基于CAN總線的可變頻率采動應力實時監(jiān)測系統(tǒng)設計

孟曉靜，汪 毅，趙媛媛

（中國礦業(yè)大學a.信電學院；b.徐海學院，江蘇 徐州221008）

我國的煤炭資源條件較差，90%以上的產(chǎn)量來自于地下開采。目前我國的煤礦已進入深部開采期，深部開采容易誘發(fā)以沖擊礦壓、礦震和頂板大面積垮落為代表的煤礦災害事故，其中沖擊礦壓作為采礦活動誘發(fā)的礦震，以其突然、急劇和猛烈的破壞特征嚴重威脅著礦山的安全生產(chǎn)，并給我國煤礦造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡［1－2］。這些地質災害的發(fā)生與采動應力都有著很大的關系，采動應力的監(jiān)測是研究以及預防的基礎，而且是煤礦安全避險“六大系統(tǒng)”中監(jiān)控檢測系統(tǒng)的重要組成部分，對于采動應力實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究是很必要也具有很大的實用價值［3］。

對地應力測試理論與技術的研究一直是巖石力學與工程學科的重要內(nèi)容。目前地應力測量方法有很多種，而以測定巖體中的應變、變形為依據(jù)的力學法的應力解除法與水壓致裂法得到比較廣泛的應用［4－7］。但對采動應力的實時監(jiān)測系統(tǒng)，比如尤洛卡的KJ216A、科大中天YAD200等多用油壓監(jiān)測傳感器和RS485總線傳輸。油枕傳感器結實耐用，但精度較小，反應速度慢，不能實時的反映采動應力的快速變化；而RS485總線不能滿足長距離傳輸?shù)囊?，且可靠性與實時性也都沒有CAN總線高。本文所設計的采動應力實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室研制的，采用新型應變材料的電阻－應力傳感器，設計可變頻率監(jiān)測的程序，使采樣速率具有智能特性，在采動應力變化較大時，能自動增加采樣速率，完整記錄煤巖在沖擊發(fā)生過程中的應力變化，再利用實時性強、可靠性高且可長距離傳輸?shù)腃AN總線，將傳輸數(shù)據(jù)到井上主機，完成采動應力的監(jiān)測要求［8］。

1 系統(tǒng)的總體構成

采動應力實時在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，主要包括以下幾個部分。

圖1 采動應力總體設計框圖

1.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要用來實時采集地應力數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)格式的轉化及處理工作。其由傳感器和處理電路組成，其中還包括程序設計。此模塊設計的關鍵在于傳感器的電阻－應力的標定、電阻的高精度采集電路設計以及變頻率采集的程序設計。

1.2 通信模塊

通信模塊包括CAN的底層硬件設計，CAN拓撲組網(wǎng)及協(xié)議編寫，以及CAN-NET轉換等。主要完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN-BUS網(wǎng)絡設計，要保證傳輸數(shù)據(jù)的實時性、準確性以及抗干擾，還要滿足煤礦井下的特殊要求。

1.3 上位機軟件

上位機軟件可實時在線顯示各傳感器的監(jiān)測結果，提供用戶每個探頭的工作情況，存儲采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，獲知地應力情況異常工作面，并發(fā)布報警預告。本文對上位機不做深入研究。

2 信號處理模塊設計

2.1 傳感器的標定

傳感器是地應力數(shù)據(jù)采集的基礎，傳感器能否準確快速反映應力的大小及變化，直接影響系統(tǒng)的準確性。本文采用了新型應變材料電阻－應力傳感器，為保證傳感器的精度和快速恢復性，首先做好標定工作，即標定傳感器的電阻－應力關系曲線，如圖2所示0～50kΩ時電阻－應力變化曲線。選擇線性度最好1～5kΩ的應變范圍作為傳感器的電阻變化范圍，保證其測量精度。要求待測的采動應力最大值為80MPa，標定電阻為1kΩ時應力為井壁的初始應力（需要實際測量，在這里我們將它標定為0 MPa），電阻為5kΩ對應應力為80MPa，即電阻每變化1Ω應力變化5kPa。然后根據(jù)線性關系設計相應的硬件電路和程序。

圖2 采動應力總體設計框圖

2.2 處理電路的設計

采用電阻－應力傳感器監(jiān)測工作面的應力及變化，必須把傳感器裝設在采掘工作面的內(nèi)部，距離井壁8～15m的位置，傳感器和信號處理電路采用一體化設計，因此需設計精密的測電阻電路，同時要求具有較強的抗干擾能力。綜上考慮系統(tǒng)采用Mi-crochip公司的PIC18F2480單片機作為主控芯片，且18F2480自帶CAN控制器，減少了硬件的設置，節(jié)約了PCB板的面積。

電阻測量采用精密恒流源電路（精度可達1±0.002mA）。恒流源電路采用TL431作為電壓基準，OP07作為電壓跟隨器，使PNP的集電極電流保持恒定。傳感器接在P8處，A／D采樣P8兩端的電壓作為原始數(shù)據(jù)，最后通過電壓－電阻－應力的關系由單片機處理得采動應力的實際數(shù)值。

2.3 可變頻率信號采集程序設計

要準確記錄應力在煤巖采動過程中的變化規(guī)律及趨勢，采樣速率應具有智能特性，即應力變化較快，采用較高的采樣頻率，應力變化慢時，采用較低的采樣頻率，程序流程如圖3所示。

圖3 變頻率信號采集流程圖

3 通信模塊設計

圖4 通信模塊體系結構圖

系統(tǒng)通信整體結構如圖4所示，為方便網(wǎng)絡的擴充和智能探頭的增加。CAN組網(wǎng)采用總線型網(wǎng)絡拓撲結構。每個采掘工作面的傳感器節(jié)點構建成一個CAN網(wǎng)絡，每個CAN網(wǎng)絡通過CAN-NET轉換器轉化為以太網(wǎng)的格式，通過井下已有的以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛娴谋O(jiān)測主機，其設計的關鍵在于CAN通信模塊設計。

3.1 CAN底層硬件設計

CAN底層硬件設計主要由CAN控制器、CPU、驅動器以及相互之間的連接構成。其實現(xiàn)方案一般有三種：1）CPU＋CAN控制器＋CAN收發(fā)器；2）集成CAN控制器的CPU＋CAN收發(fā)器；3）CAN的串行I／O器件＋CAN收發(fā)器。因智能探頭部分采用是自身帶CAN控制器的PICF2480作為CPU，為此采用第二種方案，以便減少所用的芯片，控制PCB的面積，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。選用PCA82C250作為CAN總線收發(fā)器，它是標準的CAN總線收發(fā)器，是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，可以用高達1Mb／s的速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)［9］。

CAN底層硬件電路中主要由3部分所構成：采用PIC18F2480作為CPU、82C250作為CAN總線收發(fā)器和6N137的高速光電耦合器。其中CPU主要完成傳感器的信號采集和CAN的初始化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。為增強系統(tǒng)的抗干擾能力，CPU的TX和RX通過6N137連接到82C250的TXD和RXD引腳，光耦合部分采用電源VCC和VCC0完全隔離［10］。

3.2 CAN協(xié)議的設計

CAN協(xié)議的目的是為了在任何兩個基于CAN-BUS的儀器之間建立兼容性；規(guī)范定義了傳輸層，并定義了CAN協(xié)議在周圍各層當中所發(fā)揮的作用。CAN協(xié)議分為CAN 2.0A與CAN 2.0B。其中CAN 2.0A支持標準的11位標識符，而CAN 2.0B同時支持標準的11位標識符和擴展的29位標識符。采動應力監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性要求高，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)僅僅是每個探頭的測到的壓力值，因此采用11位的標準幀格式CAN 2.0A即可。其幀格式依次包括：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場和幀結束。其中數(shù)據(jù)段長度可編程0～8個字節(jié)，每個字節(jié)包含8位。位仲裁是CAN總線獨特競爭機制，可避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。

信號的采集不受上位機控制，智能探頭在上電后自動采集，不需要設置應答模式，只需要在數(shù)據(jù)幀中標定好所采集數(shù)據(jù)的探頭號及工作面代碼，協(xié)議比較簡單。

4 結論

基于CAN總線設計的可變頻采樣的采動應力實時監(jiān)測系統(tǒng)通過采用先進的應力應變材料，精確的標定及先進的電路設計等方法，解決了以往系統(tǒng)精度低、測量頻率固定、實時性差以及傳輸距離短的缺點。所設計的采集應力智能傳感器已申請發(fā)明專利和實用新型專利，其中實用新型已獲得專利號（ZL201120117949.1）。利用本系統(tǒng)進行對采動影響下的煤巖體進行實時監(jiān)測，記錄并分析采動應力，對沖擊地壓及其他應力引起的煤礦災害的防治及決策提供有力的支持。

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