 뇌관의 통신 방식은 시리얼 비동기 통신을 사용하는데 뇌관 크기의 한정성과 가격 문제 때문에 정밀도 향상을 위하여 크리스탈 발진기를 사용하지 않고 있다.
따라서 통신 체계에 대한 샘플링이 정확하지가 않아서 상대적으로 통신 속도가 늦고, 다량의 뇌관을 연결한 경우에는 각 뇌관의 기폭초시 확인과 설정에 많은 시간이 소요되며, 뇌관을 장거리(수Km) 상태로 설치할 경우에는 통신에러가 자주 발생하여 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주제어장치로부터 수신되는 프리앰블에 의하여 변화없이 고정적으로 샘플링 동작을 정확하게 할 수 있는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용하여 정밀하게 뇌관 기폭 지연시간을 측정하여 뇌관 기폭 지연시간 이후 뇌관을 발파할 수 있도록 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부의 갑작스런 전기적인 충격(낙뢰, 정전기 등의 전기적인 충격)으로부터 뇌관을 보호하기 위한 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법은 마이크로컨트롤러에 내장된 RC 발진기의 정밀도를 향상시키기 위한 기준시간 설정방법에 있어서, 주제어장치로부터 시작펄스와 정지펄스를 포함하는 프리앰블을 포함한 데이터 프레임을 수신하는 단계; 상기 프리앰블을 수신받는 마이크로컨트롤러에서 프리앰블의 시작펄스를 수신하는 즉시 마이크로컨트롤러에 내장되어 있는 RC발진기에 의한 발진 클럭을 카운트하기 시작하여 프리앰블의 정지펄스를 수신할 때까지 카운트하여 이 계수값을 마이크로컨트롤러의 제1레지스트리에 저장하는 단계; 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 계수가 현재의 온도, 전압에서 기준시간인 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값을 제2레지스트리에 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 프리앰블의 전체 표준펄스 개수로 나누어 1비트 폭을 정의하는 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 카운터 값을 제3레지스트리에 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값은 프리앰블의 표준 펄스에 사전에 정의된 1비트 시간에 해당되는 값을 곱한 값을 1ms로 나눔으로써 표준 펄스에 대한 기준시간인 1ms에 해당하는 확정값을 구한 후, 상기 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 확정값으로 나누어 얻어지는 값인 것을 특징으로 한다.
또한 마이크로컨트롤러의 타이머 동작은 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기의 기준시간인 1ms값을 정의하는 카운터 값이 저장되어 있는 제2레지스트리값과 마이크로컨트롤러가 주제어장치로부터 발파 명령을 수신함과 동시에 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기의 내부 클럭을 계수하는 값이 동일할 경우 1ms씩 증가하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 구현하기 위한 본 발명의 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관은 뇌관 발파 지연시간 설정 및 폭파 명령 등의 주제어장치 명령에 따라 지연시간 경과 후 뇌관을 정밀하게 격발할 수 있도록 제어하는 전자식 뇌관에 있어서, 주제어장치로부터 수신한 신호원을 정류하는 정류회로, 상기 정류회로의 출력에 연결되며, 분압회로에 의하여 분압되어 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하는 전원저장회로, 상기 분압회로에 의하여 분압되어 뇌관에 에너지를 공급하는 발파용 에너지 저장회로, 상기 발파용 에너지 저장회로에 저장되어 있는 에너지를 뇌관에 공급하기 위한 스위칭회로, 상기 스위칭회로와 뇌관 사이에 연결되어 외부의 갑작스런 전기적인 충격으로부터 뇌관을 보호하기 위한 션트회로, 제1항에서의 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법에 따라 타이머를 작동하여, 기폭지연시간 후 상기 스위칭회로를 제어하여 뇌관을 발파하는 마이크로컨트롤러를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마이크로컨트롤러는 주제어장치로부터 시작펄스와 정지펄스를 포함하는 프리앰블을 포함한 데이터 프레임을 수신하는 단계; 상기 프리앰블을 수신받는 마이크로컨트롤러에서 프리앰블의 시작펄스를 수신하는 즉시 마이크로컨트롤러에 내장되어 있는 RC발진기에 의한 발진 클럭을 카운트하기 시작하여 프리앰블의 정지펄스를 수신할 때까지 카운트하여 이 계수값을 마이크로컨트롤러의 제1레지스트리에 저장하는 단계; 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 계수가 현재의 온도, 전압에서 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값을 제2레지스트리에 저장하는 단계; 주제어장치로부터 발파 명령을 수신하는 경우, 상기 제2레지스트리값과 마이크로컨트롤러가 주제어장치로부터 발파 명령을 수신함과 동시에 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기의 내부 클럭을 계수하는 값이 동일할 경우 기준시간인 1ms씩 증가하도록 타이머를 동작하는 단계; 상기 타이머 작동에 의하여 측정된 시간과 뇌관의 비휘발성 저장수단에 사전 설정된 뇌관 지연 시간이 일치하는 경우 션트회로를 개방하는 단계; 및 스위칭회로를 단락시켜 뇌관 휴즈헤드에 발파용 에너지 저장회로에 축적된 전하를 급격히 방출시켜 뇌관을 폭발하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마이크로컨트롤러는 주제어장치로부터 뇌관의 기폭 지연시간 설정명령을 수신하는 경우, 비휘발성 저장수단에 상기 기폭 지연시간값을 저장하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마이크로컨트롤러는 주제어장치로부터 뇌관의 기폭 지연시간 설정값 송신명령을 수신하는 경우, 비휘발성 저장수단에 설정된 기폭 지연시간 설정값을 주제어장치로 송신하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 마이크로컨트롤러는 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 프리앰블의 전체 표준펄스 개수로 나누어 1비트 폭을 정의하는 마이크로컨트롤러의 내장 된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 카운터 값인 제3레지스트리에 저장된 값을 이용하여 펄스폭을 형성하고, 송신회로의 트랜지스터Q1을 스위칭하여 하이(H) 또는 로우(L) 신호를 출력함으로써 주제어장치에 뇌관의 연결상태 및 상기 비휘발성 저장수단에 설정된 기폭 지연시간 설정값을 주제어장치로 송신하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전원저장회로는 R1과 R2에 의하여 분압된 전압에 따라, R4와 다이오드 D2와 커패시터 EC2가 직렬로 연결되어 상기 커패시터 EC2에 전하가 축적되며, 상기 커패시터 EC2와 병렬로 제너다이오드 ZD1을 연결하여 정전압을 유지하도록 함으로써 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발파용 에너지 저장회로는 R1과 R2에 의하여 분압된 전압에 따라, R3와 다이오드 D1과 커패시터 EC1이 직렬로 연결되어 상기 커패시터 EC1에 전하가 축적되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 션트회로는 발파용 에너지 저장회로에 전하가 축적되기 시작할 때부터 트랜지스터Q4 및 트랜지스터Q5가 단락되어 뇌관의 양단이 접지되어 외부의 갑작스런 전기적인 충격으로부터 뇌관을 보호하며, 발파시에는 상기 트랜지스터Q5가 개방됨으로써 상기 트랜지스터Q4도 개방되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 스위칭회로는 주제어장치의 발파명령에 의하여 기폭 지연시간 후 마이크로컨트롤러의 제어에 의하여 트랜지스터Q2가 단락되면 트랜지스터Q3가 단락되어 뇌관 휴즈헤드 양단에 발파용 에너지 저장회로에 축적된 전하를 급격히 방출시켜 뇌관을 폭발하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법 및 그 방법을 이용한 전자식 뇌관에 의하면, 기준시간 설정방법을 이용하여 발진회로를 내장한 범용의 마이크로컨트롤러를 사용함으로써 기폭초시의 정밀성 및 에러 없는 통신상태를 유지하며, 또한 현재 사용되고 있는 전자식 뇌관보다 현저하게 제조원가를 줄일 수 있다.
전자식 뇌관 제품이 가지고 있는 정밀성 및 파쇄 효과 향상, 진동 감소 등의 장점을 알면서도 기존의 전자식 뇌관의 매우 비싼 가격 때문에 사용하지 못했던 소비자에게 저렴한 가격의 전자식 뇌관을 공급함으로써 보다 많은 산업의 효과와 이익을 창출할 수 있다.
본 발명의 전자식 뇌관은 현재 많이 사용하고 있는 연시제를 이용한 뇌관과 비교하여 기폭초시의 정밀도를 비약적으로 향상시킨 것으로써, 그 기폭초시를 매우 짧은 1/1,000초까지 매우 정밀한 시차를 유지하면서 차례로 점화하여 폭발시킬 수 있는 전자식 뇌관이다. 따라서 발파에 따른 진동과 소음, 발파 현장의 파쇄도 개선 효과 및 터널 개설시의 과굴착 제어에 따른 비용을 현저히 감소시킬 수가 있다는 장점이 있다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정하기 위하여 주제어장치로부터 수신한 프리앰블을 포함한 데이터 프레임 및 샘플링을 나타내는 간략도이다.
먼저 주제어장치는 뇌관 발파 지연시간 설정 및 폭파 명령 등을 뇌관 격발을 제어하는 마이크로컨트롤러(MicroControler Unit:이하 MCU라 한다)에 전송한다. 도 1에서 보는 바와 같이, 주제어장치는 통신 개시 시점에서 정밀한 클럭을 발생시켜 발진하는 클럭을 소스로 사용하여 MCU에 프리앰블, 명령어, 주소 및 데이터 정보를 갖는 데이터 프레임을 전송한다.
도 1a에서 보는 바와 같이, MCU는 시작펄스, 임의의 길이를 갖는 펄스, 및 정지펄스를 포함하는 일정 길이의 시간 표준 펄스를 프리앰블의 형태로 주제어장치로부터 수신한다. 여기서 각 전자식 뇌관의 MCU들은 모두 주제어장치와 병렬로 연결되어 프리앰블을 포함하는 데이터 프레임을 수신받아 독립적으로 동작한다.
여기서 각 전자식 뇌관의 MCU들은 프리앰블의 시작펄스를 수신하는 즉시 MCU에 내장되어 있는 RC발진기에 의한 발진 클럭을 카운트하기 시작하여 프리앰블의 정지펄스를 수신할 때까지 카운트하여 이 계수값을 MCU의 제1레지스트리에 저장한다.
다음으로 MCU의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 계수가 현재의 온도, 전압에서 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값을 제2레지스트리에 저장한다. 먼저 프리앰블의 표준 펄스에 사전에 정의된 1비트 시간에 해당되는 값을 곱한 값을 1ms로 나눔으로써 표준 펄스에 대한 기준시간인 1ms에 해당하는 확정값(X)을 구한 후, 상기 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 확정값(X)으로 나누어 MCU의 내장된 RC발진기의 기준시간인 1ms값을 정의하는 카운터 값은 구할 수 있다.
따라서 제2레지스트리에 저장되는 값은 각 전자식 뇌관 MCU의 사용 현장의 온도 및 로직 회로에 공급되는 전압에 따라 다르게 설정된다.
다음으로 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 프리앰블의 전체 표준펄스 개수로 나누어 1비트 폭을 정의하는 MCU의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 카운터 값을 제3레지스트리에 저장한다. 상기 정의된 1비트 폭으로 정의된 제3레지스트리에 저장되어 있는 값을 기준으로 샘플링하여 주제어장치와 통신한다.
본 발명의 일실시예로 시작펄스, 8개의 펄스, 정지펄스의 총 10개의 펄스를 갖는 프리앰블을 MCU가 수신하였음을 가정하여 설명한다.
먼저 MCU들은 프리앰블의 시작펄스를 수신하는 즉시 MCU에 내장되어 있는 RC발진기에 의한 발진 클럭을 카운트하기 시작하여 프리앰블의 정지펄스를 수신할 때까지 카운트하여 이 계수값을 MCU의 제1레지스트리에 저장한다.
다음으로 1비트 시간에 해당되는 값을 500μs라고 규약하는 경우 펄스길이는 10 * 500μs = 5ms가 된다. 기준시간인 1ms값을 정의하는 카운터 값을 구하기 위하여 5ms/1ms 하면 확정값 5(X)가 구해지며, 제1레지스트리에 저장된 값을 확정값 5(X)로 나누면 MCU의 내장된 RC발진기의 기준시간인 1ms값을 정의하는 카운터 값을 구할 수 있다.
다음으로 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 프리앰블의 전체 표준펄스 개수인 10으로 나누어 1비트 시간(여기서는 500μs)을 정의하는 MCU의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 카운터 값을 제3레지스트리에 저장한다.
이하 상기 마이크로컨트롤러에서 기준시간을 설정하는 방법에 의하여 전자식 뇌관의 기폭지연시간 이후 뇌관을 격발하는 방법에 대하여 설명한다.
전자식 뇌관의 MCU가 주제어장치로부터 발파 명령을 수신함과 동시에 MCU의 내장된 RC발진기의 내부 클럭을 계수(Y)하기 시작한다. 따라서 MCU의 타이머 작동 은 이후 상기 계수 값(Y)과 MCU의 내장된 RC발진기의 기준시간인 1ms값을 정의하는 카운터 값이 저장되어 있는 제2레지스트리값이 동일하면 기준시간인 1ms씩 증가하게 된다.
이후 상기 타이머에 의하여 측정된 시간과 사전에 MCU의 비휘발성 저장수단에 저장되어 설정된 기폭지연시간과 일치하면 션트를 해제하고 발파명령에 의하여 뇌관을 격발하게 된다.
즉 본 발명의 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법에 의하여 전자식 뇌관은 별도의 통신용 드라이버 회로를 사용하지 않고도 비교적 빠른 속도로 통신하면서도 통신 에러를 현저히 낮출 수 있는 실용적인 보정 알고리즘을 MCU의 펌웨어(Firmware)로 내장하고 있다.
본 발명의 마이크로컨트롤러에서 기준시간을 설정하는 방법을 전자식 뇌관에 대한 일실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있다.
이하 상기 마이크로컨트롤러에서 기준시간을 설정하는 방법에 의한 전자식 뇌관에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 MCU에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관 블록도 이며, 도 3은 상세회로도이다. 도 2와 도 3을 함께 설명한다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 MCU에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관 제어수단(200)은 정류회로(210), 분압회로(220), 송신회로(230), 전원저장회로(240), 발파용 에너지 저장회로(250), MCU(260), 스위치회로(270), 및 션트회로(280)를 포함한다.
전원공급은 주제어장치(100)로부터 수신한 신호원을 브릿지다이오드 BD1으로 구성된 정류회로(210)를 이용하여 정류한 후에, 상기 정류회로(210) 출력에 연결된 저항 R1 및 R2로 전압을 분압하는 분압회로에 의하여 전원저장회로(240)와 발파용 에너지 저장회로(250)에 축적된다.
상기 전원저장회로(240)는 R1과 R2에 의하여 분압된 전압에 따라, R4와 다이오드 D2와 커패시터 EC2가 직렬로 연결되어 상기 커패시터 EC2에 전하가 축적되며, 상기 커패시터 EC2와 병렬로 제너다이오드 ZD1을 연결하여 정전압을 유지하도록 함으로써 마이크로컨트롤러에 전원을 공급한다. 여기서 R10은 MCU에 공급되는 과전압에 대한 보호용 저항이다.
상기 발파용 에너지 저장회로(250)는 R1과 R2에 의하여 분압된 전압에 따라, R3와 다이오드 D1과 커패시터 EC1이 직렬로 연결되어 상기 커패시터 EC1에 전하가 축적된다. 이후 MCU(260)제어에 의하여 스위칭회로가 단락되면 EC1에 축적된 전하 를 뇌관 휴즈헤드에 공급하여 뇌관을 격발한다.
따라서 내부에 높은 출력을 요구하는 기폭장치를 위하여 상기 발파용 에너지 저장회로(250)와 뇌관 제어를 위한 MCU에 전원을 공급하기 위한 상기 전원저장회로(240)가 함께 구성되어 있다. 이때 상기 R3 및 R4는 충전 전류가 급격히 상승하는 것을 방지하기 위한 적분용 저항이다.
상기 션트회로(280)는 스위칭회로(270)와 뇌관(300) 사이에 연결되어, 발파용 에너지 저장회로(250)에 전하가 축적되기 시작할 때부터 트랜지스터Q4 및 트랜지스터Q5가 단락되어 뇌관의 양단이 접지되어 외부의 갑작스런 전기적인 충격으로부터 뇌관을 보호한다. 발파시에는 상기 트랜지스터Q5가 개방됨으로써 상기 트랜지스터Q4도 개방되어 션트 작동을 해제한다.
상기 스위칭회로(270)는 주제어장치의(100) 발파명령에 의하여 기폭 지연시간 후 MCU의 제어에 의하여 트랜지스터Q2가 단락되면 트랜지스터Q3가 단락되어 뇌관 휴즈헤드 양단에 발파용 에너지 저장회로(250)에 축적된 전하를 급격히 방출시켜 뇌관을 격발하는 기능을 한다.
송신회로(230)는 주제어장치의 뇌관의 연결상태 및 기폭 시간 설정상태에 대한 뇌관 설치상태에 대한 설정값을 송신하라는 명령에 따라 MCU와 주제어장치간 통 신을 수행한다.
여기서, R1 및 R2에 의하여 전압 분할된 주제어장치의 수신 시리얼 신호는 통신 선로 형태 및 선로 길이, 온도 등 환경 조건에 의한 인덕턴스 성분 변화에 따른 통신 속도 지연 및 통신 파형 왜곡 현상이 발생할 수 있다. 그러나 본 발명은 마이크로컨트롤러에서 기준시간을 설정하는 방법인 프리앰블을 분석하여 각 MCU의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 계수가 현재의 온도, 전압에서 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값(제2레지스트리에 저장) 및 프리앰블의 전체 표준펄스 개수로 나누어 1비트 폭을 정의하는 MCU의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 카운터 값(제3레지스트리에 저장)이 설정되어 있음으로 샘플링 동작을 정확하게 수행할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 주제어장치와 전자식 뇌관간의 통신방법을 나타내는 블록도이다.
도 4a에서 보는 바와 같이, 송신회로(230)는 제3레지스트리에 저장되어 있는 값으로 펄스폭을 형성하여 비휘발성 저장수단에 저장된 값에 따라 트랜지스터Q1을 스위칭하여 하이(H) 또는 로우(L) 신호를 출력함으로써 주제어장치에 뇌관의 연결상태 및 상기 비휘발성 저장수단에 설정된 기폭 지연시간 설정값을 주제어장치로 송신한다. 트랜지스터Q1이 도통되면 R5와 주제어장치의 RT(도 4b참조)와의 전압을 변화 시켜서 송신 동작을 개시하게 된다.
또한 도 4b에서 보는 바와 같이, 주제어장치(100)는 전자식 뇌관 제어수단으로 데이터를 송신한 후에 트랜지스터 QT1상태를 개방하고 RT로만 전류를 흘려서 전자식 뇌관 제어수단(200)으로부터의 데이터 수신을 대비한다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관의 동작을 나타내는 순서도이다.
각 전자식 뇌관은 사전에 고유의 어드레스(각 뇌관의 ID)를 부여할 수 있다.
먼저 각 뇌관은 주제어장치로부터 프리앰블을 포함한 데이터 프레임을 수신한다. 각 뇌관은 주제어장치로부터 수신한 프리앰블을 분석하여 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값을 제2레지스트리에 저장하고, 1비트의 펄스폭을 정의하는 카운터 값을 제3레지스트리에 저장한다(S100). 여기서 자세한 설명은 상기 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법(도 1참조)에서 설명하였으므로 생략한다.
이후 각 뇌관은 주제어장치부터 수신된 명령어를 추출하여 격발 명령이면(S200) 전자식 뇌관의 MCU가 주제어장치로부터 발파 명령을 수신함과 동시에 MCU의 내장된 RC발진기의 내부 클럭을 계수(Y)하기 시작한다. 따라서 MCU의 타이머 작동은 이후 상기 계수 값(Y)과 MCU의 내장된 RC발진기의 기준시간인 1ms값을 정의하는 카운터 값이 저장되어 있는 제2레지스트리값이 동일하면 기준시간인 1ms씩 증가하게 된다.
이후 상기 타이머에 의하여 측정된 시간과 사전에 MCU의 비휘발성 저장수단에 저장되어 설정된 기폭지연시간과 일치하면 션트를 해제하고(S210) 발파명령에 의하여 뇌관을 격발하게 된다(S220). 격발(발파) 명령은 뇌관 어드레스 구분없이 모든 뇌관에 해당한다.
다음 각 뇌관은 격발 명령이 아니면 자신의 어드레스인지 확인하고(S300) 자신의 어드레스가 아니면 자동으로 작동을 종료하며, 자신의 어드레스이면 기폭 지연시간 설정명령인지 확인한다(S400). 기폭 지연시간 설정 명령이면 다음 수신되는 데이터를 비휘발성 저장수단(EEPROM)에 저장하고 종료한다(S410).
다음 각 뇌관은 설정값을 송신하라는 명령(S500)이면 비휘발성 저장수단(EEPROM)에 저장되어 있는 설정값을 주제어장치에 송신(S510)하고 종료한다.
본 발명은 MCU에 내장된 RC 발진기의 정밀도를 향상시킨 보정 알고리즘을 내장하고 있으며, 2선식 선로를 이용한 뇌관과 주제어장치(장입기 또는 격발기) 간의 송수신 통신을 통하여 주제어장치에서 뇌관 설치 상태(각 뇌관의 연결 상태 및 기폭 타임 설정 상태)를 확인할 수 있으며 주제어장치에서 연결된 각 뇌관의 기폭 시간을 임의대로 지우고 재설정을 반복할 수 있다.
또한 외부의 갑작스런 전기적인 충격(낙뢰, 정전기 등의 전기적인 충격)으로 부터 뇌관을 보호하기 위하여 션트(Shunt) 회로가 내장되어 있으며 통신 데이터 알고리즘의 정밀성으로 별도 통신 데이터 드라이브 회로가 없어도 원거리에 설치된 뇌관과 주제어장치간에 통신 불량 상태를 극소화하였고, 최대 1500개의 뇌관을 한대의 주제어장치에서 제어할 수 있다. 뇌관과 주제어장치의 연결은 2선 병렬로 하며 극성은 상관이 없다.
상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정·변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정하기 위하여 주제어장치로부터 수신한 프리앰블을 포함한 데이터 프레임 및 샘플링을 나타내는 간략도이다.
도 2는 본 발명의 MCU에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관 블록도이며, 도 3은 이에 대한 상세회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 주제어장치와 전자식 뇌관간의 통신방법을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관의 동작을 나타내는 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:주제어장치 110:주제어장치측 마이크로컨트롤러
200:전자식 뇌관 제어수단 210:정류회로
220:분압회로 230:송신회로
240:전원저장회로 250:발파용 에너지 저장회로
260:마이크로컨트롤러 270:스위칭회로
280:션트회로 300:뇌관

Claims (13)

  1. 마이크로컨트롤러에 내장된 RC 발진기의 정밀도를 향상시키기 위한 기준시간 설정방법에 있어서,
    주제어장치로부터 시작펄스와 정지펄스를 포함하는 프리앰블을 포함한 데이터 프레임을 수신하는 단계;
    상기 프리앰블을 수신받는 마이크로컨트롤러에서 프리앰블의 시작펄스를 수신하는 즉시 마이크로컨트롤러에 내장되어 있는 RC발진기에 의한 발진 클럭을 카운트하기 시작하여 프리앰블의 정지펄스를 수신할 때까지 카운트하여 이 계수값을 마이크로컨트롤러의 제1레지스트리에 저장하는 단계;
    마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 계수가 현재의 온도, 전압에서 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값을 제2레지스트리에 저장하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 프리앰블의 전체 표준펄스 개수로 나누어 1비트 폭을 정의하는 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 카운터 값을 제3레지스트리에 저장하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값은 프리앰블의 표준 펄스에 사전에 정의된 1비트 시간에 해당되는 값을 곱한 값을 1ms로 나눔으로써 표준 펄스에 대한 기준시간인 1ms에 해당하는 확정값을 구한 후, 상기 제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 확정값으로 나누어 얻어지는 값인 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    마이크로컨트롤러의 타이머 동작은 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기의 기준시간인 1ms값을 정의하는 카운터 값이 저장되어 있는 제2레지스트리값과 마이크로컨트롤러가 주제어장치로부터 발파 명령을 수신함과 동시에 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기의 내부 클럭을 계수하는 값이 동일할 경우 1ms씩 증가하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법.
  5. 뇌관 발파 지연시간 설정 및 폭파 명령 등의 주제어장치 명령에 따라 지연시간 경과 후 뇌관을 정밀하게 격발할 수 있도록 제어하는 전자식 뇌관에 있어서,
    주제어장치로부터 수신한 신호원을 정류하는 정류회로,
    상기 정류회로의 출력에 연결되며, 분압회로에 의하여 분압되어 마이크로컨 트롤러에 전원을 공급하는 전원저장회로,
    상기 분압회로에 의하여 분압되어 뇌관에 에너지를 공급하는 발파용 에너지 저장회로,
    상기 발파용 에너지 저장회로에 저장되어 있는 에너지를 뇌관에 공급하기 위한 스위칭회로,
    상기 스위칭회로와 뇌관 사이에 연결되어 외부의 갑작스런 전기적인 충격으로부터 뇌관을 보호하기 위한 션트회로,
    주제어장치의 명령에 따라 뇌관 설정정보를 주제어장치에 전송하는 송신회로 및
    제1항에서의 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법에 따라 타이머를 작동하여, 기폭지연시간 후 상기 스위칭회로를 제어하여 뇌관을 발파하는 마이크로컨트롤러를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는 제1항에서의 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법에 의해 기준시간인 1ms를 정의하는 카운터 값을 제2레지스트리에 저장하는 단계를 수행한 후,
    주제어장치로부터 발파 명령을 수신하는 경우, 상기 제2레지스트리값과 마이크로컨트롤러가 주제어장치로부터 발파 명령을 수신함과 동시에 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기의 내부 클럭을 계수하는 값이 동일할 경우 기준시간인 1ms씩 증가하도록 타이머를 동작하는 단계;
    상기 타이머 작동에 의하여 측정된 시간과 뇌관의 비휘발성 저장수단에 사전 설정된 뇌관 지연 시간이 일치하는 경우 션트회로를 개방하는 단계; 및
    스위칭회로를 단락시켜 뇌관 휴즈헤드에 발파용 에너지 저장회로에 축적된 전하를 급격히 방출시켜 뇌관을 폭발하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는
    주제어장치로부터 뇌관의 기폭 지연시간 설정명령을 수신하는 경우,
    비휘발성 저장수단에 상기 기폭 지연시간값을 저장하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는
    주제어장치로부터 뇌관의 기폭 지연시간 설정값 송신명령을 수신하는 경우, 비휘발성 저장수단에 설정된 기폭 지연시간 설정값을 주제어장치로 송신하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 마이크로컨트롤러는
    제1레지스트리에 저장되어 있는 값을 프리앰블의 전체 표준펄스 개수로 나누어 1비트 폭을 정의하는 마이크로컨트롤러의 내장된 RC발진기에 의한 발진 클럭의 카운터 값인 제3레지스트리에 저장된 값을 이용하여 펄스폭을 형성하고, 송신회로의 트랜지스터Q1을 스위칭하여 하이(H) 또는 로우(L) 신호를 출력함으로써 주제어장치에 뇌관의 연결상태 및 상기 비휘발성 저장수단에 설정된 기폭 지연시간 설정값을 주제어장치로 송신하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 전원저장회로는
    R1과 R2에 의하여 분압된 전압에 따라, R4와 다이오드 D2와 커패시터 EC2가 직렬로 연결되어 상기 커패시터 EC2에 전하가 축적되며, 상기 커패시터 EC2와 병렬로 제너다이오드 ZD1을 연결하여 정전압을 유지하도록 함으로써 마이크로컨트롤러에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 발파용 에너지 저장회로는
    R1과 R2에 의하여 분압된 전압에 따라, R3와 다이오드 D1과 커패시터 EC1이 직렬로 연결되어 상기 커패시터 EC1에 전하가 축적되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  12. 제 5항에 있어서, 상기 션트회로는
    발파용 에너지 저장회로에 전하가 축적되기 시작할 때부터 트랜지스터Q4 및 트랜지스터Q5가 단락되어 뇌관의 양단이 접지되어 외부의 갑작스런 전기적인 충격으로부터 뇌관을 보호하며, 발파시에는 상기 트랜지스터Q5가 개방됨으로써 상기 트랜지스터Q4도 개방되는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
  13. 제 5항에 있어서, 상기 스위칭회로는
    주제어장치의 발파명령에 의하여 기폭 지연시간 후 마이크로컨트롤러의 제어에 의하여 트랜지스터Q2가 단락되면 트랜지스터Q3가 단락되어 뇌관 휴즈헤드 양단에 발파용 에너지 저장회로에 축적된 전하를 급격히 방출시켜 뇌관을 폭발하는 것을 특징으로 하는 마이크로컨트롤러에서 기준시간 설정방법을 이용한 전자식 뇌관.
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