基于LPC1778的六路RS485總線煤礦安全監(jiān)控分站的研究

徐士敏 樊曉明 李波

【摘要】本文提出了一種基于LPC1778的六路RS485總線的煤礦安全監(jiān)控分站的詳細(xì)設(shè)計方案，能夠為目前煤礦現(xiàn)場的采煤工作面和掘進(jìn)工作面?zhèn)鞲衅魈峁┻h(yuǎn)距離供電，同時能夠減少煤礦現(xiàn)場的多個傳感器的用線數(shù)量，該分站具備七路電源輸入和六路RS485總線接口，與子設(shè)備通信的每路RS485接口都配套電源輸出。該分站的應(yīng)用能夠提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，降低煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本。

【關(guān)鍵詞】監(jiān)控分站;遠(yuǎn)距離;采集;總線接口

引言

隨著采煤技術(shù)的進(jìn)步和大型煤礦的發(fā)展，煤礦掘進(jìn)工作面和采煤工作面不斷的加長[1]，超過3km的掘進(jìn)工作面和采煤工作面已經(jīng)比比皆是。《AQ6201煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》規(guī)定，傳感器及執(zhí)行器至分站之間的傳輸距離應(yīng)不小于2km，眾多安全監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家對傳感器與分站的傳輸距離和供電距離定為2km，超過2km后，很難保證傳感器的正常穩(wěn)定工作，同時由于工作面所需采集參數(shù)眾多，所需接入傳感器數(shù)量大，傳感器多采用三線制或四線制頻率傳輸?shù)姆绞?，?dǎo)致工作面的布線成本大大增加。為了解決煤礦現(xiàn)場出現(xiàn)的以上問題，提高傳感器的工作穩(wěn)定性以及減少工作面的布線數(shù)量，本文對多路RS485總線的煤礦安全監(jiān)控分站進(jìn)行研究，其主要特點是具備七路本安電源輸入和六路RS485總線接口（其中四路RS48接口是與數(shù)字型傳感器關(guān)聯(lián)使用），與傳感器配合使用的每路RS485接口均具備獨立的24V電源輸出，為總線型傳感器的遠(yuǎn)距離供電提供動力保障。同時由于分站采用RS485總線接口與傳感器連接，其一根四芯線纜可以接入多個傳感器，大大減少了工作面的布線數(shù)量，降低煤礦企業(yè)生產(chǎn)成本。

1.組成模塊

分站采集各頻率、開關(guān)量、總線型傳感器的參數(shù)后，通過傳輸接口將這些參數(shù)傳送至地面的計算機，計算機通過監(jiān)測軟件將這些環(huán)境參數(shù)以及設(shè)備工作狀態(tài)，展示給地面的工作人員，從而完成監(jiān)測的功能[2]。同時，分站按照采集到的環(huán)境參數(shù)及接收到的控制邏輯，通過控制執(zhí)行器對被控制設(shè)備進(jìn)行實時控制，從而完成控制功能。按其功能主要由：通訊模塊、頻率數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、RS485接口擴(kuò)展模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互模塊、嵌入式軟硬件模塊[3]部分組成。其硬件組成模塊框圖如圖1所示。

圖1 分站硬件組成模塊框圖

2.硬件電路詳細(xì)設(shè)計

2.1 輸入輸出電源設(shè)計

具備7路獨立電源輸入接口，其中1路用于分站自身供電，其余6路用于對外的頻率端口和RS485端口電源輸出。對外部輸出的6路獨立輸入電源進(jìn)行管理及保護(hù)設(shè)計，提供12路電源輸出，分別提供給4路模擬量接口、4路開出控制接口、4路RS485接口，其中4路模擬量接口共用1路電源、4路開出控制接口共用1路電源、4路485接口各用1路電源。對模擬量接口及開出控制接口實現(xiàn)過流保護(hù)[4]、電源控制、狀態(tài)輸出，其所有電源輸出端口具有抗浪涌、群脈沖能力。分站輸入輸出電源設(shè)計原理框圖如圖2所示。

圖2 分站輸入輸出電源設(shè)計原理框圖

2.2 頻率量和開關(guān)量輸入端口設(shè)計

可以接入8個頻率量（或開關(guān)量）傳感器，頻率量和開關(guān)量輸入口采用兼容設(shè)計，數(shù)據(jù)采集模塊完成頻率信號、開關(guān)量信號信號的隔離、轉(zhuǎn)換及整形，具有抗浪涌、群脈沖能力，輸出信號供最小系統(tǒng)采集。輸入端口采用TVS保護(hù)器件，提高抗浪涌和群脈沖能力，采用信號電流驅(qū)動光耦隔離，光耦后端采用施密特觸發(fā)器對頻率信號整形。頻率量和開關(guān)量信號采集原理框圖如圖3所示。

圖3 頻率量和開關(guān)量信號采集原理框圖

2.3 RS485總線接口設(shè)計

具備6路獨立的RS485總線信號通信模塊，各路RS485信號互相隔離。端口采用TVS、共模線圈等保護(hù)器件，提高抗浪涌和群脈沖能力，UART與RS485接口芯片相互隔離，采用不帶隔離功能的RS485接口芯片加外部光耦隔離等方式實現(xiàn)。RS485總線接口設(shè)計原理框圖如圖4所示。

圖4 RS485總線接口設(shè)計原理框圖

2.4 開關(guān)量輸出端口設(shè)計

通過隔離、驅(qū)動電路，完成4路控制信號輸出。處理器輸出信號驅(qū)動光耦隔離，光耦后端采用三極管驅(qū)動信號輸出。輸出端口采用TVS保護(hù)器件，提高抗浪涌和群脈沖能力。開關(guān)量輸出端口設(shè)計原理框圖如圖5所示。

圖5 開關(guān)量輸出端口設(shè)計原理框圖

2.5 人機交互模塊設(shè)計

顯示采用單色320×240點陣圖形液晶顯示模塊、2個紅/綠LED指示燈用于指示電源及分站運行、H38V3V紅外接收采用芯片、五維薄膜按鍵，實現(xiàn)文字及數(shù)據(jù)信息顯示、電源及通訊狀態(tài)指示、紅外遙控接收及按鍵輸入功能。人機交互模塊設(shè)計原理框圖如圖6所示。

圖6 人機交互模塊設(shè)計原理框圖

2.6 最小系統(tǒng)設(shè)計

通過串行FLASH芯片AT45DB321D，完成4M Bytes數(shù)據(jù)的存儲;通過芯片CAT1161完成外部看門狗及EEPROM的存儲功能;通過恩智浦LPC1778處理器作為主控芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、控制、邏輯運算、存儲、系統(tǒng)掉電時鐘管理等功能，與其他外圍電路模塊一起，實現(xiàn)頻率信號和TTL電平信號采集、485通訊控制、控制信號輸出等功能。最小系統(tǒng)設(shè)計原理框圖如圖7所示。

圖7 最小系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

3.結(jié)論

針對目前國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控分站在采煤工作面和掘進(jìn)工作面的應(yīng)用現(xiàn)狀與問題，本文提出了一種監(jiān)控分站的設(shè)計新思路，并設(shè)計研究出一款基于LPC1778的六路RS485總線煤礦安全監(jiān)控分站，改善了目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中傳感器無法長距離供電、采掘工作面布線多的問題，降低了煤礦的生產(chǎn)成本。該煤礦安全監(jiān)控分站已取得防爆證和安標(biāo)證，且已應(yīng)用到諸多采煤現(xiàn)場，取得了良好的成效。

參考文獻(xiàn)

[1]申寶宏，郭玉輝.我國綜合機械化采煤技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012（2）：1-3.

[2]王啟峰，祝國源，孫小進(jìn). 基于FPGA的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控分站的設(shè)計[J].工礦自動化，2010（10）：29-31.

[3]徐竟天.基于ARM9嵌入式和工業(yè)以太網(wǎng)的礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)研究[M].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[4]程曉潔.基于低壓差電源穩(wěn)壓器的CMOS過流保護(hù)電路設(shè)計[M].四川：西南交通大學(xué)，2006.

項目來源：天地（常州）自動化股份有限公司橫向科研項目（項目號：13SY021）。

作者簡介：徐士敏（1984—），男，山東昌樂人，碩士，工程師，主要從事煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究。