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        基于LPC1778的六路RS485總線煤礦安全監(jiān)控分站的研究

        2014-10-21 12:55:13徐士敏樊曉明李波
        電子世界 2014年23期
        關(guān)鍵詞:采集遠距離

        徐士敏 樊曉明 李波

        【摘要】本文提出了一種基于LPC1778的六路RS485總線的煤礦安全監(jiān)控分站的詳細設(shè)計方案,能夠為目前煤礦現(xiàn)場的采煤工作面和掘進工作面?zhèn)鞲衅魈峁┻h距離供電,同時能夠減少煤礦現(xiàn)場的多個傳感器的用線數(shù)量,該分站具備七路電源輸入和六路RS485總線接口,與子設(shè)備通信的每路RS485接口都配套電源輸出。該分站的應(yīng)用能夠提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性,降低煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本。

        【關(guān)鍵詞】監(jiān)控分站;遠距離;采集;總線接口

        引言

        隨著采煤技術(shù)的進步和大型煤礦的發(fā)展,煤礦掘進工作面和采煤工作面不斷的加長[1],超過3km的掘進工作面和采煤工作面已經(jīng)比比皆是?!禔Q6201煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》規(guī)定,傳感器及執(zhí)行器至分站之間的傳輸距離應(yīng)不小于2km,眾多安全監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家對傳感器與分站的傳輸距離和供電距離定為2km,超過2km后,很難保證傳感器的正常穩(wěn)定工作,同時由于工作面所需采集參數(shù)眾多,所需接入傳感器數(shù)量大,傳感器多采用三線制或四線制頻率傳輸?shù)姆绞?,?dǎo)致工作面的布線成本大大增加。為了解決煤礦現(xiàn)場出現(xiàn)的以上問題,提高傳感器的工作穩(wěn)定性以及減少工作面的布線數(shù)量,本文對多路RS485總線的煤礦安全監(jiān)控分站進行研究,其主要特點是具備七路本安電源輸入和六路RS485總線接口(其中四路RS48接口是與數(shù)字型傳感器關(guān)聯(lián)使用),與傳感器配合使用的每路RS485接口均具備獨立的24V電源輸出,為總線型傳感器的遠距離供電提供動力保障。同時由于分站采用RS485總線接口與傳感器連接,其一根四芯線纜可以接入多個傳感器,大大減少了工作面的布線數(shù)量,降低煤礦企業(yè)生產(chǎn)成本。

        1.組成模塊

        分站采集各頻率、開關(guān)量、總線型傳感器的參數(shù)后,通過傳輸接口將這些參數(shù)傳送至地面的計算機,計算機通過監(jiān)測軟件將這些環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備工作狀態(tài),展示給地面的工作人員,從而完成監(jiān)測的功能[2]。同時,分站按照采集到的環(huán)境參數(shù)及接收到的控制邏輯,通過控制執(zhí)行器對被控制設(shè)備進行實時控制,從而完成控制功能。按其功能主要由:通訊模塊、頻率數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、RS485接口擴展模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互模塊、嵌入式軟硬件模塊[3]部分組成。其硬件組成模塊框圖如圖1所示。

        圖1 分站硬件組成模塊框圖

        2.硬件電路詳細設(shè)計

        2.1 輸入輸出電源設(shè)計

        具備7路獨立電源輸入接口,其中1路用于分站自身供電,其余6路用于對外的頻率端口和RS485端口電源輸出。對外部輸出的6路獨立輸入電源進行管理及保護設(shè)計,提供12路電源輸出,分別提供給4路模擬量接口、4路開出控制接口、4路RS485接口,其中4路模擬量接口共用1路電源、4路開出控制接口共用1路電源、4路485接口各用1路電源。對模擬量接口及開出控制接口實現(xiàn)過流保護[4]、電源控制、狀態(tài)輸出,其所有電源輸出端口具有抗浪涌、群脈沖能力。分站輸入輸出電源設(shè)計原理框圖如圖2所示。

        圖2 分站輸入輸出電源設(shè)計原理框圖

        2.2 頻率量和開關(guān)量輸入端口設(shè)計

        可以接入8個頻率量(或開關(guān)量)傳感器,頻率量和開關(guān)量輸入口采用兼容設(shè)計,數(shù)據(jù)采集模塊完成頻率信號、開關(guān)量信號信號的隔離、轉(zhuǎn)換及整形,具有抗浪涌、群脈沖能力,輸出信號供最小系統(tǒng)采集。輸入端口采用TVS保護器件,提高抗浪涌和群脈沖能力,采用信號電流驅(qū)動光耦隔離,光耦后端采用施密特觸發(fā)器對頻率信號整形。頻率量和開關(guān)量信號采集原理框圖如圖3所示。

        圖3 頻率量和開關(guān)量信號采集原理框圖

        2.3 RS485總線接口設(shè)計

        具備6路獨立的RS485總線信號通信模塊,各路RS485信號互相隔離。端口采用TVS、共模線圈等保護器件,提高抗浪涌和群脈沖能力,UART與RS485接口芯片相互隔離,采用不帶隔離功能的RS485接口芯片加外部光耦隔離等方式實現(xiàn)。RS485總線接口設(shè)計原理框圖如圖4所示。

        圖4 RS485總線接口設(shè)計原理框圖

        2.4 開關(guān)量輸出端口設(shè)計

        通過隔離、驅(qū)動電路,完成4路控制信號輸出。處理器輸出信號驅(qū)動光耦隔離,光耦后端采用三極管驅(qū)動信號輸出。輸出端口采用TVS保護器件,提高抗浪涌和群脈沖能力。開關(guān)量輸出端口設(shè)計原理框圖如圖5所示。

        圖5 開關(guān)量輸出端口設(shè)計原理框圖

        2.5 人機交互模塊設(shè)計

        顯示采用單色320×240點陣圖形液晶顯示模塊、2個紅/綠LED指示燈用于指示電源及分站運行、H38V3V紅外接收采用芯片、五維薄膜按鍵,實現(xiàn)文字及數(shù)據(jù)信息顯示、電源及通訊狀態(tài)指示、紅外遙控接收及按鍵輸入功能。人機交互模塊設(shè)計原理框圖如圖6所示。

        圖6 人機交互模塊設(shè)計原理框圖

        2.6 最小系統(tǒng)設(shè)計

        通過串行FLASH芯片AT45DB321D,完成4M Bytes數(shù)據(jù)的存儲;通過芯片CAT1161完成外部看門狗及EEPROM的存儲功能;通過恩智浦LPC1778處理器作為主控芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、控制、邏輯運算、存儲、系統(tǒng)掉電時鐘管理等功能,與其他外圍電路模塊一起,實現(xiàn)頻率信號和TTL電平信號采集、485通訊控制、控制信號輸出等功能。最小系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖7所示。

        圖7 最小系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

        3.結(jié)論

        針對目前國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控分站在采煤工作面和掘進工作面的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題,本文提出了一種監(jiān)控分站的設(shè)計新思路,并設(shè)計研究出一款基于LPC1778的六路RS485總線煤礦安全監(jiān)控分站,改善了目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器無法長距離供電、采掘工作面布線多的問題,降低了煤礦的生產(chǎn)成本。該煤礦安全監(jiān)控分站已取得防爆證和安標(biāo)證,且已應(yīng)用到諸多采煤現(xiàn)場,取得了良好的成效。

        參考文獻

        [1]申寶宏,郭玉輝.我國綜合機械化采煤技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012(2):1-3.

        [2]王啟峰,祝國源,孫小進. 基于FPGA的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控分站的設(shè)計[J].工礦自動化,2010(10):29-31.

        [3]徐竟天.基于ARM9嵌入式和工業(yè)以太網(wǎng)的礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)研究[M].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

        [4]程曉潔.基于低壓差電源穩(wěn)壓器的CMOS過流保護電路設(shè)計[M].四川:西南交通大學(xué),2006.

        項目來源:天地(常州)自動化股份有限公司橫向科研項目(項目號:13SY021)。

        作者簡介:徐士敏(1984—),男,山東昌樂人,碩士,工程師,主要從事煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究。

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