煤巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井下監(jiān)控分站的設(shè)計(jì)

趙 健

(泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，山東泰安 271021)

1 引言

基于CAN總線的煤巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一套高度自動(dòng)化的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)礦井下各個(gè)區(qū)域內(nèi)的煤巖應(yīng)力狀態(tài)、分析處理采集到的數(shù)據(jù)、記錄與顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果.本系統(tǒng)包括井上監(jiān)控服務(wù)器、井上監(jiān)控主機(jī)、井下監(jiān)控分站、CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)等功能模塊.井下監(jiān)控分站負(fù)責(zé)煤巖應(yīng)力的測(cè)量、存儲(chǔ)、顯示、傳輸和報(bào)警功能;通過CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)將煤巖應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到井上監(jiān)控主機(jī);井上監(jiān)控主機(jī)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)送給井上監(jiān)控服務(wù)器，并能脫離服務(wù)器獨(dú)立運(yùn)行;井上監(jiān)控服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并實(shí)時(shí)顯示，供監(jiān)控人員查詢和管理.本文主要介紹井下監(jiān)控分站的設(shè)計(jì).

2 監(jiān)控分站的組成

監(jiān)控分站硬件模塊主要包括:微控制器、煤巖應(yīng)力測(cè)量裝置、多路開關(guān)、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤、LCD顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CAN總線接口、報(bào)警電路、“看門狗”電路、電源電路等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

3 監(jiān)控分站各模塊設(shè)計(jì)

3.1 微控制器模塊

監(jiān)控分站采用基于ARM7的32位微控制器LPC2103，完成整個(gè)監(jiān)控分站的控制任務(wù).外圍電路包括:監(jiān)控電路、掉電存儲(chǔ)電路和矩陣鍵盤等.

LPC2103是飛利浦公司生產(chǎn)的高性能微控制器，最高工作頻率可達(dá)到70MHz，內(nèi)部資源豐富，具有8K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，能夠滿足程序運(yùn)行期間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求，32K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)系統(tǒng)代碼;芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)時(shí)鐘、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，無需外部擴(kuò)展;芯片具有32條可承受5V電壓的通用輸入輸出接口，還擴(kuò)展了I2C接口、串行接口、SPI接口等新型接口，方便連接外設(shè);芯片支持在線調(diào)試技術(shù)，通過ISP下載線可實(shí)時(shí)調(diào)試.

微控制器外部連接了MAX813L“看門狗”定時(shí)器，作為監(jiān)控電路監(jiān)測(cè)微控制器的運(yùn)行，防止外部干擾導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)而引發(fā)事故.

系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)定信息存入E2PROM，防止因掉電造成數(shù)據(jù)丟失，采用了具有I2C接口的32KB存儲(chǔ)器AT24C256.

圖1 監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)框圖

3.2 電磁輻射信號(hào)接收

根據(jù)煤巖變形產(chǎn)生電磁輻射的理論［1］，受載煤巖體變形及破裂時(shí)能夠產(chǎn)生電磁輻射，煤巖中應(yīng)力越高，變形破裂過程越強(qiáng)烈，電磁輻射信號(hào)越強(qiáng).系統(tǒng)通過測(cè)量電磁輻射強(qiáng)度，來確定煤巖應(yīng)力狀態(tài).測(cè)量電磁輻射信號(hào)的基本過程:煤巖產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)由接收天線接收后，送井下監(jiān)控分站的信號(hào)調(diào)理放大電路，經(jīng)過高精度A/D轉(zhuǎn)換后送微控制器處理.

煤巖變形產(chǎn)生電磁輻射主要在1～500 KHz頻段內(nèi)［2］，系統(tǒng)中的電磁輻射接收天線采用1～500 kHz的寬頻帶、定向、非接觸式天線.

3.3 信號(hào)調(diào)理放大電路

天線接收的電磁輻射信號(hào)極其微弱，幅度為毫伏級(jí)的頻率信號(hào).在外部干擾和傳感器自身噪聲的情況下，單獨(dú)依靠傳感器無法識(shí)別電磁輻射信號(hào).因此，只有在有效控制噪聲干擾的前提下，將信號(hào)放大到需要的級(jí)別才是有效的.信號(hào)調(diào)理放大電路原理圖如圖2所示.

圖2 放大電路原理圖

前置放大器的噪聲系數(shù)決定了整個(gè)放大電路的噪聲系數(shù)［3］，對(duì)于毫伏級(jí)的微弱信號(hào)，專門采用分立元件進(jìn)行了設(shè)計(jì).

帶通濾波電路用來保留頻率在1～500KHz之間的信號(hào).因此濾波器的通帶范圍設(shè)計(jì)為1～500KHz，它由高通濾波器和低通濾波器組成.實(shí)際采用的高通濾波器如圖3所示.其中高通濾波器截止頻率為1KHz，采用的是單端反饋高通濾波器電路，由運(yùn)放LF356和分離的R、C元件構(gòu)成.為了降低信號(hào)調(diào)制頻率以外的高頻干擾信號(hào)，加入了此低通濾波器將之濾除.低通濾波由具有極低的失調(diào)電壓與溫漂、低輸入偏置電流、低噪聲、低功耗的單運(yùn)放集成電路OP1177和R、C元件構(gòu)成二階壓控有源低通濾波電路，低通濾波電路如圖4所示.

主放大器由集成電路AD603及外圍增益調(diào)整電路組成，主放增益可以由鍵盤設(shè)置，主放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)由毫伏級(jí)放大到伏特級(jí).

圖3 高通濾波電路

圖4 低通濾波電路

3.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路采用12位分辨率的高精度A/D轉(zhuǎn)換器MAX1275，對(duì)主放大器輸出的模擬量進(jìn)行采樣，將模擬量轉(zhuǎn)換成微控制器易于處理和傳輸?shù)臄?shù)字量.由于主放大器增益可調(diào)，可以將放大的輸出信號(hào)控制在0～5V范圍內(nèi)，MAX1275允許模擬輸入信號(hào)電壓為－0.3V ～ +5.3V(參考地電壓0V，電源電壓+5V)，滿足信號(hào)幅度要求.電磁輻射信號(hào)的頻率為1～500KHz，根據(jù)采樣定理，采樣頻率要大于被采樣信號(hào)帶寬的2倍，也就是采樣頻率必須至少是信號(hào)中最大頻率分量頻率的2倍，MAX1275采樣率為1.8Msps，滿足這一要求.

3.5 CAN總線傳輸接口

在CAN總線的傳輸接口設(shè)計(jì)中，使用的主要器件包括:CAN控制器［4］SJA1000、CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250、高速光耦6N137和DC/DC隔離電源B0505S－1W.具體電路如圖5所示.

圖5 CAN節(jié)點(diǎn)電路圖

CAN控制器SJA1000(U2)和LPC2103(U1)的連接關(guān)系:數(shù)據(jù)線AD0～AD7連接至P0.17～P0.24;中斷申請(qǐng)端INT連至P0.14(EINT1);片選端CS連至P0.13.

SJA1000(U2)的XTAL1、XTAL2外接16M晶振;模式選擇端MODE接高電平，工作在Intel模式;RST復(fù)位端外接獨(dú)立復(fù)位電路，由10k電阻(R3)和22uF電容(C6)組成.

DC/DC電源隔離器B0505S－1W(DC－DC)的1(VCC)、2(GND)引腳分別連接 SJA1000(24)、6N137(U4)的輸入端、6N137(U5)的輸出端的電源和地線;隔離輸出3(VCC2)、4(GND2)引腳連接至6N137(U4)的輸出端、6N137(U5)的輸入端、82C250(U6)的電源和地線.

通過高速光耦6N137(U4、U5)將CAN控制器SJA1000(U2)的TX0和RX0與CAN收發(fā)器82C250(U6)的TXD和RXD進(jìn)行電氣隔離，使得CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力大大加強(qiáng).為了使82C250(U6)免受過流的沖擊，將82C250(U6)的CANH和CANL引腳分別通過電阻(R4、R5)與CAN總線相連.

3.6 電源模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站采用KDW17通用本質(zhì)安全型不間斷電源［5］，它可以在瓦斯、煤塵爆炸等危險(xiǎn)環(huán)境中使用.本電源具有三路12～24V本安電源輸出，并有二組繼電器控制隔離輸出回路，用于向本質(zhì)安全型設(shè)備提供本安直流電源，同時(shí)可用于斷電控制.監(jiān)控分站各模塊中:微控制器LPC2103需要+3.3V和+1.8V電源;MAX1275、CAN接口需要+5V電源;光報(bào)警電路需要+9V電源;聲報(bào)警模塊需要+5V和+9V電源;放大器需要+5V和－5V電源.監(jiān)控分站電源電路如圖6所示.

圖6 監(jiān)控分站電源電路圖

4 總結(jié)

系統(tǒng)通過測(cè)量煤巖變形產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)來確定煤巖應(yīng)力狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠，并且精度高.同時(shí)，系統(tǒng)將CAN總線技術(shù)引入了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，利用CAN總線的高度靈活性以及強(qiáng)大的通訊功能將井下的監(jiān)測(cè)儀表的數(shù)據(jù)上傳至井上遠(yuǎn)端的監(jiān)控服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下煤巖應(yīng)力參數(shù)的全面、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)控.井下監(jiān)測(cè)儀表裝置硬件采用微控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，微控制器系統(tǒng)軟件運(yùn)用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了該模型在實(shí)際生產(chǎn)過程中的正確性和可靠性.

［1］肖棟，賈慧霖，李忠輝，等.電磁輻射與聲發(fā)射礦井綜合信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(4):82－84.

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