王璐

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

0 引言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，我國煤炭行業(yè)提出建設(shè)數(shù)字化礦山的新目標，要求井下監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)進行系統(tǒng)融合，對設(shè)備傳輸信號格式進行統(tǒng)一規(guī)范[1]。目前，一些煤礦企業(yè)已經(jīng)安裝安全監(jiān)控、瓦斯抽放、水害監(jiān)測和礦壓監(jiān)測等系統(tǒng)[2]，傳感器作為這些系統(tǒng)的終端采集設(shè)備，其種類繁多，輸出信號各不相同，為了滿足同一種傳感器能夠方便快捷地接入不同系統(tǒng)，需將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成上級設(shè)備能識別的信號[3]。研究表明，現(xiàn)有礦用傳感器輸出信號主要分為開關(guān)量信號、200～1 000 Hz頻率信號、(4～20)mA/(1～5)mA電流信號和總線數(shù)字信號等[4]。系統(tǒng)在確定所需接入的傳感器類型后，可通過信號轉(zhuǎn)換器輸出所能識別的信號制式，以避免傳感器的重復(fù)開發(fā)，既能縮短系統(tǒng)的建設(shè)周期，又可提高煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟效益。為此，設(shè)計了一種礦用多功能信號轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)頻率、電流和RS-485信號之間的相互轉(zhuǎn)換，該信號轉(zhuǎn)換器使用方便，精度高，運行穩(wěn)定可靠。

1 轉(zhuǎn)換器的工作原理

信號轉(zhuǎn)換主要分為模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換兩類，依靠轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)，將電學量和非電物理量相互變換，把非標準的信號轉(zhuǎn)換成標準信號[5]。模數(shù)轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的變換，一般要經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼幾個步驟，轉(zhuǎn)換電路主要由模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字寄存器、求和運算放大器和基準電壓源等部分組成。數(shù)模轉(zhuǎn)換是將離散的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的模擬信號，即采集到的數(shù)字信號，按不同等級對應(yīng)相應(yīng)數(shù)字寄存器，控制對應(yīng)的模擬電子開關(guān)，在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生和其位權(quán)對應(yīng)的模擬量。

目前，大多數(shù)傳感器可完成輸入信號的檢測，被測環(huán)境信號在傳感器內(nèi)部進行采集、處理和輸出。傳感器的輸出信號可直接與信號轉(zhuǎn)換器連接，微處理器作為信號轉(zhuǎn)換器的核心，對接入信號的進行采集、線性化處理、量程調(diào)整和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)非標信號到標準信號的相互轉(zhuǎn)換和遠距離傳輸。

2 轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計

信號轉(zhuǎn)換器作為煤礦監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)的配套產(chǎn)品，可實現(xiàn)電流與頻率不同類型信號之間的相互轉(zhuǎn)換，也可通過RS-485總線進行模擬信號的數(shù)字化傳輸。依據(jù)信號轉(zhuǎn)換器的工作原理，對于(1～5)mA和(4～20)mA電流信號,通過取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號,再經(jīng)過單片機A/D轉(zhuǎn)換,最后計算輸出頻率。對于200～1 000 Hz的頻率信號，通過單片機轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，再經(jīng)過D/A芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號，最后由電壓轉(zhuǎn)電流電路輸出4～20 mA電流。轉(zhuǎn)換后的信號均可通過RS-485總線進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)終端傳感設(shè)備往監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)的接入。

3 轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)換器硬件電路總體設(shè)計

信號轉(zhuǎn)換器硬件電路主要由供電電路、單片機電路、存儲電路、遙控電路、頻率采集電路、電流采集電路、頻率輸出電路、電流輸出電路和RS-485總線通信電路等部分組成，如圖1所示。信號轉(zhuǎn)換器選用新華龍C8051F310作為核心處理器，具有16位AD采集功能，確保信號的采集精度。為滿足各個模塊電路對電源的需求，設(shè)計輸出12 V、3.3 V和5 V 3種直流電源，電源模塊的前端軟啟動電路和貼片大電容采用澆封處理，增強抗浪涌和群脈沖干擾等級，可通過遙控完成設(shè)備地址和通信等參數(shù)的設(shè)定和存儲，避免數(shù)據(jù)丟失。轉(zhuǎn)換器通過RS-485方式與上級設(shè)備通信，通信電路選用帶隔離功能的RS-485芯片ADM2587，通信端口搭配防雷管、共模線圈和TVS管等保護器件，提高RS-485總線的抗干擾能力。

圖1 信號轉(zhuǎn)換器總體結(jié)構(gòu)

3.2 頻率采集電路設(shè)計

所接入的傳感器若輸出為頻率信號，則可將傳感器的輸出線與信號轉(zhuǎn)換器的頻率采集口F+和F-端子相接，實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換器的頻率采集，電路如圖2所示。處理器的P0.1管腳配置為頻率采集口F_IN, 當頻率口輸入為高電平時，信號通過TVS管VD1和共模線圈L1, PC357光耦隔離器件N1導(dǎo)通，單片機引腳采集F_IN為低電平。當頻率口輸入為低電平時，隔離元件N1不導(dǎo)通，單片機引腳采集F_IN為高電平。處理器可通過每輪捕獲高低電平的時間，進而計算得出采集信號的頻率。

圖2 頻率采集電路

3.3 電流采集電路設(shè)計

所接入的傳感器若輸出為電流信號，則可將傳感器的電流輸出線與信號轉(zhuǎn)換器的電流采集口I_IN+和I_IN-端子相接，由信號轉(zhuǎn)換器完成電流采集，通過短接帽跳接實現(xiàn)(1～5)mA和(4～20)mA電流信號的切換，電路如圖3所示。處理器的P1.0管腳配置為電壓采集口V_MCU, 當有電流輸入時，電阻R14兩端產(chǎn)生電勢差，經(jīng)R17分流電阻進入運算放大器LM358的INA+，通過可變電阻器VR2調(diào)節(jié)運放的輸出電壓，送入單片機的ADC采集引腳，計算得出輸入電流的大小。

圖3 電流采集電路

3.4 頻率輸出電路設(shè)計

轉(zhuǎn)換器由電流采集電路檢測出輸入電流大小，通過電流與頻率對應(yīng)比例關(guān)系，(4～20)mA(1～5 mA)對應(yīng)200～1 000 Hz，計算出輸入電流所需輸出的對應(yīng)頻率。處理器P1.2引腳配置為頻率輸出控制口FOUT0，由內(nèi)部定時器控制FOUT0引腳定時翻轉(zhuǎn)輸出高低電平，輸出信號經(jīng)2個三極管處理后，每秒電平翻轉(zhuǎn)的次數(shù)即是所需輸出的頻率。電路如圖4所示。

圖4 頻率輸出電路

3.5 電流輸出電路設(shè)計

轉(zhuǎn)換器由頻率采集電路檢測出輸入頻率大小，通過頻率與電流對應(yīng)比例關(guān)系， 200～1 000 Hz對應(yīng)(4～20)mA(1～5 mA)，計算出輸入頻率所需輸出的對應(yīng)電流。電流輸出電路中N6為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5615，參考源為1.2 V，處理器根據(jù)對應(yīng)關(guān)系輸出相應(yīng)數(shù)字信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片處理后由AOUT引腳輸出對應(yīng)電壓。N5為運算放大器LM324, 具有四路獨立、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\算放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片N6輸出電壓經(jīng)運放電路處理后，由三極管V5集電極I_OUT+輸出電壓，進而產(chǎn)生相應(yīng)電流輸出，電路如圖5所示。

4 轉(zhuǎn)換器軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)換器軟件采用keil4設(shè)計，主要由數(shù)據(jù)采集、遙控操作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和RS-485通信等模塊組成，具體流程如圖6所示。上電后，軟件先進行程序初始化，主要完成時鐘、I/O口、設(shè)備參數(shù)、定時器和UART等初始化。通過紅外遙控可配置轉(zhuǎn)換器參數(shù)，如設(shè)備地址、通信速率、轉(zhuǎn)換方式等，并寫入外部存儲器，避免重要參數(shù)的丟失。在一個完整周期內(nèi)，對輸入信號進行采集，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換算法處理后，獲得需要輸出的數(shù)據(jù)類型，并通過總線進行遠距離傳輸。

圖5 電流輸出電路

圖6 傳感器節(jié)點軟件程序流程

5 結(jié)論

設(shè)計了一種新型礦用信號轉(zhuǎn)換器，詳細介紹了信號轉(zhuǎn)換器的工作原理，給出信號轉(zhuǎn)換器的總體設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，主要實現(xiàn)頻率與電流的相互轉(zhuǎn)換、并可通過RS-485總線傳輸。實際應(yīng)用表明，該轉(zhuǎn)換器精度高，運行穩(wěn)定可靠，使用方便，可有效解決不同廠家生產(chǎn)的傳感器無法接入監(jiān)測監(jiān)控的難題。