張 珂， 趙雪悅， 駱 洲

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

礦井監(jiān)控是礦下安全作業(yè)和高效產(chǎn)能的重要保障之一。世界各主要產(chǎn)煤國對此都十分重視[1]。環(huán)境安全、軌道運(yùn)輸、提升運(yùn)輸、供電、排水、礦山壓力、水災(zāi)、火災(zāi)、煤礦瓦斯、大型機(jī)電設(shè)備健康狀況等監(jiān)控設(shè)備組成的礦井監(jiān)控系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)率和設(shè)備利用率，保障了礦山安全[2-4]。礦井下的信息顯示設(shè)備在整個(gè)系統(tǒng)中的作用更是十分重要，該設(shè)備要有本質(zhì)安全的特性，同時(shí)還要將紛雜的信息及時(shí)直觀地傳遞給各個(gè)區(qū)域的工作人員，安全穩(wěn)定的礦下信息顯示設(shè)備是井下安全作業(yè)必不可少的工具之一。

目前的礦下信息顯示設(shè)備，為了配合RS-485的通信模式，多采用簡單穩(wěn)定的可編程邏輯控制器(programmable logic controller, PLC)觸摸屏來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)PLC的通信交流[5]。然而PLC觸摸屏不屬于本質(zhì)安全型(本安型)設(shè)備，在設(shè)計(jì)使用時(shí)要用隔爆玻璃將PLC觸摸屏封裝起來，以達(dá)到隔爆安全要求。這類裝置的缺點(diǎn)在于，顯示裝置受PLC觸摸屏的大小限制，屏幕上很難直接顯示所有信息，只能選擇性的將重要的信息進(jìn)行傳遞顯示；其本身不屬于本安型設(shè)備，在礦下只能將其用隔爆玻璃封裝，這將會(huì)大大降低顯示功能和增加成本。本文提出的礦用信息顯示板由LED燈和數(shù)碼管構(gòu)成，利用復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)的多引腳和74hc573配合實(shí)現(xiàn)多輸出顯示的功能，滿足礦下大量信息的顯示要求。同時(shí)針對通信模塊進(jìn)行濾波穩(wěn)壓設(shè)計(jì)滿足對脈沖群干擾、靜電放電干擾、輻射電磁場干擾、快速瞬變干擾和浪涌等情況的抗干擾要求[6]。由于該設(shè)備的設(shè)計(jì)本身需要具有本安型的設(shè)備特性，要求上電瞬間產(chǎn)生的火花和熱效應(yīng)不能點(diǎn)燃周圍的爆炸性混合物[7]，設(shè)計(jì)電路供電模塊中也需要考慮瞬態(tài)變化對顯示裝置的影響。

1 本安型礦用信息顯示板方案設(shè)計(jì)

1.1 顯示板面板

礦井下的信息紛雜，需要實(shí)時(shí)交流的信息很多，所以面板要盡量顯示充足的信息，其面積可以做的大一點(diǎn)，大量的位置信息使用LED燈來表示。本文設(shè)計(jì)的本安型礦用信息顯示面板方案見圖1，內(nèi)容包括要罐位置、去往目的地、工作方式和信號種類等，其中要罐速度、中段位置運(yùn)行狀態(tài)、故障種類以及故障發(fā)生的位置等細(xì)節(jié)都可以顯示。市場上現(xiàn)有的顯示屏只能選擇性顯示部分重要的信息(見圖2)，本文提出的設(shè)計(jì)方案解決了現(xiàn)有商品顯示內(nèi)容單一、資源展示不豐富的問題。本安型礦用信息顯示屏面板整個(gè)電路設(shè)計(jì)是以MSP430f149為核心搭建，MSP430f149具有低功耗、低電壓的優(yōu)點(diǎn)，可以大大降低礦下產(chǎn)生電火花的潛在危險(xiǎn)[8]。

圖1 礦用信息顯示板面板設(shè)計(jì)圖

圖2 目前市場上的顯示面板

1.2 顯示板面板電子系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

通信協(xié)議遵循Modbus-RTU的通信協(xié)議，使用RS-485的線路長距離傳輸。上位機(jī)將信號傳入網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由地址對接后由通信模塊對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行濾波，再將濾波后的信息處理成單片機(jī)可以接受的信號，單片機(jī)收到濾波處理后的信號后，對送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和處理并進(jìn)行分類，將收到的數(shù)據(jù)區(qū)分為傳輸?shù)刂泛蛡鬏敂?shù)據(jù)。再將區(qū)分后的傳輸數(shù)據(jù)，依據(jù)其相應(yīng)的地址傳輸給需要顯示的地段。單片機(jī)將其中由動(dòng)態(tài)顯示模塊顯示的數(shù)據(jù)，傳輸給數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊，再將其他信息后整理好后打包傳輸給CPLD，CPLD對數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，再將每組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳輸給相應(yīng)的74hc573驅(qū)動(dòng)芯片，再控制選擇打開正確地址的74hc573芯片，74hc573輸出電平控制相應(yīng)的LED燈的亮滅。

顯示面板中接收數(shù)據(jù)的報(bào)碼頻率可以由調(diào)碼模塊進(jìn)行調(diào)整。而收到的數(shù)據(jù)，會(huì)及時(shí)傳輸給存儲(chǔ)單元中的存儲(chǔ)元件K24C02由其存儲(chǔ)，以保證顯示板受到干擾后可以及時(shí)恢復(fù)。預(yù)留了JTAG接口方便調(diào)試。因?yàn)閱纹瑱C(jī)是集成到電路板上，所以設(shè)計(jì)了包含CH340芯片的下載電路，由計(jì)算機(jī)將程序燒錄到單片機(jī)里面，方便批量生產(chǎn)。設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 礦用顯示面板電子系統(tǒng)控制方案

1.3 主控芯片選型分析

MSP430是美國德州儀器公司生產(chǎn)的超低功耗高性能的16位微處理器，它的工藝涉及了人機(jī)交互界面、嵌入式軟件工程、超低功耗單片機(jī)系統(tǒng)、超低功耗外圍電路等技術(shù)。

MSP430的16 位定時(shí)器中斷可用于時(shí)間計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生等。MSP430的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要因?yàn)槠渚邆湟韵碌奶攸c(diǎn)：

(1)功耗低。典型功耗例如電壓2.2 V、時(shí)鐘頻率1 mHz條件下,活動(dòng)模式為0.2 mA,關(guān)閉模式僅為0.1 μA，且具有5種節(jié)能方式。

(2)高效的16位RISC-CPU。例如27條指令，時(shí)鐘頻率8 mHz條件下,指令周期時(shí)間為125 ns,絕大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。時(shí)鐘頻率為32 kHz時(shí)，16位MSP430的執(zhí)行速度甚至能高于典型的8位單片機(jī)時(shí)鐘頻率20 mHz時(shí)的執(zhí)行速度。

(3)低電壓供電、寬工作電壓范圍: 1.8～3.6 V。

(4)靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)(2個(gè)外部和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘)。

(5)低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信。

(6)具有串行在線編程能力。

(7)強(qiáng)大的中斷能力。

(8)喚醒時(shí)間短,從低功耗模式下喚醒僅需 6 μs。

(9)ESD 保護(hù),抗干擾能力強(qiáng)。

1.4 CPLD芯片選型分析

CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，規(guī)模相對較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路，屬于大規(guī)模集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

EPM570是Altera公司推出的一款CPLD芯片，屬于該公司的MAX II系列芯片產(chǎn)品。MAX II系列是目前成本最低的CPLD，其設(shè)計(jì)基于突破性的新型CPLD架構(gòu)，提供目前業(yè)界所有CPLD中單個(gè)I/O管腳最低成本和最小功耗。和前一代MAX相比，通過采用低功耗處理技術(shù)，MAX II成本減半，功耗只有前一代器件的1/10，具有2倍于前者的性能，并且上電即用、非易失性，能用于通用的低密度邏輯應(yīng)用環(huán)境。

MAX II系列還將其成本和功耗優(yōu)勢引入了高密度領(lǐng)域，使設(shè)計(jì)者可以采用MAX II系列替代高成本或高功耗的ASSP和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件。EPM570由于本身共有570個(gè)LEDs而得名。根據(jù)上文的產(chǎn)品功能分析及要求，本研究選用了MAX II系列中的EPM570芯片。

2 本安型礦用信息顯示板的硬件設(shè)計(jì)

新型本安型礦用信息顯示板要滿足安全防爆規(guī)范，需要限制其能量，使其在正常運(yùn)行或在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，所產(chǎn)生的火花或熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周圍爆炸性混合物，所以顯示板的外接電路部分是非常重要的[9]。該設(shè)備的外接電路主要有2個(gè)模塊：電源電路和通信電路。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路是整個(gè)顯示面板設(shè)計(jì)中最重要的部分。如圖4所示，整個(gè)顯示面板的電源供電來源于系統(tǒng)的24 V電壓，電源電路中主要使用元器件K7803，將外部的24 V電壓轉(zhuǎn)化輸出為3.3 V的工作電壓。

鎖存器的供電電壓也采用3.3 V電壓，降低輸出功耗。將電感與電容搭載構(gòu)成穩(wěn)壓模塊，確保輸出的電壓恒定，由于在礦下作業(yè)存在脈沖干擾和靜電放電干擾，電源的電路設(shè)計(jì)需要具有抗干擾的安全特性。

2.2 通信電路設(shè)計(jì)

通信電路的設(shè)計(jì)如圖5所示，以帶有光耦隔離功能的的元器件TD301D485H為核心，TD301D485H可以將顯示面板與現(xiàn)場的其他設(shè)備隔離開?？紤]到外部存在浪涌干擾和靜電干擾，電路中增加了瞬態(tài)抑制二極管和氣體放電管。通信信號由TD301D485H元器件處理后傳輸給單片機(jī)，該器件是整個(gè)設(shè)備的信號傳輸核心，對信號的濾波抗干擾處理需要慎重。

圖4 電源電路圖

圖5 隔離濾波通信電路原理圖

2.3 多輸出控制電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，將MSP430的10個(gè)引腳與采用EPM570T144C05N型號芯片的CPLD的10個(gè)引腳相連。其中的8個(gè)引腳作為通信通道(DD)：[P0.0，P0.1，P0.2，…，P0.7]，其他2個(gè)引腳分別作為地址數(shù)據(jù)辨別端口(WR)和時(shí)鐘輸入端口(SLK)。數(shù)據(jù)依照時(shí)鐘節(jié)奏輸入過去，WR給低電平時(shí)表示通信通道DD在傳輸數(shù)據(jù)，WR給高電平時(shí)表示通信通道DD在傳輸?shù)刂贰LK給高電平時(shí)EPM570讀取通信通道DD，SLK低電平時(shí)EPM570不讀取。時(shí)序圖如圖7所示。

由于需要控制的LED燈過多，144個(gè)引腳的EPM570元器件不能直接連接所有LED燈；而且即使引腳足夠，如果每一個(gè)引腳都直接連接LED或數(shù)碼管，也會(huì)存在供電不足的情況。故需要利用74hc573的鎖存特性與CPLD配合，來實(shí)現(xiàn)對幾百個(gè)LED以及數(shù)碼管的顯示控制。將每個(gè)74hc573鎖存器的8個(gè)引腳數(shù)據(jù)輸入端分別與EPM570的8個(gè)引腳連接，即每個(gè)鎖存器共用一個(gè)數(shù)據(jù)輸入口。再將每個(gè)74hc573的鎖存控制引腳分別連上EPM570的其他引腳，如圖8所示，在控制時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給所有鎖存器共用的8個(gè)數(shù)據(jù)輸入端口，根據(jù)地址選擇將哪個(gè)鎖存器打開。此種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了上百個(gè)LED的輸出控制，同時(shí)還利用74hc573的供電解決了LED供電不足的問題。

圖6 MSP430與CPLD的引腳連接示意圖

圖7 MSP430與CPLD的通信連接時(shí)序圖

圖8 EPM570與74hc573電路連接示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 MSP430與CPLD的通信編程設(shè)計(jì)

在對MSP430芯片的編程過程中，考慮到程序開發(fā)效率及可維護(hù)性，采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。如圖9(a)所示，MSP430在啟動(dòng)后會(huì)對通信程序以及數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行初始化，芯片進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)之后單片機(jī)會(huì)把程序進(jìn)行打包和分類，將地址位符合動(dòng)態(tài)顯示要求的數(shù)據(jù)輸送給動(dòng)態(tài)顯示模塊，再將其他數(shù)據(jù)打包傳輸給CPLD之后再接收數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。

CPLD在接受到需要接受數(shù)據(jù)的信號之后開始讀取WR和DD管腳，根據(jù)WR的電平高低區(qū)分管教的數(shù)據(jù)是表示地址還是數(shù)據(jù)。再將每一組數(shù)據(jù)根據(jù)其地址分配給電路板上相應(yīng)的鎖存器。其主程序框圖如圖9(b)所示。

圖9 控制程序流程圖

3.2 數(shù)碼管軟件設(shè)計(jì)

數(shù)碼管的軟件設(shè)計(jì)相對比較簡單，成句的程序主要是依托于之前的硬件設(shè)計(jì)，主要是使用74hc573的鎖存器將2種輸出電平輪換交替分別輸出給數(shù)碼管的段選和位選，然后保證10 ms的閃爍，就可以利用動(dòng)態(tài)掃描方式完成多位數(shù)碼管的顯示。

3.3 存儲(chǔ)模塊軟件設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)的元器件使用24C02，該款元器件目前使用較多，在市場上成本較低。編寫的方式是將IIC協(xié)議作為編寫的基礎(chǔ)，利用IIC協(xié)議的兩線傳輸，分別利用SCL的時(shí)鐘信號和SDA的數(shù)據(jù)信號將要傳送的數(shù)據(jù)送到存儲(chǔ)元器件的各個(gè)頁地址，讀取的時(shí)候直接將所有地址讀出來，24C02有2 Kb的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，足夠存下通信的數(shù)據(jù)。

3.4 PLC的軟件控制設(shè)計(jì)

井口/井下的功能相近，該部分系統(tǒng)的功能主要包括井口收到各水平的指令申請，將收到的申請進(jìn)行確認(rèn)發(fā)送到給絞車房的操作臺(tái)；罐籠移動(dòng)到要罐位置后再由該中段發(fā)出對罐信號。其程序結(jié)構(gòu)圖10所示。

圖10 井口/井下的PLC程序流程圖

4 調(diào)試與實(shí)驗(yàn)

該礦用信息顯示面板首先對上位機(jī)傳輸來的大量信息排除干擾，再進(jìn)行整理，最后將整理好的信號分類，進(jìn)行完整的顯示，能夠在保證電路環(huán)境穩(wěn)定的前提下對信號進(jìn)行及時(shí)的傳遞,確保井下信息傳遞安全。該設(shè)備經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)信息的穩(wěn)定傳遞和顯示。如圖11所示，其電路上的燈光全部顯示且穩(wěn)定無遺漏，數(shù)字信息傳遞無誤。

圖11 新本安型礦用信息顯示板

5 結(jié) 語

本研究設(shè)計(jì)的新型本安型礦用信息顯示板設(shè)計(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、通信便捷、信息顯示完全，能夠在井下安全穩(wěn)定工作，同時(shí)還可以保障信息傳遞的完整性。該設(shè)備已進(jìn)入礦下實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，某地“防爆提升信號系統(tǒng)項(xiàng)目”已經(jīng)使用該設(shè)備正常運(yùn)行一年，效果良好，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用狀況良好，信號輸出穩(wěn)定，無意外情況，滿足項(xiàng)目預(yù)設(shè)要求。在礦下這種復(fù)雜環(huán)境下，該設(shè)備本安型特點(diǎn)尤為突出，能夠很好地滿足復(fù)雜的煤礦建設(shè)綜合自動(dòng)化的信息傳遞顯示需求。