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        便攜式智能無損錨桿檢測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)

        2009-04-09 03:17:18
        新媒體研究 2009年5期
        關(guān)鍵詞:電源模塊檢測(cè)儀電平

        李 英

        [摘要]在分析煤礦中錨桿檢測(cè)的重要作用,明確錨桿檢測(cè)儀的發(fā)展研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),提出任務(wù)設(shè)計(jì)具有本質(zhì)安全性的便攜式智能無損錨桿檢測(cè)儀的硬件電路。從錨桿檢測(cè)儀所要實(shí)現(xiàn)的功能入手,先規(guī)劃硬件總體結(jié)構(gòu)圖,然后根據(jù)實(shí)際需要,選擇ARM處理器S3C2410作為本系統(tǒng)的核心器件。完成硬件電路設(shè)計(jì)。

        [關(guān)鍵詞]錨桿檢測(cè) 3C2410 硬件設(shè)計(jì)

        中圖分類號(hào):TN4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0310009-01

        一、引言

        在我國以煤為主的能源發(fā)展戰(zhàn)略占有很重要的地位,目前煤礦安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻,事故總量仍然很大,解決煤礦事故隱患勢(shì)在必行。事故發(fā)生的原因很多,要解決問題,加強(qiáng)技術(shù)管理、提高安全管理水平、做好預(yù)防檢測(cè)[1]的工作必不可少,錨桿檢測(cè)是其中很重要的一項(xiàng)。

        目前的錨桿檢測(cè)儀大多都是只能用于地面,有部分的錨桿檢測(cè)儀能用于井下,但是還不具有普遍性。針對(duì)煤礦井下錨桿檢測(cè)的需要,本文設(shè)計(jì)具有本質(zhì)安全性的便攜式智能無損錨桿檢測(cè)儀的硬件電路。

        二、硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        錨桿檢測(cè)儀的主要用途就是對(duì)錨固質(zhì)量檢測(cè),包括測(cè)量錨桿長(zhǎng)度、錨固狀態(tài)(或砂漿飽滿度)的檢測(cè),其中錨固狀態(tài)含檢測(cè)錨桿的自由段長(zhǎng)度、錨固段長(zhǎng)度、施工缺陷和整體評(píng)價(jià)錨固施工質(zhì)量。根據(jù)需要,本系統(tǒng)除了核心處理器之外,要包含很多模塊,主要分為兩部分:一部分為核心支持模塊,主要包含電源模塊,存儲(chǔ)器模塊,時(shí)鐘和復(fù)位模塊;另一部分為通信模塊,包括串口模塊、以太網(wǎng)模塊、USB模塊和LCD模塊。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖-1所示。

        1.電源模塊:電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ),它為處理器和各個(gè)部件提供工作電壓。系統(tǒng)對(duì)電源模塊的要求一般有兩個(gè):第一,能夠提供系統(tǒng)所需要的功率;第二,能夠穩(wěn)定的輸出工作電壓。

        2.存儲(chǔ)器模塊:用來存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

        3.時(shí)鐘和復(fù)位模塊:時(shí)鐘模塊主要是給處理器提供穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率。復(fù)位模塊是當(dāng)上電復(fù)位和硬件復(fù)位時(shí),給處理器提供一個(gè)一定寬度的復(fù)位脈沖。

        4.串口模塊:主要是為PC機(jī)或控制臺(tái)提供訪問和控制錨桿檢測(cè)儀的接口,同時(shí)作為系統(tǒng)調(diào)試接口。

        5.USB模塊:該模塊的設(shè)計(jì)主要功能有兩個(gè),一個(gè)是作為設(shè)備用來與PC機(jī)之間的檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸;另一個(gè)是作為主機(jī)來外接存儲(chǔ)設(shè)備(如U盤)。

        6.以太網(wǎng)模塊:通過該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理、傳輸檢測(cè)數(shù)據(jù)和在線升級(jí)的功能。如果CPU不具備以太網(wǎng)控制器,因此本系統(tǒng)要采用外擴(kuò)的以太網(wǎng)控制器。

        7.LCD顯示模塊:由于本系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的數(shù)據(jù)和設(shè)備的狀態(tài),因此采用了大屏幕LCD顯示模塊。

        三、主要電路介紹

        (一)電源電路

        本系統(tǒng)包含了很多集成芯片,這就需要電源模塊能夠提供較大功率的電源。由于各個(gè)器件對(duì)電平的要求是不一樣的,系統(tǒng)需要三種模式的電平:5V、3.3V和1.8V。我們采用的設(shè)計(jì)方案是由外部提供5V和3.3V的電源,而1.8V的電源是通過MAX8860由3.3V的輸入電源轉(zhuǎn)換而得。

        (二)以太網(wǎng)接口電路

        S3C2410內(nèi)嵌一個(gè)以太網(wǎng)控制器,支持媒體獨(dú)立接口和帶緩沖DMA接口;可在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入,即S3C2410內(nèi)部實(shí)際上已包含了以太網(wǎng)MAC控制,但未提供物理層接口,因此需要外接一片物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。

        RTL8019AS以其成熟可靠的性能和低廉的價(jià)格占領(lǐng)了全球10M網(wǎng)卡使用的網(wǎng)絡(luò)芯片的大部分份額,有著極大的應(yīng)用。所以在我們的設(shè)計(jì)中選用了這款芯片作為網(wǎng)絡(luò)接入的以太網(wǎng)控制器。

        (三)串行接口電路

        要完成最基本的串行通信功能,實(shí)際上只需要RXD、TXD和GND即可,但由于RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)所定義的高、低電平信號(hào)與S3C2410系統(tǒng)中USB直流電源邏輯定義的高、低電平信號(hào)完全不同。S3C2410中定義高電平對(duì)應(yīng)2.5V~3.3V,低電平為0V~0.8V;而RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式,標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)-5V~-15V,“0”對(duì)應(yīng)+5V~+15V。要兩者進(jìn)行通信必須經(jīng)過信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換,這里采用的電平轉(zhuǎn)換電路為Sipex公司的SP3232E[3]。

        S3C2410的UART提供3個(gè)獨(dú)立的異步串行輸入輸出口,每一個(gè)都可工作在中斷模式和DMA模式下。如果用系統(tǒng)時(shí)鐘,UART可支持達(dá)230.4Kbps的位速率;如果用外部裝置通過UCLK提供的時(shí)鐘,那么UART可工作在更高的速率。S3C2410可以很方便地用UART實(shí)現(xiàn)RS232串口功能,但S3C2410的供電電壓為1.8V/3.3V,所以I/O口的最大邏輯電平也是3.3V。

        S3C2410自帶USB主從接口,不需要專門的USB芯片支持,只要對(duì)其安裝驅(qū)動(dòng)程序即可進(jìn)行USB傳輸數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中,采用兩個(gè)USB主機(jī)接口、一個(gè)USB設(shè)備接口。

        (四)A/D轉(zhuǎn)換模塊

        敲擊錨桿時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)為模擬信號(hào),需要經(jīng)過濾波電路,然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),而經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號(hào)是串行的,因此要通過FPGA芯片轉(zhuǎn)為并行信號(hào)導(dǎo)入CPU。S3C2410集成了一個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,其分辨率為10比特,可通過軟件設(shè)置為Sleep摸式,可節(jié)電減少功率損失,最大轉(zhuǎn)換率為500K,非線性度為正負(fù)1位。

        錨桿檢測(cè)儀的傳感器工作在8KHz左右,為了計(jì)算其受力狀況,需要在每次敲擊錨桿時(shí)采集到足夠多的數(shù)據(jù),而且這些數(shù)據(jù)要有相當(dāng)高的精度。用S3C2410內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器不夠精確,因此本系統(tǒng)中另外設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換模塊。這里選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是ADI公司的產(chǎn)品AD7653[4],具有16位高分辨率、采樣轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1Msps、單極性ADC、帶有基準(zhǔn)電壓源、最大非線性±0.003%、14位無誤碼、快速轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換時(shí)間15us)和功耗850mW的特點(diǎn)。

        四、結(jié)語

        本文根據(jù)實(shí)際需要提出并設(shè)計(jì)了具有本質(zhì)安全性的便攜式智能無損錨桿檢測(cè)儀的硬件電路。由于煤礦環(huán)境的特點(diǎn)以及時(shí)間的原因,本系統(tǒng)還需要軟件方面進(jìn)一步的應(yīng)用層的開發(fā),從而能真正應(yīng)用到煤礦井下。

        參考文獻(xiàn):

        [1]唐照成、徐書謙,煤礦頂板事故成因及預(yù)防,煤炭技術(shù),2004,9.

        [2]Samsung S3C2410 32-Bit RISC Microprocessor Revision 1.2 Datasheet.

        [3]Sipex'SP3222E/3232E True+3.0V to+5.5V RS-232 Transceivers data sheet.

        [4]16-Bit 1 MSPS PulSARTM Unipolar ADC with Reference AD7653 data sheet.

        作者簡(jiǎn)介:

        李英,女,2007年7月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué),碩士學(xué)位,江蘇蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電子系教師,主要從事單片機(jī)、電工電子課程的教學(xué)工作和科研工作。

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