孫曉東

（1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.沈陽煤炭科學(xué)研究所有限公司，遼寧 沈陽110011）

目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在通訊方面多采用RS485 通訊方式或CAN 通訊方式，RS485 通訊方式居多[1]。結(jié)合2 種總線的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一款基于多總線結(jié)構(gòu)的全數(shù)字光口分站。為緩解CPU 工作壓力，采用雙CPU 分別對(duì)下進(jìn)行數(shù)據(jù)巡檢，對(duì)異控及對(duì)上進(jìn)行CAN 或光口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]，為了規(guī)避井下光纖在分站級(jí)聯(lián)時(shí)容易斷纖，及熔纖繁瑣等，增加了VDSL 延長(zhǎng)器替代光纖，合理分配總線方案，為CPU減負(fù)增加系統(tǒng)健壯性。

目前市場(chǎng)上分站浪涌脈沖群等級(jí)主要受限在分站功耗上。市場(chǎng)上的監(jiān)控分站多采用3.5 寸或4.3寸串口組太串口屏，雖然功能齊全、開發(fā)簡(jiǎn)單，但采用Cortex-M3+FPGA 架構(gòu)居多[3]，其功耗均在4 W以上，導(dǎo)致分站在啟動(dòng)瞬間浪涌沖擊大電源瞬間保護(hù)，加入網(wǎng)光口功能后，在電磁兼容實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)致分站重啟無法達(dá)到更高電磁兼容等級(jí)。通過自主開發(fā)單片機(jī)液晶屏實(shí)現(xiàn)了功耗僅0.3 W 的人機(jī)交互功能，將人機(jī)交互功耗降低了13 倍。利于系統(tǒng)達(dá)到了較高電磁兼容等級(jí)。

1 分站總線結(jié)構(gòu)方案

分站總線結(jié)構(gòu)框圖如圖1，對(duì)傳感器采集采用RS485 方式，異控采用CAN、VDSL 嵌入式以太網(wǎng)延長(zhǎng)器或光纖，分站接環(huán)網(wǎng)交換機(jī)采用光纖實(shí)現(xiàn)AQ6201-2019 和AQ6201-2016 對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)分層架構(gòu)及通訊性能要求[8]。且各個(gè)部分分模塊化設(shè)計(jì)，便于現(xiàn)場(chǎng)插拔式維修替換及新品快速開發(fā)和生產(chǎn)。

圖1 分站總線結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of substation bus structure

目前在煤礦井下CAN 總線和RS485 總線是安全監(jiān)控系統(tǒng)分站與傳感器之間通訊的主流總線，總線布局的合理性決定系統(tǒng)架構(gòu)的穩(wěn)定性。2 種總線在低速和高速傳輸距離上相差不大；在總線利用率上RS485 為主從結(jié)構(gòu)，而CAN-BUS 為多主從結(jié)構(gòu)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，以發(fā)送的ID 號(hào)自動(dòng)進(jìn)行仲裁，這樣可以實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)不錯(cuò)亂，1 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)完，另1 個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到空閑立刻發(fā)送，總線利用率高，實(shí)時(shí)性高；在錯(cuò)誤幀監(jiān)測(cè)機(jī)制上，RS485 只規(guī)定了物理層而沒有數(shù)據(jù)鏈路層，對(duì)錯(cuò)誤無法識(shí)別，易造成1 個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，總線網(wǎng)絡(luò)癱瘓，而CAN 控制器具有錯(cuò)誤幀檢測(cè)，適時(shí)關(guān)閉總線；綜上，CAN 總線在諸多方面都優(yōu)于RS485 總線。

但在煤礦井下作業(yè)中，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝方面，由于整體線纜非常多，井下多使用本安接線盒進(jìn)行接線方便維護(hù)，因此分支不可避免，多采用T 型分支式連接?，F(xiàn)場(chǎng)施工1 條CAN 總線在5 K 波特率時(shí)，由于分支在累計(jì)長(zhǎng)度超過40 m 后可能存在不穩(wěn)定運(yùn)行情況，而限制礦工在安裝時(shí)的便利性，RS485 不存在以上要求；CAN 總線布線時(shí)必須采用雙絞線，且需采用特征阻抗約120 Ω 的雙絞線，在通信距離較長(zhǎng)或電磁環(huán)境惡劣的情況下最好用屏蔽雙絞線，這樣可以有效抑制電磁干擾，保證可靠通信，RS485 總線在抗干擾方面采用主從方式，誤碼率相對(duì)低，對(duì)線纜要求較??；由于現(xiàn)場(chǎng)分支存在長(zhǎng)度不一，累積計(jì)長(zhǎng)度會(huì)造成總線上阻抗不連續(xù)，繼而產(chǎn)生信號(hào)反射的現(xiàn)象，為保證通信可靠性，其實(shí)赫末端節(jié)點(diǎn)都需要加終端電阻，且必須兩端都接且阻值大小會(huì)影響電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)通過等級(jí)，而RS485 在施工上為提高性能在方面程度上要優(yōu)于CAN 總線，且容無需兩端都加終端電阻，容易匹配且容易過高等級(jí)電磁兼容。

由于AQ 6201—2019 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求5.11.2 提到“系統(tǒng)應(yīng)能通過GB/T 17626.4規(guī)定的嚴(yán)酷等級(jí)為2 級(jí)的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)等級(jí)A[4]?！奔捶终九c分站通訊CAN 或485 或以太網(wǎng)連接時(shí)不允許系統(tǒng)各單機(jī)設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)、復(fù)位、掉電現(xiàn)象；數(shù)據(jù)通信不能異常；就地、遠(yuǎn)程、異地控制功能不能異常；不能出現(xiàn)誤動(dòng)作、誤報(bào)警、異常大數(shù)、顯示亂碼現(xiàn)象，符合A 級(jí)判定[5]。因此當(dāng)分站與分站通過以太網(wǎng)連接時(shí)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)口在脈沖群實(shí)驗(yàn)時(shí)很難過等級(jí)A，通過在網(wǎng)絡(luò)變壓器增加抗電磁兼容器件，經(jīng)示波器觀察信號(hào)易出現(xiàn)畸形，影響通訊穩(wěn)定性。因此采用VDSL 替代方案[6]，通過增加TVS 和防雷設(shè)計(jì)較容易通過高A 等級(jí)實(shí)驗(yàn)，且非屏蔽雙絞線可實(shí)現(xiàn)3 km 穩(wěn)定距離[7]，解決了以太網(wǎng)超過100 m 不穩(wěn)定及光纖熔纖繁瑣易斷等問題。

2 分站降功耗人機(jī)交互關(guān)鍵技術(shù)

屏幕功耗直接影響分站整機(jī)功耗及上電浪涌對(duì)電源沖擊，為此設(shè)計(jì)了低功耗液晶電路, 低功耗液晶電路原理圖如圖2。

圖2 低功耗液晶電路原理圖Fig.2 Low power liquid crystal circuit

市場(chǎng)上選3 款串口組太屏分別與煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司生產(chǎn)的KDY1140/19B 礦用隔爆兼本安型直流電源相連，在電路未處理時(shí)上電瞬間直接將電源輸出拉低至屏幕最低啟動(dòng)電壓以下，導(dǎo)致屏反復(fù)起動(dòng)，雖然加電路可以處理沖擊，但其運(yùn)行時(shí)功耗較大，在做電快速脈沖群實(shí)驗(yàn)室及浪涌實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)致分站重啟異常。為此選用3.5 寸320*480 分辨率的點(diǎn)陣彩色TFT 液晶屏進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試其點(diǎn)亮?xí)r最大功耗僅為3.3 V，45 mA，通過對(duì)其進(jìn)行串口化設(shè)計(jì)，雖編程復(fù)雜，但功耗下降明顯[9]。

圖2 中T5電路采用DS1302 時(shí)鐘芯片，將時(shí)間日期設(shè)計(jì)在屏幕上，可以節(jié)省主控單片機(jī)工作量，增加了系統(tǒng)的健壯性；T5為紅外遙控電路，用來遙控進(jìn)行菜單操作和解鎖控制、配置等信息；圖2 中T3為字庫芯片，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)漢子、字母、字符等進(jìn)行提取，屏幕顯示，采用字庫芯片避免了字模生成，方便漢字提?。籘4為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，采用鐵電存儲(chǔ)器，其零延時(shí)存儲(chǔ)，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性，能夠解決礦用產(chǎn)品外部存儲(chǔ)延時(shí)不夠經(jīng)常存儲(chǔ)丟失的問題，圖中采用IIC 接口與主控單片機(jī)U1進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；圖2 中T7為供電管理單元；核心控制單元采用超微功耗單片機(jī)并結(jié)合T4存儲(chǔ)器，進(jìn)行UI 設(shè)計(jì)。

3 型式試驗(yàn)

1）信號(hào)總線電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)。分別對(duì)分站間的CAN 通信互連線、分站與傳感器間的RS485 通信互連線、電源與分站間的RS485 通信互連線等信號(hào)互連線（容性耦合鉗）進(jìn)行測(cè)試[10]，以測(cè)試電壓：1 kV（峰值）；脈沖前沿：5/50 ns（Tr/Th）；重復(fù)頻率：100 kHz；持續(xù)時(shí)間：正、負(fù)各1 min 進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)中，系統(tǒng)各單機(jī)設(shè)備工作正常，未出現(xiàn)設(shè)備死機(jī)、復(fù)位、掉電現(xiàn)象；數(shù)據(jù)通信未見異常；就地、遠(yuǎn)程、異地控制功能未見異常；未出現(xiàn)誤動(dòng)作、誤報(bào)警、異常大數(shù)、顯示亂碼現(xiàn)象，符合A 級(jí)判定。

2）信號(hào)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)。分別對(duì)分站之間的CAN 信號(hào)互連線、礦用本安型監(jiān)控分站之間的CAN 信號(hào)互連線、分站與傳感器之間的RS485 信號(hào)互連線等進(jìn)行測(cè)試，以以試驗(yàn)電壓：4 kV（峰值）；波形參數(shù)：1.2/50 μs；浪涌次數(shù)：正負(fù)各5 次；脈沖間隔時(shí)間：20 s 進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)中，功能和性能水平出現(xiàn)下降或失效，但試驗(yàn)結(jié)束后系統(tǒng)無需人為干預(yù)即可自行恢復(fù)正常功能和性能水平，符合B 級(jí)判定。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了基于多總線結(jié)構(gòu)的低功耗全數(shù)字光口分站，重點(diǎn)論述了分站降功耗人機(jī)交互關(guān)鍵技術(shù)。多總線結(jié)構(gòu)的低功耗全數(shù)字光口分站，將開關(guān)量、控制量全部數(shù)字化設(shè)計(jì)，所有的井下分站至中心站的傳輸都是數(shù)字化，所有模擬量傳感器、開關(guān)量傳感器、斷電器至分站的傳輸都是數(shù)字化。通過設(shè)計(jì)替換市面上安全監(jiān)控系統(tǒng)分站采用的組態(tài)串口，降低了分站整機(jī)功耗，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，降功耗后利于提高電磁兼容，該分站組件系統(tǒng)通過電磁兼容水平高于標(biāo)準(zhǔn)要求；通過VDSL 嵌入式以太網(wǎng)延長(zhǎng)線的應(yīng)用，解決現(xiàn)場(chǎng)光線易斷、以太網(wǎng)傳輸距離受限問題；結(jié)合CAN 總線、RS485 總線在現(xiàn)場(chǎng)使用優(yōu)勢(shì)，合理搭配，增強(qiáng)了系統(tǒng)的健壯性。