梁光清

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037）

我國(guó)煤炭資源總量相對(duì)豐富，具有經(jīng)濟(jì)安全、儲(chǔ)運(yùn)便利等特征。即便到2030年碳達(dá)峰前后，煤炭的主體地位仍難以改變。2020年2月，國(guó)家發(fā)展改革委等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確了煤礦智能化發(fā)展目標(biāo)和任務(wù)，如何保證煤礦安全可靠的持續(xù)生產(chǎn)，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要意義[1-3]。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，瓦斯、火、煤塵、水、頂板等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，因此需要安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)及甲烷傳感器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)瓦斯監(jiān)測(cè)，才能保證整個(gè)煤礦的安全運(yùn)行[4-6]。

近幾年隨著煤安監(jiān)函【2016】5 號(hào)《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》的實(shí)施，基于RS485、CAN 通訊技術(shù)的傳感器設(shè)備及系統(tǒng)得到大量推廣應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)頻率、電流傳輸抗干擾能力差的問(wèn)題，取得了很好的應(yīng)用效果，但是現(xiàn)有甲烷傳感器RS485、CAN 通信接口等現(xiàn)場(chǎng)總線交互通訊，普遍存在交互速率慢、傳輸距離受限、遠(yuǎn)程設(shè)備自助升級(jí)維護(hù)難以實(shí)現(xiàn)等難題也逐漸暴露，因而探索新的傳輸技術(shù)具有十分重要的意義[7-9]。煤安監(jiān)函【2016】5 號(hào)文中明確提出，模擬量傳感器至分站的有線傳輸采用工業(yè)以太網(wǎng)、RS485、CAN 的要求，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳輸技術(shù)已廣泛應(yīng)用于民用、軍用和工業(yè)等場(chǎng)合，相對(duì)于傳統(tǒng)電纜，光纖具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸損耗小、傳輸速率高以及質(zhì)量小等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜，條件惡劣的場(chǎng)合[10-12]。本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖信號(hào)傳輸?shù)募淄閭鞲衅?，傳感器設(shè)備與監(jiān)控分站通過(guò)光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)交互，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、及時(shí)性和可靠性。

1 傳感器總體設(shè)計(jì)及工作原理

基于光纖信號(hào)傳輸?shù)募淄閭鞲衅麟娐吩砣鐖D1所示，傳感器電路的控制處理核心為STM32XXX單片機(jī)，主要由電源模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、聲光報(bào)警電路、信號(hào)處理電路、顯示電路五部分功能電路組成。STM32XXX 單片機(jī)在8 M 主頻下工作電流只有2.3 mA，具有明顯的低功耗優(yōu)勢(shì)，同時(shí)該芯片是基于ARM 32 位RISC 內(nèi)核的MCU，具有高達(dá)128 KB 的閃存和16 KB SRAM 的高速嵌入存儲(chǔ)器，同時(shí)具有各種增強(qiáng)性外設(shè)和I/O，提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，UART，CAN，12 位ADC 和12 位DAC 以及7 個(gè)通用16 位計(jì)時(shí)器，32 位計(jì)時(shí)器和高端控制PWM 定時(shí)器，便于傳感器的設(shè)計(jì)與功能拓展。

圖1 基于光纖信號(hào)傳輸?shù)募淄閭鞲衅麟娐吩韴DFig.1 Schematic diagram of methane sensor circuit based on optical fiber signal transmission

傳感器采用載體催化甲烷元件將甲烷氣體濃度轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路放大后進(jìn)入單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換。單片機(jī)根據(jù)甲烷濃度函數(shù)及A/D數(shù)值計(jì)算出被測(cè)環(huán)境中甲烷氣體濃度值，進(jìn)行顯示和信號(hào)上傳，然后根據(jù)用戶設(shè)定的報(bào)警值進(jìn)行聲光報(bào)警。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的防爆兼本安電源輸出電壓為24 V，經(jīng)過(guò)2 km 線纜負(fù)載后傳感器電源模塊的輸入電壓在9～24 V 內(nèi)變化，因此傳感器電源模塊電路將9～24 V 直流電壓轉(zhuǎn)換為適合單片機(jī)、光電模塊及顯示、信號(hào)處理電路工作的3.6 V 電壓，電源模塊電路如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖Fig.2 Power module circuit

電源模塊核心DC-DC 降壓芯片采用TI 公司的LM25010MHX，該芯片輸入電壓范圍9～42 V，輸出電流1.25 A，在傳感器工作電流300 mA 時(shí)的轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上。為減小傳感器上電對(duì)關(guān)聯(lián)電源的沖擊，芯片內(nèi)部集成軟啟動(dòng)功能，具有一個(gè)11.5 μA的電流源，軟啟動(dòng)時(shí)間由芯片第10 腳連接的電容C1決定。C1電容的容值為0.22 uF，根據(jù)芯片手冊(cè)提供的計(jì)算公式，軟啟動(dòng)時(shí)間為50 ms。芯片電壓輸出的反饋電壓為2.5 V，精度為±2%，根據(jù)R2、R3電阻的阻值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出電源模塊輸出電壓為3.6 V，為后級(jí)電路供電。

2.2 顯示及聲光報(bào)警電路

本文采用動(dòng)態(tài)顯示電路，通過(guò)單片機(jī)IO 引腳直接控制4 位數(shù)碼管點(diǎn)亮顯示，每位數(shù)碼管的刷新頻率為35 Hz，從而達(dá)到節(jié)省電流且顯示檢測(cè)數(shù)值的效果。

聲光報(bào)警電路如圖3所示，單片機(jī)控制三極管Q9的通斷，當(dāng)Control_SG 為低電平時(shí)，Q9導(dǎo)通，蜂鳴器LS1和發(fā)光二極管D3和D6上電工作，分別發(fā)出聲音和光亮。當(dāng)Control_SG 為高電平時(shí)，Q9截止，蜂鳴器LS1和發(fā)光二極管D3和D6斷電，從而實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)控制的間歇性報(bào)警工作。

圖3 聲光報(bào)警電路圖Fig.3 Sound and light alarm circuit

2.3 信號(hào)處理電路

如圖4所示，甲烷元件工作電壓為3.0 V，工作電流為100 mA，R29為可調(diào)電位器。甲烷元件與R28、R29、R30電阻構(gòu)成單臂電橋，通過(guò)OP2330 運(yùn)放將單臂電橋的差分信號(hào)放大10 倍，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)CH4，該信號(hào)經(jīng)低通濾波后進(jìn)入單片機(jī)模擬采集通道，由內(nèi)置12 位A/D 轉(zhuǎn)換功能模塊將電壓值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)甲烷氣體濃度成正比的采樣數(shù)值，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算函數(shù)關(guān)系，得到真實(shí)的瓦斯?jié)舛取?/p>

圖4 信號(hào)處理電路圖Fig.4 Signal processing circuit

2.4 光電轉(zhuǎn)換模塊

光電轉(zhuǎn)換模塊采用工作電壓為3.3 V 的單模光收發(fā)一體模塊，模塊具有FC 尾纖型光接口，工作波長(zhǎng)為1310 nm，1×9 管腳封裝，輸出平均光功率達(dá)-3 dBm，通訊速度可以達(dá)到5 Mbps，接口電平采用TTL 電平，因此直接和單片機(jī)UART 接口連接即可，單模光收發(fā)一體模塊原理圖如圖5所示。

圖5 單模光收發(fā)一體模塊原理圖Fig.5 Functional block diagram of single-mode optical transceiver module

3 軟件設(shè)計(jì)

基于光纖信號(hào)傳輸?shù)募淄閭鞲衅鞯某绦虿捎肅語(yǔ)言編寫，采用模塊化函數(shù)編程設(shè)計(jì)，主程序首先進(jìn)行單片機(jī)時(shí)鐘、IO 引腳和UART 等外設(shè)初始化配置，然后讀取存儲(chǔ)在E2的零點(diǎn)、線性、報(bào)警值等參數(shù)，然后進(jìn)入周期性數(shù)據(jù)采集和超限報(bào)警判斷，等待通訊中斷響應(yīng)，通過(guò)UART 發(fā)送數(shù)據(jù)到光電轉(zhuǎn)換模塊，軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程Fig.6 Software flow chart

4 結(jié)語(yǔ)

隨著煤礦智能化的發(fā)展，高速大容量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠傳輸成為礦用智能傳感器的必然要求，為解決現(xiàn)有傳感器總線通訊距離短、速度慢、抗干擾能力差等問(wèn)題提供了新的技術(shù)方案，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義。本文基于對(duì)甲烷傳感器電源、信號(hào)處理、顯示、報(bào)警等電路的研究，提出了采用單模光收發(fā)一體模塊作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳的通訊方式，非常適用于煤礦井下復(fù)雜的工況環(huán)境，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。