孔德鴻

(常州大學 懷德學院,江蘇 靖江 214500)

0 引言

煤炭在我國能源使用中占有重要地位,但由于不良的地質(zhì)條件、復雜的存儲環(huán)境以及人員管理疏忽等原因,其開采和生產(chǎn)過程中事故頻發(fā),給國家財產(chǎn)和人民安全帶來了巨大的危害,其中頂板事故就屬于多發(fā)類型事故。為了預防頂板事故的發(fā)生,研究頂板動態(tài)活動、實時掌握礦山壓力變化十分必要。鑒于早期礦井下,用于頂板工作面的錨桿應力采集裝置,多采用電纜線將檢測結(jié)果傳送至井下基站,使得網(wǎng)絡布線繁雜、移動麻煩、維護不便。一旦線路破損,必然嚴重影響檢測結(jié)果的準確性[1]。為此,本文設計了一種全新的礦井下應力監(jiān)測系統(tǒng)。壓力采集部分引入了無線射頻技術(shù),在礦井下形成了分布式無線采集網(wǎng)絡,能夠?qū)㈨敯鍓毫崟r、可靠、全面地發(fā)送給井下通信分站[2]。通過有線通信技術(shù),將接收到的壓力值傳送到地面監(jiān)控中心。為了驗證設計的合理性,本設計搭建了實驗平臺,對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行驗證。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

監(jiān)測系統(tǒng)主要由2部分組成:一是采集分站,主要負責錨桿應力的采集、存儲及無線傳輸;二是通信分站,作為無線通信和有線通信的中轉(zhuǎn)站,需將井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄系谋O(jiān)控中心。

監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,多臺采集分站組成一個以某臺通信分站為中心的網(wǎng)絡,可以向此通信分站無線傳輸信息,同一個網(wǎng)絡中的采集分站也可以相互傳遞信息;通信分站主要負責將下面由無線傳輸上來的信息通過CAN總線方式傳送到終端,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)上傳,可方便后期對壓力情況的研究分析和預測。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2 采集分站硬件設計

采集分站的處理器為STM32F103RB,是32位的Cortex-M3內(nèi)核CPU。具有高性能、多通信接口、低功耗等優(yōu)勢,其豐富強大的外設資源及運算轉(zhuǎn)換速率能滿足設計要求。采集分站硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,在采集分站中,傳感器輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路后將直接送入CPU單元,由控制芯片內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。采集分站在電源管理下實現(xiàn)了壓力數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖2 采集分站硬件結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器信號采集電路設計

系統(tǒng)選用南京沃天科技有限公司生產(chǎn)的以PC10系列OEM硅壓阻式芯體為核心的傳感器,該傳感器需采用1.5 mA的恒流源作為激勵源,當外部收到60 MPa的礦壓時,輸出電壓僅為80 mV,所以需要經(jīng)過信號調(diào)理后,方能傳送給處理器進行采集。傳感器信號采集電路如圖3所示。

圖3 傳感器信號采集電路

由于PC10系列傳感器內(nèi)部為橋式電路,輸出電壓中有共模信號,所以需要對輸出電壓進行差分放大。因此,系統(tǒng)選用AD623芯片作信號放大器,這是一款既可單電源也可雙電源供電的儀表放大器,對共模信號有很好的抑制能力。在AD623中,電阻R1=R2=R3=50k,輸出電壓與輸入電壓的關系如下:

(1)

由式(1)得知,AD623的放大倍數(shù)完全取決于電阻RG,這里大約需要放大30倍,所以在該芯片的1號與8號引腳之間接上了一個阻值為3.09k的電阻,同時,為了防止放大后的電壓超過3.3 V而損壞主芯片,在AD623的電壓輸出端接上了一個二極管,當電壓大于3.3 V并達到4 V時,二極管就會導通,電流從此路流走,從而保護了主芯片。為了減少射頻干擾,電路中還增加了濾波電容C26、C27、C28及限流電阻R23、R25。

2.2 外部存儲及時鐘電路設計

采集分站中,為了預防數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐蝗恢袛?需要將采集到的數(shù)據(jù)除了上傳到監(jiān)控中心外,還要在本臺機器上做長時間的數(shù)據(jù)備份,因此需要外加存儲模塊、時鐘模塊。外部存儲和時鐘電路如圖4所示。

圖4 外部存儲和時鐘電路

采集分站使用美國DALLAS公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的實時時鐘芯片DS1302?？商峁┠辍⒃?、日、時、分、秒、星期等信息且具有閏年補償功能。它采用串行通信方式,外部使用雙電源供電(主電源和電池),保證系統(tǒng)在斷電下時鐘繼續(xù)工作,計時不會停止。存儲芯片型號為M25P16,工作電壓在2.7～3.6 V,由SPI方式連接到控制器,內(nèi)存2 M大小,分為32個扇區(qū),每個扇區(qū)有64 K容量。采集過程中會考慮數(shù)據(jù)波動范圍的存儲,長時間不變的數(shù)據(jù)不會存入存儲器,所以一般此Flash中可以保持近幾個月的數(shù)據(jù)量。

3 通信分站硬件設計

系統(tǒng)設計中的通信分站將無線和有線通信方式功能集合于一體,實現(xiàn)了局域網(wǎng)絡,將網(wǎng)絡中的子節(jié)點采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由CAN總線方式上傳給上位機,能夠在液晶模塊上顯示出各網(wǎng)絡節(jié)點的具體參數(shù)。針對以上功能,設計了通信分站的硬件結(jié)構(gòu),如圖5所示。從整體結(jié)構(gòu)上來看,通信分站的硬件系統(tǒng)主要由主控制單元、CAN收發(fā)器單元、無線通信單元、顯示單元等部分構(gòu)成。

圖5 通信分站硬件結(jié)構(gòu)

3.1 無線射頻模塊

監(jiān)測系統(tǒng)中的無線通信采用ZigBee射頻技術(shù),選用以STM32W108為核心的ZigBee射頻模塊REX3SP。STM32W108內(nèi)置32位ARM Cortex-M3微處理器、128 K大小的Flash和8 K RAM等基本單元,還集成了基于IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)器單元以及配備了適合于ZigBee底層驅(qū)動的協(xié)議庫。

無線射頻通信模塊硬件電路如圖6所示。REX3SP無線射頻模塊的程序下載模式選用SWD,所以將復位引腳W_nRESET、時鐘引腳W_JTCK、數(shù)據(jù)傳輸W_PC4、3.3 V電源、接地GND分別引至端子Header 5上。為了與通信分站進行數(shù)據(jù)傳輸,將引腳W_RX與W_TX分別和主芯片連接[3]。

圖6 無線射頻通信模塊

3.2 CAN總線通信電路設計

通信分站中需要將無線接收到的數(shù)據(jù)以CAN總線方式發(fā)送出去,系統(tǒng)使用的MCU中自帶了CAN總線控制器,可支持CAN 2.0A與2.0B協(xié)議,最高通信波特率達到1 Mbit/s。外部引腳直接連接到CAN收發(fā)器ADM3053的接收和發(fā)送管腳。

ADM3053是一款隔離式CAN收發(fā)器,它基于ISO11898的標準定義了CAN物理層協(xié)議,內(nèi)部集成了隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器。元件有電流限制和熱關斷的功能,防止輸出短路。CAN總線通信電路如圖7所示。ADM3053由5 V供電,VIO端提供邏輯信號電源,供電電壓3.3 V(MCU電壓基準)。C25是儲能電容,其他電容為去耦電容。R29是動態(tài)電阻。芯片支持2種工作模式:高速模式和斜率控制模式。當R29為0時選擇高速模式,此時輸出信號沒有上升和下降斜率的限定。

圖7 CAN總線通信電路

CAN總線有主動和被動2種狀態(tài),當CAN H和CAN L兩端之間的差分電壓值大于0.9 V或1.0 V時,總線呈現(xiàn)主動狀態(tài);而當CAN H和CAN L兩端之間的差分值電壓小于0.4 V或0.5 V時,總線呈現(xiàn)被動狀態(tài)。當總線為主動狀態(tài)時,CAN H引腳是高電平,CAN L引腳是低電平。當總線為被動狀態(tài)時,CAN H和CAN L引腳均是高阻狀態(tài),高阻狀態(tài)即為電平不確定的狀態(tài)。R30是終端匹配電阻,可以降低CAN H和CAN L回路中的阻抗,使CAN H和CAN L具有確定的電平[4]。

圖7中終端電阻為120 Ω,根據(jù)實際測試,不同傳輸長度下電阻值為120～300 Ω最佳。終端電阻不僅起到匹配線路電阻阻抗的作用,也能消除通信過程中線路電纜中的信號反射,提升能源效益。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)監(jiān)控軟件的實現(xiàn)是基于現(xiàn)在市場上逐漸發(fā)展起來的RT-Thread操作系統(tǒng)。它是本土化的開源實時操作系統(tǒng),由開源社區(qū)開發(fā)、維護,其開放的源代碼吸引了越來越多的人參與開發(fā)和使用。在RT-Thread系統(tǒng)上,整個監(jiān)控中各個功能可以作為某個線程實現(xiàn)[5]。線程是RT-Thread中最基本的調(diào)度單元,描述的是任務執(zhí)行的上下文關系及這個任務所處的優(yōu)先級。監(jiān)控系統(tǒng)分為采集分站和通信分站,如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

采集分站將任務分為5個線程:按鍵控制線程、無線通信線程、采集線程、動態(tài)顯示線程、軟件定時器線程。其中,采集線程包括數(shù)據(jù)的采集、軟件優(yōu)化運算、數(shù)據(jù)存儲;通信分站包括按鍵控制線程、無線通信線程、CAN通信線程、動態(tài)顯示線程、軟件定時器線程[6]。

5 壓力監(jiān)測系統(tǒng)準確性測試

為了驗證壓力監(jiān)測系統(tǒng)的準確性,對5組不同的標準壓力進行了檢測,測試結(jié)果如表1所示,最終計算得出5組數(shù)據(jù)的最大絕對誤差為0.4 MPa,最大相對誤差為1.96%,符合工業(yè)級儀表的精度要求。

表1 壓力準確性測試結(jié)果

6 結(jié)語

為了能夠穩(wěn)定、可靠地對礦井下頂板壓力實時監(jiān)測,本文設計了一套基于ZigBee無線技術(shù)與CAN總線的新型壓力監(jiān)測系統(tǒng)。整套系統(tǒng)分為采集分站與通信分站,采集分站分布在頂板的多個錨桿壓力監(jiān)測點上,通過ZigBee無線通信技術(shù),將監(jiān)測點處的壓力值實時傳送給通信分站,通信分站則通過CAN總線將壓力數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)控中心。

為了驗證該套系統(tǒng)的可行性,進行了壓力監(jiān)測準確性測試。結(jié)果表明,該套系統(tǒng)基本符合預期要求。